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某款纯电动汽车采暖系统对续驶里程影响的试验研究
2020-04-03 19:06:24· 来源：电动学堂
作者单位：中国第一汽车集团有限公司研发总院节能环保是全球倡导的主题，纯电动汽车必将成为未来汽车行业发展的趋势，而续驶里程是影响电动汽车发展的关键因素。
作者单位：中国第一汽车集团有限公司研发总院
节能环保是全球倡导的主题，纯电动汽车必将成为未来汽车行业发展的趋势，而续驶里程是影响电动汽车发展的关键因素。纯电动汽车没有发动机余热作为热源，目前大部分纯电动汽车采用PTC电加热采暖方式来保证冬季驾乘舱舒适性，但PTC效率小于1。研究表明，PTC采暖所消耗的热能约占整年总能耗的33%，导致冬季续驶里程大幅减少。热泵采用逆卡诺循环，利用少量高品位能源使热量由低温热源流向高温热源，利用电能将环境中的热量泵送到车室内，得到的能量为消耗的电能与低位热能之和。理论上，热泵的循环效率会大于1，可增加冬季续驶里程，但温度较低时热泵工作将失效、而PTC制热工作温度范围可低至-35℃。因此，开发出不同环境温度条件下的高效采暖系统对电动汽车持续快速发展具有重要意义。
1 某款纯电动汽车采暖系统
该款纯电动汽车采暖系统采用热泵加高压风暖PTC组成，通过程序控制可以实现两种采暖方式的单独工作。该系统由压缩机、室外冷凝器、室内冷凝器、储液罐、三通阀等组成，通过阀门等附属设备改变制冷剂的流向，实现制冷、制热两种模式的切换，具体结构如图1所示。
当热泵系统处于制热模式时，二通阀关闭，通过蒸发器的三通阀关闭，压缩机排出的高温高压气态制冷剂进入室内冷凝器，通过液化放热反应，等制冷剂携带的热量传递给车室内的空气，接着制冷剂通过节流阀的节流降压后，经过室外冷凝器，并通过蒸发气化吸收环境中的热量，在压缩机的抽吸下完成制热循环。
2 热泵、PTC两种采暖方式对续驶里程影晌的试验
2.1 试验方法
试验在低温环境仓底盘测功机上进行，采用NEDC循环，试验过程依据GB/T18386-2017《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》。参考国内外关于热泵、PTC最佳工作温度范围的相关文献，并结合试验车辆实际情况，选取了-10℃、0℃、5℃三个温度点，共计9组试验进行采暖方式对续驶里程的影响研究，具体试验方案如表1所示。
2.2 试验仪器和设备
本文试验仪器和设备采时德国lPETRONlK公司、奥地利李斯特公司的产品，拥有超高的仪器设备精度和稳定度，极大地保证了试验结果的准确性和一致性，仪器和设备相关参数如表2所示。
3 试验结果及分析
3.1 试验结果可行性分析
热泵、PTC单独采暖工况下，整个采暖过程中头部温度均值对比情况如表3所示、风量档位变化时间对比情况如表4所示。
表3、表4数据显示：
1）热泵、PTC单独工作时，头部升温速率以及稳定阶段的头部温度均值相差不大，说明自动空调控制精度较高。
2）试验过程风量档位变化时间基木一致，对结果影响较小。
以上数据说明两种采暖方式采暖效果一致性较好，续驶里程对比具有可行性。
3.2 试验结果概述
对整个试验过程中采集的数据进行处理、计算，得到热泵、PTC两种采暖方式下的续驶里程及能量相关指标的对比情况如表5所示。
由表5数据可以看出，冬季空调采暖使续驶里程大幅度下降，温度越低，整车能量消耗率越高，里程降幅越大。其中，-10℃工况下由于热泵、PTC空调采暖使续驶里程分别下降了29%、26%。
三种环境温度下，-10℃工况下，热泵采暖的续驶里程比PTC采暖小，整年能量消耗率也比PTC采暖大，热泵采暖效率低。0℃、5℃工况下，热泵采暖的续驶里程比PTC采暖略大，整年能量消耗率比PTC采暖小，但相差不大，热泵采暖节能优势体现不明显。续驶里程、整车能量消耗率的直观对比情况如图2、图3所示。
3.3 采暖系统能耗对比分析
图4、图5给出了各种工况下热泵、PTC单独采暖情况下的采暖系统总能耗、总能耗占整车百分比的对比图。
从图4、图5可以看出，-10℃工况下，热泵采暖系统总能耗以及总能耗占整年百分比都比PTC采暖高，且相差较大，该温度为热泵系统工作的极限温度，采暖效率低，低于-10℃环境温度，不建议采用热泵采暖。0℃、5℃工况下，热泵采暖的总能耗以及总能耗占整车百分比PTC采暖低，但两者差距不大，在该温度范围内，热泵采暖略有优势，且温度越高，优势体现越明显。
两种采暖方式采暖系统各部件的能耗对比分析情况如图6~图8所示。
三种温度条件下，两种采暖方式的鼓风机能耗差距不大，这也与试验过程中风量档位变化时间基本一致相吻合。0℃、5℃工况下，压缩机的能耗比PTC小，理论上热泵采暖有很大节能优势，但热泵采暖时的风扇能耗较PTC采暖时的零能耗（风扇不起动）有很大差距。根据表5中的数据计算，0℃、5℃工况下，热泵工作时的风扇能耗分别占采暖系统总能耗的33.6%、32.7%，这才是造成热泵在该温度范围内节能优势体现不明显的主要原因。
4 结论
本文采用实车试验研究了热泵、PTC两种采暖方式对续驶里程的影响，通过对比不同环境温度下两种采暖方式的续驶里程以及能量相关指标，得出以下结论：
1)-10℃工况为热泵系统工作的极限温度，采暖效率低，低于-10℃环境温度，不建议采用热泵采暖。
2)0℃、5℃工况下，热泵采暖效率较PTC采暖有所提高，但热泵工作时风扇能耗较大，导致节能优势体现不明显。
两种采暖方式各有利弊，建议采用并存模式通过控制策略实现不同环境温度下两种采暖方式的高效运行。热泵采暖理论上具有诸多优势，如能进一步提高系统性能，降低附属系统能耗（例如风扇），提高系统环境适应性，对研究开发高效的电动汽车采暖系统具有重要意义。
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