纯电动汽车CO2热泵模块与热管理系统方案设计

2021-05-20唐丹萍王子安王雨晴刘业凤何曙

汽车工程师 2021年4期

唐丹萍王子安王雨晴刘业凤何曙

（1.上海市质量监督检验技术研究院；2.上海仪器仪表自控系统检验测试所有限公司；3.上海理工大学能源与动力工程学院）

近年来，纯电动汽车由于安全、环保等特点已经超越传统汽车成为汽车行业未来发展的主流趋势。但是由于纯电动汽车动力来源为动力电池组，使得冬季供暖和电池冷却成为难点。目前解决纯电动汽车冬季供暖的最佳方式是热泵系统，具有高效、节能、舒适性好等优点。电池热管理的最佳方式为以液体为介质的热管理方式，具有控制简单、冷却快等优点。文章考虑整车热管理需求和车型的运行特点设计1 套节能、高效的CO2热泵模块与热管理系统，并对其各种运行模式的工作原理进行详细介绍。

1 CO2热泵模块与热管理系统工作原理

根据空调器人体热舒适性要求[1]，在环境温度超过28℃时需要开启空调制冷模式对乘客舱进行降温；当环境温度低于16℃时则需要对乘客舱进行供暖。市场上车型常用电池为三元锂电池，最佳工作温度范围为20～45℃[2]。当外界温度较高时，动力电池组会产生大量的热量，因无法快速散掉而使电池温度急剧上升，这时靠自然冷却无法快速使电池热量散掉，容易发生自燃等危险情况，故需要利用空调系统的冷量对其进行冷却；当外界温度在0℃以下时，电池内阻快速增加，使充放电性能变差，此时需要热量对其进行预热，使其能够正常工作。对于驱动电机来说[3]，其最佳工作温度范围是-40～80℃。环境温度较高时，电机在运行过程中产生的热量可由载冷剂回路通过散热器向环境散热；环境温度较低时，电机的热量可用来给乘客舱供暖。具体的整车热管理需求如表1 所示。

表1 整车热管理需求

文章采用CO2作为制冷剂，50%乙二醇溶液作为载冷剂，设计1 套可同时满足乘客舱制冷、供热、除湿，动力电池预热、冷却，以及驱动电机冷却、余热回收的CO2汽车热泵模块与热管理系统，如图1 所示。相比于传统的PTC 电加热器供暖，该系统采用热泵供暖热效率更高、能耗更低、乘客舱舒适性更好。采用CO2作为制冷剂可以在更低的环境温度下运行，解决了传统制冷剂热泵空调低温下供暖不足的问题，系统制热性能更高，且CO2优良的传热和热力特性使得该系统的设备尺寸非常小，特别适合于汽车空调。该系统的特点在于：1）将CO2系统做成模块化，可减少CO2回路尺寸，节约成本；2）将空调系统与电池、电机回路连接起来，更为紧凑；3）使用二次回路系统，CO2不与乘客舱、电池模块直接接触，避免了制冷剂泄露造成的安全隐患；4）增加余热回收功能，实现能源的有效利用，更为节能；5）配有PTC 电加热器，可在热泵系统供热不足时开启；6）在汽车风道中布置2 个换热器，在乘客舱冷、热模式切换时，可避免挡风玻璃起雾的情况，更为安全。

图1 纯电动汽车热泵模块与热管理系统

图1～图6 中虚线为CO2回路，实线为乙二醇溶液回路，其中：COM—压缩机；CON—气冷器；EXV—电子膨胀阀；EVA—蒸发器；Pump—电子水泵；PEEM—驱动电机；PTC—电加热器；Heater—暖风换热器；Cooler—冷风换热器;ESS—电池；OHC—室外换热器；Val—电子三通阀；S—截止阀。

2 典型的运行模式介绍

根据所设计的CO2汽车热泵模块与热管理系统，将系统可实现的各种功能与汽车运行工况结合起来，得到如表2 所示的运行模式。

2.1 夏季制冷模式

轿车在夏季运行时，动力电池产生的热量由制冷系统提供冷量来平衡；乘客舱温度超过人体舒适度上限，也由制冷系统提供冷量来降温。具体流程为：一路载冷剂与节流后的CO2流体在蒸发器中进行热交换，通过载冷剂循环回路把冷量带到乘客舱。载冷剂在室内换热器（Cooler）中与周围空气进行换热后温度升高，达到冷却动力电池的温度要求后进入电池冷水板中给动力电池降温，然后通过泵（Pump2）回到蒸发器；另一路载冷剂与高温高压的CO2流体在气冷器中换热，温度升高至驱动电机的冷却温度要求后进入驱动电机换热器中将驱动电机产生的热量带走，一起通过室外换热器（OHC）传递给环境，最后通过泵（Pump1）回到气冷器中完成循环，如图2 所示。

表2 运行模式

图2 制冷模式下冷媒、载冷剂流向图

2.2 冬季供暖模式

轿车在冬季运行时，动力电池产生的热量由CO2空调系统提供冷量来平衡；乘客舱温度未达到人体舒适度标准，由CO2热泵提供热量来供暖。具体流程为：一路载冷剂与高温高压的CO2流体在气冷器中换热而温度升高，随后进入驱动电机对其进行冷却，使得载冷剂温度进一步升高后进入室内换热器（Heater），与周围空气进行换热，然后通过泵（Pump1）回到气冷器中，加热后的空气则进入乘客舱供暖；另一路载冷剂与CO2流体在蒸发器中换热降温后通过泵（Pump2）把冷量带到电池冷水板中给动力电池降温，最后回到蒸发器中完成一个循环，如图3 所示。

2.3 春秋季供暖模式

轿车在春秋季运行，乘客舱需要供暖时可不开启CO2热泵系统，而是通过回收动力电池、驱动电机的热量给乘客舱供暖。具体流程为：载冷剂对驱动电机冷却后温度升高达到供暖要求，然后进入室内换热器（Heater）与周围空气进行换热而降温，接着进入室外换热器（OHC）进一步降温，达到冷却动力电池的温度要求后进入电池冷水板中给动力电池降温，最后回到驱动电机中完成循环，如图4 所示。

图3 供暖模式下冷媒、载冷剂流向图

图4 春秋季供暖模式下冷媒、载冷剂流向图

2.4 除湿模式

当冬季车外空气湿度低，而车内空气湿度较高时，车窗内表面温度低于车内空气露点温度，导致空气中的水蒸气在车窗内表面凝结成雾，影响司机的驾驶视线、危害乘客的安全，故需要对前挡风玻璃除雾。目前主要采用空调系统对进入乘客舱的空气进行除湿来达到除雾的目的。具体流程为：开启CO2热泵系统，进入乘客舱的空气先由室内换热器（Cooler）进行降温除湿，再由室内换热器（Heater）加热，最后以高温低湿的状态进入乘客舱，达到除湿供暖的目的，如图5 所示。

2.5 动力电池快充模式

动力电池是纯电动汽车的核心，为了使纯电动汽车可以像燃油车一样“5min 加油”而出现了快充这一概念。目前市场上的纯电动汽车已经可以0.5 h 充满80%的电量，但是在这个过程中由于充电功率较大使得电池组产生极大的热量，必然使得电池发热、安全隔离失效，仅靠自然散热远远达不到想要的效果，尤其是在夏季高温场合，容易引起自燃，此时需要制冷系统提供冷量来协助散热。具体流程为：载冷剂与节流后的CO2流体在蒸发器中换热后直接进入电池冷水板给动力电池降温，然后通过泵（Pump2）回到蒸发器；另一路载冷剂与高温高压的CO2流体在气冷器中换热，此时驱动电机处于关闭状态，故从气冷器出来的载冷剂直接进入室外换热器（OHC）与环境换热，最后回到气冷器中完成循环，如图6 所示。