純電動汽車熱泵型整車熱管理系統(tǒng)標(biāo)定與試驗技術(shù)研究

純電動汽車熱泵型整車熱管理系統(tǒng)標(biāo)定與試驗技術(shù)研究摘要：熱泵型整車熱管理系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為目前大部分純電動汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，但相較于傳統(tǒng)的燃油熱管理系統(tǒng)，熱泵型整車熱管理系統(tǒng)因其涉及的技術(shù)領(lǐng)域比較多，開發(fā)過程也更為復(fù)雜。本文主要以某車型的熱泵型整車熱管理系統(tǒng)實際開發(fā)過程為例，對整車熱管理系統(tǒng)標(biāo)定與試驗相關(guān)開發(fā)流程和技術(shù)進行了研究探討。關(guān)鍵詞：純電動汽車；熱泵型整車熱管理系統(tǒng)；標(biāo)定；試驗ResearchoncalibrationandexperimenttechnologiesforaheatpumptypeofbatteryelectricvehiclethermalmanagementsystemAbstract:Theheatpumptypeofthermalmanagementsystemhasgraduallybecomethestandardconfigurationofmostbatteryelectricvehicles.Itismorecomplexthanthetraditionalfuelvehicleheatmanagementsystembecauseitinvolvesmoretechnicalfieldsandthecomplexdevelopmentprocess.Inthispaper,thedevelopmentprogressbothwithtechnologiesinvolvedintheheatpumptypeofthermalmanagementsystemhavebeenstudiedwithtakinganactualvehicledevelopmentasanexample.Keywords:Batteryelectricvehicle;Heatpumptypeofthermalmanagementsystem;Calibration;Experiment隨著電動車技術(shù)發(fā)展以及政策推動等原因，純電動汽車已逐漸成為行業(yè)和消費者的關(guān)注熱點。根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)研顯示，2019年全年新能源汽車乘用車總銷售量為106萬臺，同比增長4%，其中純電動汽車銷量為85.3萬臺，同比增長12%，占據(jù)新能源汽車總銷量的80.5%[1]。同時，隨著銷量分布區(qū)域的擴大，對工作環(huán)境溫度的需求跨度也逐漸在增加中。目前，純電動汽車的使用區(qū)域已遍布熱帶、溫帶、寒帶和極寒等地區(qū)，各種氣候環(huán)境所帶來的使用問題也逐漸暴露出來，其中極端溫度環(huán)境下的續(xù)航里程衰減和快充時間延長是當(dāng)前諸多純電動汽車的兩大痛點[2]。目前，多數(shù)純電動車汽車均配置有整車熱管理系統(tǒng)，主要功能包括乘員艙熱管理、電池?zé)峁芾怼㈦婒?qū)動和附件熱管理等，通過熱管理系統(tǒng)的控制與調(diào)節(jié)，可以保證乘員艙、電池、電驅(qū)動及附件等在各種外界氣候和條件下均處于較為適宜的工作溫度范圍[3]。另一方面，因為純電動汽車熱源不足的問題，如果采用PTC作為補充熱源，則會存在因PTC耗能較高，而導(dǎo)致的低溫續(xù)航里程嚴(yán)重衰減的問題。因此，行業(yè)中已逐漸導(dǎo)入熱泵作為低溫環(huán)境下的高效熱源，同時對電驅(qū)、動力電池、乘客艙空調(diào)的溫控進行全面考慮，構(gòu)建更加高效節(jié)能的整車熱管理系統(tǒng)[4]。本文針對某純電動車型的熱泵型整車熱管理系統(tǒng)，按照V字型開發(fā)流程，著重對系統(tǒng)標(biāo)定和試驗驗證等領(lǐng)域中的重點開發(fā)技術(shù)進行了綜合研究，提出了完整的熱泵型整車熱管理系統(tǒng)所需的測試與驗證流程以及技術(shù)方案，并通過試驗證實了其可行性。本文以某帶電機余熱回收功能的熱泵型整車熱管理系統(tǒng)為例，展開相關(guān)研究。如圖1所示，其系統(tǒng)主要包括：乘員艙空調(diào)制冷劑系統(tǒng)、乘員艙加熱水回路系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硭芈废到y(tǒng)以及電機散熱水回路系統(tǒng)共4個模塊?？梢詫崿F(xiàn)熱泵加熱乘員艙或電池、PTC加熱乘員艙或電池、乘員艙或電池冷卻、電機余熱直接利用、熱泵回收電機余熱、電機散熱等多項功能，在滿足乘員艙熱舒適性需求的同時，調(diào)整電池溫度處于合適的工作區(qū)間，以及保證三電系統(tǒng)在高溫條件下的熱安全性能。該熱管理系統(tǒng)可以相對較容易地實現(xiàn)乘員艙、電池和三電系統(tǒng)的智能溫度控制，有利于整車熱管理能耗的改善，并進一步提升整車在高低溫環(huán)境下的續(xù)航里程。但同時，與傳統(tǒng)燃油車熱管理系統(tǒng)主要集中于發(fā)動機冷卻和乘員艙冷暖需求相比，該系統(tǒng)的服務(wù)對象增加了包括電池、電驅(qū)和小三電等系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能更為復(fù)雜，對熱管理的性能要求也更高。如圖2所示，目前主流的整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)流程主要采用了從需求分析與性能構(gòu)想，到目標(biāo)設(shè)定與分解，再到系統(tǒng)與詳細(xì)設(shè)計，最后到性能一致性驗證的V字形開發(fā)流程。本文則主要針對性能目標(biāo)達成過程中的標(biāo)定與試驗環(huán)節(jié)進行詳細(xì)研究。通常，一個完整的熱泵型整車熱管理系統(tǒng)的性能標(biāo)定與試驗流程至少需要包含臺架性能測試、環(huán)模性能測試、整車標(biāo)定、整車試驗和性能驗收等部分，即先在焓差臺架上對熱泵系統(tǒng)的整車極限和使用的各模擬工況進行試驗驗證，初步確認(rèn)核心零部件的可行性，再在環(huán)模實驗室中對整車熱管理的熱安全和高低溫性能進行驗證，再通過路試標(biāo)定進一步完善系統(tǒng)功能與性能表現(xiàn)，最后再進行整車熱安全和高低溫性能驗收。該流程的優(yōu)點在于，通過早期對臺架性能的驗證，可以盡早完成系統(tǒng)方案確定和核心零部件選型，同時在中期預(yù)留出路試與標(biāo)定的時間以用于系統(tǒng)性能優(yōu)化，并在最后完成對整車熱安全和高低溫性能等各項整車熱管理性能指標(biāo)的考核驗證。3系統(tǒng)臺架性能驗證一種熱泵型整車熱管理系統(tǒng)的試驗臺架示意圖如圖3所示，該臺架主要包括電動壓縮機、水冷冷凝器、室外換熱器、電磁閥、電子膨脹閥、氣液分離器、空調(diào)箱、板式換熱器、三通閥、水泵、PTC、膨脹水壺、傳感器等。該臺架與整車熱管理系統(tǒng)的主要區(qū)別點在于：取消冷卻風(fēng)扇，改為外部進風(fēng)裝置模擬送風(fēng)；取消電機水回路系統(tǒng)；取消電池包，改為外部進水裝置模擬電池；外接增加部分制冷劑PT傳感器、冷卻液溫度傳感器與流量傳感器等，用于監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)與計算換熱量。該試驗臺架的主要測試設(shè)備與工具的規(guī)格型號參考如下表1。通過該臺架，可以實現(xiàn)零部件通訊調(diào)試、功能模式測試、部分參數(shù)預(yù)標(biāo)定等功能，并可以對系統(tǒng)最大性能進行快速驗證，從而初步保障熱管理系統(tǒng)正常與穩(wěn)定運行。123456789-本熱管理臺架的性能測試中，主要考核工況如下表2所示。本文挑選其中部分工況為例進行詳細(xì)說明，其余工況則因篇幅有限暫不贅述。表2熱管理性能臺架測試工況表[5]環(huán)境溫度(℃)123456789002制冷劑充注量是影響系統(tǒng)空調(diào)性能的重要參數(shù)之一，因此在性能測試前首先便需要進行充注量測試。性能臺架上制冷充注量和制熱充注量的測試結(jié)果曲線，如圖4與圖5所示。分析可知，整個充注過程可以劃分為三個階段。1）加注初期因氣液分離器儲液不足，隨著充注量的增加，系統(tǒng)回路內(nèi)的冷媒流量逐漸增大，壓縮機的做功功耗也在增加。但因為換熱能力的提升更加明顯，系統(tǒng)COP處于明顯上升階段。2）平臺期繼續(xù)增加充注量至一定值時，氣液分離器開始儲液，回路內(nèi)的冷媒流量保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，系統(tǒng)進入平臺期，各性能參數(shù)無明顯變化。3）加注后期當(dāng)充注量超過某一定值后，此時氣液分離器內(nèi)已經(jīng)充滿，回路中的冷媒量超過系統(tǒng)最大能力。同時，壓縮機排氣壓力和做功功耗重新開始增加，導(dǎo)致系統(tǒng)COP轉(zhuǎn)而下降。通過制冷劑充注量試驗完成并確定了合適的充注量以后，進行了熱管理性能臺架各測試工況的試驗，具體結(jié)果詳見表3。1-2-3456789熱泵系統(tǒng)在工作時，因為需要從低溫環(huán)境中吸熱，室外換熱器的溫度一般保持在很低的狀態(tài)。因而當(dāng)環(huán)境濕度較高時，室外器表面容易凝結(jié)霜層，導(dǎo)致吸熱效率下降或無法吸熱，進而影響熱泵系統(tǒng)的正常工作。因此，在室外器表面結(jié)霜時需要及時進行化霜處理。其方法主要是通過將壓縮機熱量傳遞到室外器表面的方式，具體可以通過三角循環(huán)或者正常的制冷循環(huán)實現(xiàn)。同時，因為室外器表面在除霜后仍會堆積大量水分，可能會在短時間內(nèi)反復(fù)結(jié)霜，影響系統(tǒng)使用。因此，需要進行循環(huán)結(jié)霜化霜的性能測試。如下圖6所示即為循環(huán)化霜性能的測試結(jié)果。分析結(jié)果可知，室外器表面在約90min時開始出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，到完全結(jié)霜大概用時200min。而后開始進行首次化霜，1min后霜層已基本消除，同時在此后重復(fù)三次的30min循環(huán)結(jié)霜測試中均未出現(xiàn)明顯結(jié)霜現(xiàn)象，因此可判定循環(huán)化霜性能滿足要求。3整車環(huán)模性能驗證因為純電動汽車驅(qū)動方式和核心零部件與燃油車不同，在整車熱管理設(shè)計工況和目標(biāo)上與傳統(tǒng)燃油車也有差異。通常，傳統(tǒng)燃油車的整車熱管理主要集中于冷卻系統(tǒng)熱安全、發(fā)動機艙熱害以及乘員艙熱舒適性三大塊，而純電車型則因為取消了發(fā)動機，增加了電池包及電驅(qū)系統(tǒng)等，在保持乘員艙熱舒適性的基礎(chǔ)上，多出了三電溫度限制、電池高低溫快充時間延長、整車高低溫續(xù)航里程衰減等新的關(guān)注點。綜合來說，純電車型的熱管理設(shè)計指標(biāo)主要可劃分為以下幾類，即熱安全指標(biāo)、熱舒適性指標(biāo)和全氣候用戶使用便利性指標(biāo)[10]。對于整車級熱管理性能指標(biāo)，則需要在環(huán)境模擬實驗室中進行實車測試。如表4所示，展示了熱泵型整車熱管理系統(tǒng)的環(huán)模性能驗證的考核工況。表4熱管理環(huán)模測試工況表[5]環(huán)境溫度(℃)123456789根據(jù)上述工況，在環(huán)境模擬實驗室中對整車性能進行相關(guān)測試，其中部分結(jié)果如下表5所示。12345674整車實車道路標(biāo)定傳統(tǒng)燃油車的熱管理系統(tǒng)因為多采用熱力膨脹閥及皮帶輪式壓縮機，無法對壓縮機轉(zhuǎn)速和膨脹閥開度等進行主動控制，因此需要控制的電器件較少，主要集中在空調(diào)箱體上，如風(fēng)門電機和鼓風(fēng)機，控制模式也十分簡單。而對于本文中的熱泵型整車熱管理系統(tǒng)，因為采用了電動壓縮機、PTC、電子膨脹閥、電子水閥、電子水泵、電子風(fēng)扇等電器件，且同時涉及到乘員艙、電池、電機等系統(tǒng)管理，控制模式高度復(fù)雜化，控制難度也大幅度增加。因此，除了控制策略需要重新制定外，對于標(biāo)定的需求也更加精細(xì)化。標(biāo)定是對于控制策略的完善，因此針對不同的控制軟件，需要標(biāo)定的參數(shù)也是不盡相同的。本文主要以某熱泵型熱管理系統(tǒng)的開發(fā)軟件為例，對軟件中的標(biāo)定參數(shù)和工況等進行簡要說明，如下表6所示。1234通常，可以先在環(huán)境模擬艙中對上述的標(biāo)定工況與參數(shù)進行初步標(biāo)定，以保證整車熱管理功能的正常運行，但最終仍需在寒熱區(qū)等實際道路上進行冬季、夏季以及春秋季的適應(yīng)性標(biāo)定，以此確保在復(fù)雜且不斷變化的實際環(huán)境中仍能充分滿足用戶的使用需求。本文以寒區(qū)標(biāo)定中的部分實例工況進行說明。為實現(xiàn)熱泵制熱對不同目標(biāo)水溫的快速響應(yīng)和穩(wěn)定運行，需對壓縮機轉(zhuǎn)速的PID控制參數(shù)進行標(biāo)定。具體步驟主要是在熱泵工況下，將目標(biāo)水溫每隔一定數(shù)值依次階梯增加，再依次階梯遞減，同時根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)狀態(tài)實時調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，從而確保每次調(diào)整目標(biāo)水溫后，系統(tǒng)均能快速響應(yīng)，中途無明顯超調(diào)，且穩(wěn)定后的水溫與目標(biāo)值的偏差保持±1℃范圍內(nèi)。如圖7所示，表示了壓縮機轉(zhuǎn)速的標(biāo)定結(jié)果。當(dāng)乘員艙和電池同時請求加熱時，系統(tǒng)需要根據(jù)兩者的需求自動控制三通比例閥的開度，以實現(xiàn)熱量自動分配。因此，需對三通比例閥的控制參數(shù)（變化步長、變化時間等）進行標(biāo)定。具體步驟主要是在電池加熱開啟后，使三通比例閥的開度逐漸向電池側(cè)偏移，同時根據(jù)暖芯水溫的變化以及電池升溫的效果等調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，從而確保在閥偏移的過程中，PTC和壓縮機可以及時補熱保持暖芯水溫在目標(biāo)值附近，同時電池水溫在合適時間內(nèi)增加至目標(biāo)值。如圖8所示，表示了三通比例閥的標(biāo)定結(jié)果。本文以某帶電機余熱回收功能的熱泵型整車熱管理系統(tǒng)的實際開發(fā)過程為例，對熱管理系統(tǒng)測試與標(biāo)定的相關(guān)開發(fā)內(nèi)容和技術(shù)進行了研究探討，并得出以下結(jié)論：（1）相較于傳統(tǒng)燃油車熱管理系統(tǒng)主要集中于發(fā)動機冷卻和乘員艙冷暖需求性能，純電動汽車熱泵型整車熱管理系統(tǒng)的服務(wù)對象有很大的差異，除了電機冷卻性能和乘員艙冷暖需求性能以外，還需要進一步關(guān)注電池和電機控制器的熱管理性能。因此，兩者在性能測試與評價的方法方式上有很大差異。（2）為了順利達成整車熱管理系統(tǒng)性能指標(biāo)，其驗證與測試流程至少需要