废热回收型纯电动汽车热泵系统仿真

2021年12月14日汽车技术评论1,839阅读模式

摘要：针对电加热给乘员舱取暖会影响纯电动汽车续航里程的问题，搭建了废热回收的热泵系统，回收动力电池和驱动电机产生的废热，并通过GT-suite 仿真分析软件进行分析。取暖工况下，采用电池预热要比单电加热热泵，COP（制热能效比）提升20%。采用电池预热、废热回收的热泵系统要比电加热系统的百公里能耗减少29.6%；采用废热回收的热泵系统要比电加热系统的百公里能耗减少6.7%。结果表明，带电池预热的回收型热泵可使乘员舱取暖系统的COP 和整车的百公里能耗有显著优化。

纯电动汽车能够实现无排放污染、能源利用效率高，是未来新能源汽车的重要发展方向。但是，与传统燃油车相比，纯电动车并没有发动机余热用于乘员舱取暖；而采用PTC（Positive Temperature Coefficient）电加热会严重影响纯电动汽车的续航里程，可以回收利用动力电池和驱动电机的废热用于乘员舱取暖。乘员舱温度控制、动力电池和驱动电机的热管理系统独立分散，也需要进行统一管理。针对上述问题，文献[5]以热泵空调系统为基础，采用将制冷剂回路引入电池内部的方法进行电池热管理，但并没有考虑电机的热管理。文献[6]对电机和电池采用水冷，并且将热量与空调系统交换，整个热管理系统的核心为空调系统。上述研究都未在统一工况进行系统性能测试。基于此，文章提出了一种废热回收型热泵系统（包含动力电池和驱动电机的废热热源），研究在CLTC-P（中国轻型车测试循环）工况下的整车热管理性能，为乘员舱取暖以及提高续航里程提供参考。

1 循环原理

某车型热管理系统能够完成乘员舱制冷、电池/电机冷却、乘员舱采暖和电池/电机废热回收功能，不同的功能通过切换管路电磁阀实现，文章仅讨论乘员舱采暖和电池/电机废热回收功能。

当乘员舱需求采暖时，制冷剂经压缩机压缩后流经乘员舱冷凝器、干燥过滤器、电子膨胀阀、板式换热器，回到压缩机；冷却液流经电池和电机回路，吸收电池和电机废热，将吸收的热量通过板式换热器与制冷剂进行热量交换，从而实现电机和电池废热回收。回路中的高压电加热器在热量不够时给水加热；乘员舱空气与舱内冷凝器中制冷剂换热，用于给乘员舱加热。纯电动汽车热管理系统乘员舱采暖工况，如图1 所示。

图1 纯电动汽车热管理系统乘员舱采暖工况

2 整车热管理系统模型建立

搭建整车乘员舱采暖工况的物理模型，并对仿真模型进行简化以加快模型求解速度：1）忽略各部件间和连接管路间的热交换；2）系统管内制冷剂流动为一维流动；3）冷凝器侧入口空气为一维均匀条件，忽略空气的流动不均匀性；4）电机电池系统简化为相应的等效热容；5）电池与外界空气的对流换热表面传热系数为定值不变；6）电池内部材料均匀，且材料的物理性质保持定值，不受外界影响。

2.1 压缩机模型

压缩机建模采用容积式压缩机模型，电池组直流电经逆变器为压缩机驱动电机供电，电机带动压缩机运转，考虑到制冷剂在压缩机中流动和换热比较复杂，建模仅考虑体积效率ηv、等熵效率ηis 和机械效率ηm。质量流量（qm/（g/s））、排气焓值（h2/（J/kg））和输入功率（P/w）的计算如下。

式中：N——压缩机转速，r/min；

ρ——吸气密度，kg/m3；

D——压缩机排量，CC。

式中：h1——吸气焓值，J/kg；

Δh——等熵排吸气焓差，J/kg。

图2 示出压缩机的模拟结果和试验数据的对比。从图2 可以看出，模型和试验相差不大，模拟结果与试验数据取得良好的一致性。

图2 压缩机模型的验证结果

2.2 换热器模型

与压缩机建模过程类似，模型未对冷凝器中制冷剂的流动换热过程进行机理性研究。采用标定换热器换热能力的方法，该方法通过计算制冷剂侧换热系数并标定空气侧换热系数来实现。

单相区制冷剂的换热系数采用Dittus-Boelter 关联

式计算，如式（4）所示。式中：Re——雷诺数；

Pr——普朗特数；

k——导热系数，W/(m2℃)；

D——特征直径，m。

两相区制冷剂换热系数采用Klimenko 关联式计算，如式（5）所示。

式中：ρl——液态密度，kg/m3；

ρv——气态密度，kg/m3；

kl——液态导热系数，W/(m2℃)；

kw——壁面导热系数，W/(m2℃)。

空气侧Nusselt 数，如式（6）所示。

式中系数C 与指数m 则由试验数据结合最小二乘法加以确定。

根据冷凝器和板式换热器的试验工况，建立模型模拟计算试验工况下的换热量，模型值和试验值的试验对比情况，如图3 所示。结果表明模拟结果和试验数据一致性良好，可用于预测换热器的换热能力。

图3 冷凝器和板式换热器模型模拟结果与试验数据

2.3 膨胀阀模型

膨胀阀模型按照孔板模型，其计算公式如下：

式中：n——膨胀阀当前的开度；

CD——流量系数；

A——膨胀阀最大流通面积，m；

ρr_in——膨胀阀进口制冷剂密度，kg/m3；

pin，pout——膨胀阀进、出口制冷剂压力，Pa。

2.4 工况模型

在汽车运行中，影响热泵工作的参数包括汽车的运行速度、电池及驱动电机的废热功率。试验工况模型中，通过时间查表确定当前时刻的汽车运行速度和电池及驱动电机的废热功率，并输出给热泵系统物理模型作为求解的参数输入。其电池和驱动电机废热功率数据通过仿真软件进行计算，汽车关键参数，如表1 所示。

表1 汽车主要动力仿真参数

采用电池SOC（荷电状态，即电池当前剩余容量占额定容量的百分比）作为纯电动汽车热管理系统对续航里程影响的评价指标。纯电动汽车动力电池的SOC估计方法为：把电池看成一个理想电压源和内阻串联的等效电路。

3 乘员舱加热系统模拟结果和讨论

3.1 模拟工况

对于乘员舱加热，整车采用适合中国国情的CLTC-P 工况，该工况包含低速、中速和高速3 个速度区间，工况时长为1 800 s，平均车速为29 km/h，最大车速为114 km/h。CLTC-P 工况下的车速曲线，如图4 所示。对不同工况下包含热管理系统模块的整车进行仿真分析，仿真时间为2 个CLTC-P 循环。该仿真工况下，模型的电池和电机的散热量输入，如图5 和图6 所示。

图4 CLTC-P 工况下的车速曲线

图5 电池散热量曲线

图6 电机散热量曲线

仿真工况结合实际使用情况考虑，冬季汽车在行驶前通过充电桩供电采用热管理系统把电池预热到30 ℃，舱内气温预热至24 ℃再启动汽车，节约行车能耗。

工况1：短途行驶，电池废热和电加热给乘员舱供热。汽车启动前，热管理系统将电池预热至30 ℃，舱内气温预热至24 ℃；驱动电机部件和油温度初始温度为-7 ℃，仿真2 个CLTC-P 循环。工况2：长途行驶，电池废热、电机废热和电加热给乘员舱供热。维持电池温度在13 ℃，维持舱内气温在24 ℃，驱动电机部件和油温度在55 ℃，仿真2 个CLTC-P 循环。

乘客舱温度设定为24 ℃，根据某车型在环境-7 ℃下的试验结果，维持该舱内温度，舱内冷凝器出风温度约为43 ℃。通过调节压缩机转速和高压电加热器功率来控制该出风温度。乘员舱进风模式为外循环模式时，进风温度为-7 ℃；乘员舱进风模式为部分内循环模式时，进风温度为7 ℃。

3.2 电池和电机热管理

图7 示出电池温度随时间的变化情况。对于工况1，电池温度由30 ℃逐渐降低至9 ℃附近，电池预热热量以及自身散热用于给冷却水加热。对于工况2，电池温度维持在13～15 ℃，与冷却水换热量。

图7 电池温度随时间的变化

图8 示出工况1 和工况2 的电机油温随时间的变化情况。对于工况1，电机的发热量仅用于自身升温，并未和冷却水换热。在低车速工况区间时，电机油温缓慢增加；在高车速工况区间时，电机油温急剧增加。对于工况2，电机初始温度为55 ℃，在1 600 s 前电机和冷却水换热，当电机温度降低至38 ℃，触发冷却水旁通条件，此后电机的发热量用于自身升温，直至3 300 s电机升至50 ℃，电机再次与冷却水进行换热。

图8 工况1 和工况2 电机油温随时间的变化

3.3 系统性能

工况1 的压缩机和加热器的功耗曲线、系统COP曲线，如图9 所示。前2 600 s，压缩机功耗为1～1.3 kW，加热器不介入工作，系统的COP 处于3.5～2.5。在2 600～3 600 s 时，水温过低，电池触发电加热器工作，加热器功率为1 kW左右，压缩机功率维持在1.25 kW，COP 稳定在2.5。由此可知，带电池预热的热泵系统，要比单独电加热的热泵系统，COP 提升约20%。

图9 工况1 下压缩机、加热器和COP 随时间的变化情况

表2 示出了工况2 在进风温度为-7 ℃和7 ℃时的采暖性能对比。从表2 中可以看出，部分内循环模式对比外循环模式，压缩机功耗减少了23%，加热器功耗减少了30%，COP 下降了9%。

表2 工况2 在不同进风温度下的采暖性能

图10 示出了-7 ℃环境工况和初始SOC 为0.96时，4 种不同运行模式完成2 个CLTC-P 运行工况后，电池SOC 的对比情况。无乘员舱加热需求时，SOC 为0.906；电池预热+ 废热回收+ 电加热时，SOC 为0.893；无电池预热+废热回收+电加热时，在工况运行结束后，SOC 为0.871；而无电池预热+无废热回收+电加热时，在工况运行结束后，SOC 为0.865。由此可见，相比于仅使用电加热器，采用电池预热、废热回收的热泵系统百公里能耗降低了29.6%；相比于仅使用电加热器，采用废热回收的百公里能耗降低6.7%。