纯电动车用CO2 空调整车热管理系统仿真研究

刘业凤，王君如，钟文轩

（1.200093 上海市 上海理工大学 能源与动力工程学院；2.200093 上海市 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室）

0 引言

目前世界面临的主要环境问题大多由能源短缺以及全球暖化引起[1]。交通运输业以及车辆制造业作为我国的支柱性产业，其消耗的能源以及尾气排放对全球变暖的影响不容忽视[2]。在严峻的能源以及环境保护问题前，中国大力倡导新能源汽车替代传统燃油车。据最新数据统计显示，中国近5 年新能源汽车保有量年均增加50 万辆，呈加快增长趋势。

伴随着新能源车保有量持续增长，全球范围内各大汽车厂家都开展新能源汽车的研发。在取得喜人成果的同时，也会存在一些新的问题。近年来有不少由于电动汽车电池热失控引发自燃导致的事故发生，导致人力财物的损失，因此动力电池的能量密度增大必须要有相对应的热管理系统。另外，目前的纯电动汽车在冬季的续航里程远少于所标定的续航里程，这是由于汽车冬季采暖时使用PTC 电加热对乘员舱进行供暖，冬季长期开启会导致汽车续航里程的减少。目前汽车空调所使用的主流制冷剂仍为R134a，其在冬季制热工况下性能较差，也会导致续航里程的减少。CO2具有良好的环境兼容性（ODP=0，GWP=1）、制造工艺、系统配套、价格以及热泵系统下的性能均优于其他方案中的制冷剂[3]，因此CO2有望成为未来汽车空调的主流制冷剂。

动力电池作为纯电动汽车上的唯一动力源，动力电池技术一直是纯电动汽车的关键技术。根据目前市场上对动力电池的冷却方式，可分为主动式以及被动式[4]。主动式冷却又可分为强制风冷、空调系统制冷剂直接冷却、二次回路液体冷却；被动式冷却分为自然对流冷却、添加PCM（Phase change materials）材料冷却。在相关研究中，天津大学的高明[5]等通过实验对增加纯铜翅片的电池组在不同放电倍率以及不同翅片厚度下的散热性能进行了研究；长安大学的马金铭[6]等利用CFD 软件对并联式风冷电池组的温度场进行计算，并设置了二次排风口对冷却系统进行优化；北京工业大学的冯能莲[7]等开发出一种新型蜂巢式液冷动力电池模块，电池与液体进出口呈蜂窝状排布，增大了冷却液与电池的接触面积。广东工业大学的张国庆团队[8]对比了自然冷却、相变材料冷却以及相变材料加翅片这3 种冷却方式对于控制电池组温度的影响规律。实验研究发现，相变材料加翅片复合热管理系统具有较良好的温度均匀性；Wu Weixiong[9]等开发出一种以铜网作为骨架的增强石蜡/膨胀石墨复合材料作为电池热管理的复合材料。研究结果表明，具有铜网骨架的材料具有更好的散热性能以及温度均匀性。

本文以某款商务车为例，提出一个包括空调系统、电机、电池热管理系统在内的整车热管理系统，并在NEDC 工况下进行性能仿真计算，分析热管理系统的各参数是否达标，为CO2热泵空调系统在整车热管理方面应用的后续研究提供一定的参考作用。

1 热管理系统的需求与设计

以某款商务车为基础，其外形尺寸如表1 所示，空调系统设计要求如表2 所示。

表2 空调系统设计条件Tab.2 Air conditioning system design conditions

整车热管理系统的目的和作用是一年四季给车内司乘人员提供合适的温度湿度，并在车辆正常运行中使动力电池以及电机保持在合适的工作温度范围内。因此，CO2空调系统及热管理系统的需求如下：（1）环境温度高于28 ℃时，空调系统开启制冷功能，保持车内温度25 ℃；（2）环境温度低于10 ℃时，空调系统开启制热功能，保持车内温度25 ℃；（3）车辆运行时，维持动力电池组温度在10～40℃内，电机温度不超过90℃；（4）在环境温度低于0 ℃时启动车辆，将电池系统加热至20 ℃。

根据上述需求，提出一套CO2空调系统以及热管理系统，通过使用二次回路将电池电机热管理系统与空调系统进行整合，实现夏季空调制冷、夏季电池冷却、冬季空调制热、冬季电机热回收等功能。系统中包括制冷剂回路以及载冷剂回路。制冷剂回路作为车上的冷热源，为载冷剂回路提供热量或者冷量，随后载冷剂送往电池、电机、各换热器执行上述各功能。

由于系统运行温度区间较广，载冷剂需要在工作温度范围内保持稳定，要求不凝固不气化、比热容大、粘度小、导热系数大，因此采用50%乙二醇溶液作为载冷剂，其冰点为-33.8 ℃，沸点为107.2 ℃，符合本系统温度运行范围。

图1（a）为系统夏季制冷时运行原理图，实现空调制冷、电池冷却以及电机散热这3 个功能，工作原理如下：在制冷剂回路中，动力电池组为电动压缩机a 供给电源，将来自回热器c 的低温低压CO2制冷剂压缩到超临界状态的高温高压流体，随后制冷剂通过板式气冷器b 进行冷却，但由于该制冷循环为跨临界制冷循环，所以没有冷凝过程，板式气冷器出口仍为气体。高温高压的制冷剂经过回热器c 与来自蒸发器d 的低温低压制冷剂气体进行换热，进一步降温。降温完成后的制冷剂进入电子膨胀阀e 节流膨胀变成气液两相状态，然后进入蒸发器d 蒸发吸热以及经过回热器c 与高温高压的制冷剂进行换热，最后回到电动压缩机a 中，完成一个循环；在热回路中，电子水泵p 把高温载冷剂泵向室外换热器k 进行冷却，冷却完成的载冷剂分成2 路：一路通过电机j 带走电机热量，另一路通过板式气冷器b 冷却高温高压的CO2制冷剂，随后两股流体汇合再通过电子水泵p 泵送给室外换热器完成一个循环；在冷回路中，载冷剂首先通过板式蒸发器d 进行降温，随后通过电子水泵p 泵送到室内冷风换热器l 中对送入乘员舱的风进行冷却除湿，然后载冷剂再通过电池组h 对电池进行冷却，最后载冷剂回到板式蒸发器d 中完成一个循环。

图1（b）为系统冬季运行原理图，实现室内热泵供暖、电机热回收功能。工作原理如下：在制冷剂回路，跟夏季制冷模式下工作原理一致；在载冷剂热回路中，电子水泵p 把载冷剂泵送至车头室外换热器处，此时因为不需要散热，所以三通阀作用，把室外换热器k 旁通掉。然后载冷剂分成2 路，一路进入板式气冷器b 中吸热升温，一路进入电机j 中回收热量，之后两路汇合进入暖风芯体f 中给乘员舱供暖，最后再进入电子水泵p 完成一个循环；冷回路中，载冷剂经过室外换热器l 中向低温环境吸收热量，随后通过板式蒸发器d 进行降温，然后再回到室外换热器l 中完成一个循环。

图1 系统运行原理图Fig.1 Schematic diagram of system operation

2 热管理系统建模

Flowmaster 是着重于一维、系统级别的CFD软件，该软件具有计算类型完善、计算类型准确、接口丰富、易于操作等优点。为了研究以及计算的方便，对系统进行建模时需要进行一定的简化，其原则如下[10]：

（1）忽略系统中流动阻力较小的元件，如开启的阀门，弯曲角度不大的弯头；

（2）考虑管道长度以及波传播速度对计算时间的影响，尽量把两段或者多段管道并成一条管道，忽略较短的管道；

（3）当Flowmaster 元件库中已有元件不满足建模需求时，可根据仿真需求选用同类元件进行替代，但必须保证所选用的替代元件与被替代的元件有相同的工作特性。另外，也可采用多元件进行复合定义的方式进行建模。

根据运行原理图，在Flowmaster 中的模型搭建如图2 所示。其中包括制冷系统、电机热回收回路、电池回路。

图2 Flowmaster 中建模示意图Fig.2 Modeling schematic diagram in Flowmaster

3 仿真分析

NEDC(New European Driving Cycle)工况是目前用于欧洲、中国、澳大利亚等地的新能源汽车续航里程测试[11]，由市区运转循环和市郊运转循环2 部分组成。市区循环由4 个195 s 的小循环单元组成，包括怠速、启动、加速以及减速停车等阶段，最高车速50 km/h、平均车速18.35km/h、最大加速度1.042 m/s、平均加速度0.599m/s；市郊循环时间400 s，最高车速120 km/h、平均车速62 km/h、最大加速度0.833m/s、平均加速度0.354 m/s。本文研究CO2热泵空调热管理系统在NEDC 工况下的性能表现。在进行NEDC 工况分析时，需要进行假设：（1）载冷剂以及制冷剂管道为绝热的；（2）忽略换热器热阻以及热量损失；（3）人体散热量以及室外环境参数不随时间变化而变化。

3.1 冷工况

夏季制冷模式环境温度设定为35 ℃，仿真类型采用瞬态传热模型，时间步长设定为1 s，仿真从0 s 开始至1 800 s 结束。压缩机转速设定为4 800 r/m，车辆前部进风速度随着车速变化而变化，乘客舱进风量为450 m3/h。太阳辐射强度为1 000 W/m2，车内乘员数为7。

图3 为NEDC 工况下电机温度曲线。可以看出，在780 s 之前电机温度保持在较低的水平，这是由于在市区循环中，车速较低，电机的生热量比较小；在1 000 s 之后，在市郊循环中，电机的温度开始快速上升，这是由于在市郊循环中车速较快以及这段大量的急加速导致的，但电机整体温度保持在90 ℃以下。

图3 NEDC 工况下电机温度变化曲线Fig.3 Motor temperature variation under NEDC operating condition

图4 为NEDC 工况下电池组温度变化曲线。图中可以看出，电池温度从时间0 s 开始的35 ℃，经过187 s 之后温度降至25℃，直到968 s 之前电池温度一直保持在20 ℃左右；968 s 之后，由于市郊循环中车速提升，电池放电倍率增加，生热量提高而导致的电池温度上升。但是在NEDC工况仿真过程中，电池组温度均低于40 ℃。

图4 NEDC 工况下电池温度变化曲线Fig.4 Battery temperature change curve under NEDC operating condition

图5 为NEDC 工况下乘客舱平均温度变化曲线。从图中可以看出，在环境温度35 度下，0 s时汽车启动，乘客舱平均温度达到50 ℃，随后在空调开启后170 s，乘客舱平均温度降至26 ℃，随后一直稳定在25 ℃以内。由于市区循环时车速变化较多，导致车内负荷不停变动，温度曲线处于波动状态，随后进入市郊循环，车内负荷相对稳定，故后段曲线相对较平缓。

图5 夏季NEDC 工况下乘客舱温度变化曲线Fig.5 Cabin temperature change curve under NEDC operating condition in summer

3.2 制热工况

冬季制热模式环境温度设定为-7 ℃，仿真类型采用瞬态传热模型，时间步长设定为1 s，仿真从0 s 开始至1 800 s 结束。压缩机转速设定为4 800 r/m，车辆前部进风速度随着车速变化而变化，乘客舱进风量为450 m3/h。太阳辐射强度为0 W/m2，车内乘员数为7。

图6 为冬季NEDC 工况下乘客舱温度变化曲线。图中可以看出，在0 s 启动时乘客舱平均温度为-7 ℃，车辆启动后147 s 达到25 ℃，随后在整个市区循环中乘客舱平均温度保持25 ℃；780 s 后进入市郊循环，车速增加，电机热回收热量增多，空调出风温度增加，使得乘客舱平均温度上升至31 ℃。

图6 冬季NEDC 工况下乘客舱温度变化曲线Fig.6 Cabin temperature change curve under NEDC operating condition in winter

综上，本文所设计的整车热管理系统达到最初设计需求。

3.3 CO2 热泵空调系统性能对比

目前纯电动汽车没有发动机余热可以利用，因此多采用PTC 电加热器对乘客舱进行供热。文献[12]对R134a 制冷剂进行了冬季供热的研究，现对其与本文相近工况的结果进行对比。系统A为本文系统，系统B，C 为R134a 制冷剂系统以及PTC 系统。

从表3 可以看出，在环境温度7 ℃时，B 系统的COP 最高，达到2.80，本文系统COP 为2.27，但是排气温度最高，达到了103 ℃，而系统B 只有58 ℃。在平均能耗方面，7 ℃时，系统A 比系统B 能耗高3.6%。而在环境温度-7 ℃时，系统A 的COP 为1.97，系统B 的COP 为3.50，但系统B 比系统A 能耗高35.8%，排气温度系统A的比系统B 高了68 ℃。对于冬季供热来说，排气温度越高意味着换热系数的提高，使得最终供热效果变好。

表3 系统性能对比Tab.3 Comparison of system performance

在环境温度-7 ℃，系统A 制热COP 为1.97，而传统PTC 电加热的制热效率仅有0.97，提高了103%。即使环境温度越低，CO2热泵空调系统制热效率始终大于1。

总体来说，在低温供热方系统A 优于系统B、C。对于纯电动汽车来说，冬季开启CO2热泵空调能节约更多的电能，续航里程得到一定的增加，具有良好的工程应用前景。

4 总结

本文针对某款商用车型，在节能环保的基础上设计出一款采用CO2为制冷剂的热泵汽车空调系统的整车热管理系统。本文系统主要分成3 个回路：一个制冷剂系统、一个电池冷却系统、一个电机热回收系统，实现夏季空调制冷、电池冷却以及冬季空调供暖以及电机热回收。使用一维CFD 仿真软件Flowmaster 对跨临界CO2热泵空调系统进行仿真分析，通过NEDC 工况仿真对热管理系统的性能以及乘客舱温度变化进行了研究。得出结论如下

（1）在一个NEDC 工况的仿真分析过程中，夏季制冷模式下，电机温度保持在90 ℃以下，符合设计要求；电池组在187 s 后达到25 ℃，并在整个仿真过程中温度低于40 ℃，符合设计要求。乘客舱在开启空调170 s 后达到26 ℃，随后仿真过程中稳定在25 ℃，符合相关标准要求。乘客舱在空调开启后的170 s 内从50 ℃下降到26 ℃，并在后续时间内保持在25 ℃以内；

（2）冬季供热情况下，乘客舱在开启空调147 s 后达到25℃，在整个市区循环中都保持较稳定状态。进入市郊循环后，由于电机生热量增加，乘客舱平均温度提升至31 ℃；

（3）在环境温度7℃的系统对比中，虽然本文系统在能耗以及COP 方面不占优势，COP为2.27，比系统B 低18.9%；平均能耗比系统B高出1.5%，但排气温度比系统B 高出45 ℃。对于冬季供热来说，排气温度越高意味着换热效率的提高，使得最终供热效果变好。传统PTC 电加热的能量转化效率仅有0.97。对于纯电动汽车来说，冬季开启CO2热泵空调能节约更多的电能，续航里程得到一定的增加。