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

純電動(dòng)汽車熱泵型整車熱管理系統(tǒng)標(biāo)定與試驗(yàn)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(dòng)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(shí)際開發(fā)過程為例，對(duì)整車熱管理系統(tǒng)標(biāo)定與試驗(yàn)相關(guān)開發(fā)流程和技術(shù)進(jìn)行了研究探討。關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車；熱泵型整車熱管理系統(tǒng)；標(biāo)定；試驗(yàn)ResearchoncalibrationandexperimenttechnologiesforaheatpumptypeofbatteryelectricvehiclethermalmanagementsystemAbstract:Theheatpumptypeofthermalmanagementsystemhasgraduallybecomethestandardconfigurationofmostbatteryelectricvehicles.Itismorecomplexthanthetraditionalfuelvehicleheatmanagementsystembecauseitinvolvesmoretechnicalfieldsandthecomplexdevelopmentprocess.Inthispaper,thedevelopmentprogressbothwithtechnologiesinvolvedintheheatpumptypeofthermalmanagementsystemhavebeenstudiedwithtakinganactualvehicledevelopmentasanexample.Keywords:Batteryelectricvehicle;Heatpumptypeofthermalmanagementsystem;Calibration;Experiment隨著電動(dòng)車技術(shù)發(fā)展以及政策推動(dòng)等原因，純電動(dòng)汽車已逐漸成為行業(yè)和消費(fèi)者的關(guān)注熱點(diǎn)。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(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)4%，其中純電動(dòng)汽車銷量為85.3萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)12%，占據(jù)新能源汽車總銷量的80.5%[1]。同時(shí)，隨著銷量分布區(qū)域的擴(kuò)大，對(duì)工作環(huán)境溫度的需求跨度也逐漸在增加中。目前，純電動(dòng)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(lái)的使用問題也逐漸暴露出來(lái)，其中極端溫度環(huán)境下的續(xù)航里程衰減和快充時(shí)間延長(zhǎng)是當(dāng)前諸多純電動(dòng)汽車的兩大痛點(diǎn)[2]。目前，多數(shù)純電動(dòng)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?、電?qū)動(dòng)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(dòng)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?yàn)榧冸妱?dòng)汽車熱源不足的問題，如果采用PTC作為補(bǔ)充熱源，則會(huì)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(shí)對(duì)電驅(qū)、動(dòng)力電池、乘客艙空調(diào)的溫控進(jìn)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(duì)某純電動(dòng)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(duì)系統(tǒng)標(biāo)定和試驗(yàn)驗(yàn)證等領(lǐng)域中的重點(diǎn)開發(fā)技術(shù)進(jìn)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(cè)試與驗(yàn)證流程以及技術(shù)方案，并通過試驗(yàn)證實(shí)了其可行性。本文以某帶電機(jī)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(jī)散熱水回路系統(tǒng)共4個(gè)模塊?？梢詫?shí)現(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(jī)余熱直接利用、熱泵回收電機(jī)余熱、電機(jī)散熱等多項(xiàng)功能，在滿足乘員艙熱舒適性需求的同時(shí)，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(duì)較容易地實(shí)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(jìn)一步提升整車在高低溫環(huán)境下的續(xù)航里程。但同時(shí)，與傳統(tǒng)燃油車熱管理系統(tǒng)主要集中于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻和乘員艙冷暖需求相比，該系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)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(duì)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(jì)，最后到性能一致性驗(yàn)證的V字形開發(fā)流程。本文則主要針對(duì)性能目標(biāo)達(dá)成過程中的標(biāo)定與試驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)研究。通常，一個(gè)完整的熱泵型整車熱管理系統(tǒng)的性能標(biāo)定與試驗(yàn)流程至少需要包含臺(tái)架性能測(cè)試、環(huán)模性能測(cè)試、整車標(biāo)定、整車試驗(yàn)和性能驗(yàn)收等部分，即先在焓差臺(tái)架上對(duì)熱泵系統(tǒng)的整車極限和使用的各模擬工況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，初步確認(rèn)核心零部件的可行性，再在環(huán)模實(shí)驗(yàn)室中對(duì)整車熱管理的熱安全和高低溫性能進(jìn)行驗(yàn)證，再通過路試標(biāo)定進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能與性能表現(xiàn)，最后再進(jìn)行整車熱安全和高低溫性能驗(yàn)收。該流程的優(yōu)點(diǎn)在于，通過早期對(duì)臺(tái)架性能的驗(yàn)證，可以盡早完成系統(tǒng)方案確定和核心零部件選型，同時(shí)在中期預(yù)留出路試與標(biāo)定的時(shí)間以用于系統(tǒng)性能優(yōu)化，并在最后完成對(duì)整車熱安全和高低溫性能等各項(xiàng)整車熱管理性能指標(biāo)的考核驗(yàn)證。3系統(tǒng)臺(tái)架性能驗(yàn)證一種熱泵型整車熱管理系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)架示意圖如圖3所示，該臺(tái)架主要包括電動(dòng)壓縮機(jī)、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(tái)架與整車熱管理系統(tǒng)的主要區(qū)別點(diǎn)在于：取消冷卻風(fēng)扇，改為外部進(jìn)風(fēng)裝置模擬送風(fēng)；取消電機(jī)水回路系統(tǒng)；取消電池包，改為外部進(jìn)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(cè)系統(tǒng)狀態(tài)與計(jì)算換熱量。該試驗(yàn)臺(tái)架的主要測(cè)試設(shè)備與工具的規(guī)格型號(hào)參考如下表1。通過該臺(tái)架，可以實(shí)現(xiàn)零部件通訊調(diào)試、功能模式測(cè)試、部分參數(shù)預(yù)標(biāo)定等功能，并可以對(duì)系統(tǒng)最大性能進(jìn)行快速驗(yàn)證，從而初步保障熱管理系統(tǒng)正常與穩(wěn)定運(yùn)行。123456789-本熱管理臺(tái)架的性能測(cè)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(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，其余工況則因篇幅有限暫不贅述。表2熱管理性能臺(tái)架測(cè)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(cè)試前首先便需要進(jìn)行充注量測(cè)試。性能臺(tái)架上制冷充注量和制熱充注量的測(cè)試結(jié)果曲線，如圖4與圖5所示。分析可知，整個(gè)充注過程可以劃分為三個(gè)階段。1）加注初期因氣液分離器儲(chǔ)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(jī)的做功功耗也在增加。但因?yàn)閾Q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(tái)期繼續(xù)增加充注量至一定值時(shí)，氣液分離器開始儲(chǔ)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(jìn)入平臺(tái)期，各性能參數(shù)無(wú)明顯變化。3）加注后期當(dāng)充注量超過某一定值后，此時(shí)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(shí)，壓縮機(jī)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(yàn)完成并確定了合適的充注量以后，進(jìn)行了熱管理性能臺(tái)架各測(cè)試工況的試驗(yàn)，具體結(jié)果詳見表3。1-2-3456789熱泵系統(tǒng)在工作時(shí)，因?yàn)樾枰獜牡蜏丨h(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(shí)，室外器表面容易凝結(jié)霜層，導(dǎo)致吸熱效率下降或無(wú)法吸熱，進(jìn)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(shí)需要及時(shí)進(jìn)行化霜處理。其方法主要是通過將壓縮機(jī)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(shí)現(xiàn)。同時(shí)，因?yàn)槭彝馄鞅砻嬖诔笕詴?huì)堆積大量水分，可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)結(jié)霜，影響系統(tǒng)使用。因此，需要進(jìn)行循環(huán)結(jié)霜化霜的性能測(cè)試。如下圖6所示即為循環(huán)化霜性能的測(cè)試結(jié)果。分析結(jié)果可知，室外器表面在約90min時(shí)開始出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，到完全結(jié)霜大概用時(shí)200min。而后開始進(jìn)行首次化霜，1min后霜層已基本消除，同時(shí)在此后重復(fù)三次的30min循環(huán)結(jié)霜測(cè)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(yàn)證因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式和核心零部件與燃油車不同，在整車熱管理設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)艙熱害以及乘員艙熱舒適性三大塊，而純電車型則因?yàn)槿∠税l(fā)動(dòng)機(jī)，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(shí)間延長(zhǎng)、整車高低溫續(xù)航里程衰減等新的關(guān)注點(diǎn)。綜合來(lái)說(shuō)，純電車型的熱管理設(shè)計(jì)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(duì)于整車級(jí)熱管理性能指標(biāo)，則需要在環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)車測(cè)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(yàn)證的考核工況。表4熱管理環(huán)模測(cè)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(shí)驗(yàn)室中對(duì)整車性能進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，其中部分結(jié)果如下表5所示。12345674整車實(shí)車道路標(biāo)定傳統(tǒng)燃油車的熱管理系統(tǒng)因?yàn)槎嗖捎脽崃ε蛎涢y及皮帶輪式壓縮機(jī)，無(wú)法對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和膨脹閥開度等進(jìn)行主動(dòng)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(jī)和鼓風(fēng)機(jī)，控制模式也十分簡(jiǎn)單。而對(duì)于本文中的熱泵型整車熱管理系統(tǒng)，因?yàn)椴捎昧穗妱?dòng)壓縮機(jī)、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(shí)涉及到乘員艙、電池、電機(jī)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(duì)于標(biāo)定的需求也更加精細(xì)化。標(biāo)定是對(duì)于控制策略的完善，因此針對(duì)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(duì)軟件中的標(biāo)定參數(shù)和工況等進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，如下表6所示。1234通常，可以先在環(huán)境模擬艙中對(duì)上述的標(biāo)定工況與參數(shù)進(jìn)行初步標(biāo)定，以保證整車熱管理功能的正常運(yùn)行，但最終仍需在寒熱區(qū)等實(shí)際道路上進(jìn)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(shí)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(shí)例工況進(jìn)行說(shuō)明。為實(shí)現(xiàn)熱泵制熱對(duì)不同目標(biāo)水溫的快速響應(yīng)和穩(wěn)定運(yùn)行，需對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的PID控制參數(shù)進(jìn)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(shí)根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)狀態(tài)實(shí)時(shí)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(wú)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(jī)轉(zhuǎn)速的標(biāo)定結(jié)果。當(dāng)乘員艙和電池同時(shí)請(qǐng)求加熱時(shí)，系統(tǒng)需要根據(jù)兩者的需求自動(dòng)控制三通比例閥的開度，以實(shí)現(xiàn)熱量自動(dòng)分配。因此，需對(duì)三通比例閥的控制參數(shù)（變化步長(zhǎng)、變化時(shí)間等）進(jìn)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(shí)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(jī)可以及時(shí)補(bǔ)熱保持暖芯水溫在目標(biāo)值附近，同時(shí)電池水溫在合適時(shí)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(jī)余熱回收功能的熱泵型整車熱管理系統(tǒng)的實(shí)際開發(fā)過程為例，對(duì)熱管理系統(tǒng)測(cè)試與標(biāo)定的相關(guān)開發(fā)內(nèi)容和技術(shù)進(jìn)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(dòng)機(jī)冷卻和乘員艙冷暖需求性能，純電動(dòng)汽車熱泵型整車熱管理系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象有很大的差異，除了電機(jī)冷卻性能和乘員艙冷暖需求性能以外，還需要進(jìn)一步關(guān)注電池和電機(jī)控制器的熱管理性能。因此，兩者在性能測(cè)試與評(píng)價(jià)的方法方式上有很大差異。（2）為了順利達(dá)成整車熱管理系統(tǒng)性能指標(biāo)，其驗(yàn)證與測(cè)試流程至少需要