电热前挡风玻璃在电动车中的节能运用

葛如炜 郑国胜

（泛亚汽车技术中心有限公司）

目前纯电动车的续驶里程受动力电池能量密度的限制，在一定程度上制约了用户的使用要求。整车节能以及提高乘客舒适性与续驶里程成为较长时期内研究的方向。汽车除霜是安全法规要求的内容之一，采用传统热风除霜会消耗近一半的动力电池能量。如采用电热前挡风玻璃，用局部加热除霜替代空调系统加热除霜，将获得较好的节能效果。为此文章运用Fluent软件模拟计算与实车环境模拟风洞验证试验相结合的方法，对除霜典型加热工况等进行除霜性能和节能研究。

1 纯电动车除霜方式[1-2]

纯电动车在冬天低温除霜过程中，首先要解决热源问题。由于不同于传统内燃机汽车可以利用发动机冷却余热这一热源，目前纯电动车一般采用电转热的方式来解决热源问题。

1.1 液气侧电加热器方式

在空调加热与除霜除雾设计中有2种方式，如图1所示。一是在传统空调加热系统中，将电加热器布置在冷却液侧，串联在加热系统回路中。通过电加热器加热冷却液，冷却液再流经传统的加热器芯体，经过加热器芯体与空气换热，最终通过空调鼓风机将热气送入乘客舱，达到加热与除霜除雾的目的，如图1a所示。另一种方式是将电加热器布置在传统的空调箱中，并替换传统的加热器芯体，通过电加热器直接加热空气，空气被空调鼓风机推动带出乘客舱，达到加热与除霜除雾的目的，如图1b所示。

1.2 电热前挡风玻璃方式

以一种直接加热替代间接加热获得前挡风玻璃快速与高效除霜除雾的新技术已经得到了产品化应用。即在传统玻璃中夹入电导热丝，通电后导热丝发热，融化凝结在玻璃上的冰霜，电导热丝布置示意图，如图2所示。它的应用也为纯电动车前挡风玻璃除霜除雾提供了节能应用的可能。

2 电热前挡风玻璃节能应用效果分析

以某纯电动轿车为例，在汽车相同运行工况下，比较采用液侧电加热器方式与电热前挡风玻璃对除霜除雾与加热性能的影响与节能效果。

2.1 FMVSS103工况下除霜性能和节能效果比较

2.1.1 液侧电加热器

基于纯电动车液侧电加热器加热机理，为了满足FMVSS103工况下除霜要求[3]，应用Fluent软件进行模拟计算预测其除霜性能效果，如图3所示[4]。得出液侧电加热器的消耗功率要达到5 kW，冷却液流量20 L/min，空调箱提供的风量77 L/s等参数。

通过实车测试获得不同部位随时间变化的温曲线和除霜效果，如图4和图5所示。从图5可看出，20min完成可视区的除霜，与CFD模拟计算效果相一致。试验测得空调系统主要用电器消耗功率：电加热器5 kW，电动水泵50W，空调鼓风机158W，期间总电能消耗接近1.736 kW·h。

2.1.2 电热前挡风玻璃

以某纯电动轿车采用电热前挡风玻璃为例，前挡风玻璃厚度5mm，玻璃总加热面积1.04m2，按照电导热丝功率密度的设计要求（600W/m2）计算，该车前挡风玻璃电加热需消耗总功率约624W。在FMVSS103工况下，进行模拟计算，获得电热前挡风玻璃表面温升曲线和除霜性能效果图，如图6和图7所示。

通过实测获得的除霜效果，如图8所示。从图8可以看出：模拟除霜效果与实测效果一致性较好；除霜试验15min达到效果优于液侧加热20min的除霜效果。期间电能消耗接近0.156 kW·h，几乎只是液侧加热能量消耗的9%。

2.2 低温工况下功率消耗趋势和节能效果比较

对采用液侧电加热器的纯电动车进行NEDC工况下的实车比对测试。结果显示，在-18℃时，加热性能要达到乘客舒适性要求，续驶里程将减少50%。

通过整车能量分配计算及空调系统能量分配计算，可以得出用户在-18℃时，采用液侧电加热器加热分别使用除霜、除雾及加热模式，连续运行1 h，在前挡风玻璃上的能量消耗、电热前挡风玻璃的节能效果以及对纯电动车续驶里程的影响，如表1所示。

表1 前挡风玻璃功率消耗与节能效果比较

3 结论

纯电动车加热是整车开发中的难点之一，它直接关系到汽车的行驶里程。为此，节能显得尤为重要。文章介绍了一种实用可行的空调加热节能的解决方案。运用Fluent软件对除霜性能进行模拟计算，获得了加热系统的功率精确需求，为系统优化匹配提供了理论依据。

电热前挡风玻璃对纯电动车空调加热性能影响很大，特别是在前挡风玻璃除霜工况下，它的应用将大幅度减少电能消耗，增加电动车的续驶里程。整车在实际使用过程中，随着用户从除霜、除雾到加热模式的切换，以及对加热量需求的减弱，电热前挡风玻璃的功能和节能优势也将逐渐退去。文章为电热前挡风玻璃后续应用工作提供了一种研究方法和方向。