據統計, 交通運輸領域碳排放量占整個經濟社會碳排放總量的30%左右,并仍保持高速持續上漲趨勢. 一方面, 電動車具有巨大的儲能作用, 可以削峰填谷. 目前我國乘用車保有量約3億, 如果全部換成電動車, 每輛車平均電量為65 kW h, 則車載儲能容量約為200億kW h, 與中國每年消費總電量基本相當. 若其中10%的車輛同時按50 kW充電, 則總功率與全國電網裝機功率相當. 電動車的發展對不穩定、不持續的新能源電力具有重要的促進作用, 對碳達峰、碳中和目標具有重要意義. 另一方面, 僅就車輛熱管理領域而言, 目前乘用車大量使用的氟利昂類制冷工質具有高溫室效應, 按照一輛乘用車熱管理系統充注R134a約0.7kg計算, 全國車輛的當量碳含量約為2.8億噸, 因此,在碳中和背景下, 車輛熱管理系統的低碳化技術研究至關重要.
面向能源安全及氣候變化等多方面的挑戰, 車輛(包含乘用車、商用車及軌道車輛)的新能源化已成為肩負未來出行、產業發展、能源安全、空氣質量改善等多重歷史使命的國家戰略. 目前, 全球累計銷售新能源汽車超過1100萬輛, 截至2020年12月, 我國新能源汽車銷售量已超550萬輛, 且仍保持快速上漲的趨勢, 市場需求急劇上升. 從熱管理技術角度來看, 通過制冷及熱泵技術的完善, 發展車輛綠色低碳熱管理方法, 提升熱管理效率, 提高電池、電機的溫度控制精度, 創造更舒適的車內環境, 成為打造我國乃至全球范圍內更安全、舒適、節能、環保的未來新能源汽車最重要的環節之一.在制冷領域, 自從《<蒙特利爾議定書>基加利修正案》簽訂并實施以來, 削減當量碳排放、有效延緩全球變暖成為制冷行業最熱門的話題. 而國際制冷學會的調研指出, 全球制冷行業造成的當量碳排放(或全球變暖效應)中37%來自各種含氟制冷劑的泄漏, 另外63%來自運行過程的電能消耗. 這意味著, 削減制冷行業當量碳排放只存在兩條基本路線: 強溫室效應制冷劑的替代與制冷系統能效的提升.在新能源汽車熱管理產業中,目前廣泛應用的HFC(hydrofluorocarbon)制冷劑具有極高的溫室效應指數(global warming potential, GWP, 通常為CO2的1000~2000倍), 環境效益不佳. 另外, 考慮到新能源汽車中發動機余熱的缺失, 常規制冷系統冬季需切換為熱泵模式運行, 供給車輛制熱需求, 但HFC制冷劑在低環境溫度工況下(?10°C以下)通常會出現強烈的制熱量衰減, 需要配合PTC(positive temperature coefficient,相當于電加熱)共同使用, 能效指數較低. 據國際制冷學會統計, 為應對全球人民日益增長的生活需求, 全球在運營中的制冷設備已超過50億套, 其中移動式車載空調(包括乘用車、商用車及客車)超過10億套, 產業基數已達到家用空調的數量水平. 因此, 對于目前廣泛應用的HFC制冷劑及其系統來說, 從節能(能效大幅提升)和減排(強溫室效應氣體排放量削減)兩個方面發展交通運輸領域相關制冷及熱泵技術, 促進車輛熱管理行業的技術升級與綠色發展, 打造電動、清潔的出行方案, 對于我國實現“2030碳達峰、2060碳中和”的偉大目標具有重要意義.近年來, 新能源汽車行業在全球范圍內的發展如火如荼, 但依舊面臨續航里程不足、安全事故頻發等諸多問題. 相比于傳統燃油車, 新能源汽車行業對整車熱管理系統提出了更加精細、嚴格的要求.在常規運行狀態下, 新能源汽車(乘用車、商用車及軌道車輛均包含在內)的熱負荷主要來自5個方面:新風熱負荷、圍護結構熱負荷、車內人員熱負荷、太陽輻射熱負荷、車內設備熱負荷. 制冷及制熱條件下的車廂熱負荷計算方法為
目前常用的新能源汽車電池通常為鋰電池, 其充電與放電的實質是鋰離子的遷移過程. 充電時, 電池正極生成鋰離子, 經電解液運輸穿過隔膜到達負極, 嵌入負極碳層中. 整個過程中的正極反應、負極反應及等效電池反應如式(3)~(5)所示. 伴隨著快充技術的普及, 電池充電過程中能量密度急劇上升, 亟需良好的熱管理手段進行干預, 否則存在較大的安全隱患.
類似地, 電池放電時, 鋰離子從負極脫出, 再運動回正極, 過程中同樣伴隨著歐姆熱、電化學反應熱和極化熱等現象, 也必然引發電池溫度上升. 電池產熱模型一般可分為電化學-熱耦合模型、電-熱耦合模型和熱濫用模型. 目前最常用的電池產熱模型為Bernardi等人的產熱率模型:
電池溫度過量上升將帶來電解液分解、負極熱分解、膜分解反應、正負極與電解液反應等異常化學變化, 大大增加電池熱失控及熱失控蔓延風險, 嚴重威脅車上人員的生命安全. 研究顯示, 鋰離子電池最適宜的工作溫區為20~40°C, 因此除了高溫運行條件下的制冷需求外, 低溫運行或低溫啟動條件下電池系統同樣存在顯著的制熱需求.另外, 除了常用的鋰電池之外, 近兩年間氫燃料電池發展極為迅速, 但氫燃料電池適宜的工作溫度范圍為60~90°C, 過低或過高的溫度同樣會造成電池性能的衰減甚至嚴重的安全隱患, 其使用過程中更加需要妥善的熱管理措施進行監管.驅動電機及其電控系統是新能源汽車最主要的動力來源, 也是車內最核心的部件之一. 電機工作過程中會產生大量機械損耗(各種機械部件之間的摩擦)與電磁損耗. 電機電磁損耗的精確計算需要用到有限元分析法, 但實際中通常采用空載實驗法進行測試.新能源汽車中的電控系統通過半導體、微處理器等器件實現對車用空調壓縮機、閥件、轉向助力泵電機等進行調控的功能. 電機控制器和直流轉直流(direct current to direct current, DC-DC)元件是產熱的主要來源, 例如絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar translator, IGBT)元件的平均熱損耗率為5%.汽車車室空調主要目標是保障乘員的舒適性以及擋風玻璃的安全性. 其主要包含以下4種功能: (1) 采暖和制冷功能; (2) 過濾、通風和換氣功能; (3) 濕度控制與調節功能; (4) 除霧與除霜功能.汽車車室空調的實現形式主要有直接式、間接式、半直接式等. 直接式空調的前端模塊以及空調箱均與空氣直接換熱, 而半直接式和間接式則有部分或全部換熱器采用載冷劑二次回路的實現形式. 直接式空調一般效率高, 而間接式空調制冷劑的側系統構造簡單, 且可以防止制冷劑向乘員艙泄漏引發安全隱患, 適用于可燃、微可燃型工質系統. 關于間接系統, 有學者提出采用冰蓄冷的方式提升二次回路式車室空調系統降溫過程的功耗以及達到車室舒適條件的時間, 但考慮到二次回路本身成本、重量的增加以及性能上的損失, 這種循環方式在車輛應用領域的推廣程度始終不高. 具體的實現形式因車型及需求不同有所變化, 本文不再贅述.在傳統燃油車中, 由于冬季可以采用發動機余熱進行供暖, 因此車室空調僅考慮夏季制冷應用即可. 但對于純電動汽車而言, 發動機余熱的缺失導致車輛冬季供暖需求尤為緊迫. 目前主流的供熱方式有高壓電加熱和熱泵供熱兩種技術. 根據冬季制熱方式, 目前的新能源汽車的車室空調系統可分為單冷空調加完全電加熱系統、熱泵空調加輔助電加熱系統. 考慮到新能源汽車中電池、電機與電控系統的溫度同樣需要精確管理, 通常意義上的熱管理系統應該是車室空調與三電熱管理的耦合系統.單冷空調+PTC是較為簡單的新能源汽車車室冷熱供應方式, 基本可沿用燃油車系統, 是目前新能源汽車應用較為普遍的空調系統形式. 其主要形式與傳統燃油車較為相似, 圖1為單冷車室空調匹配完全電加熱PTC供暖方式的系統原理圖. PTC電加熱的******優點是結構與控制簡單、成本較低; 但加熱效率永遠小于1,冬季制熱時需要消耗大量的電池能量, 直接導致續航里程的嚴重衰減. PTC電加熱系統按使用方法可分為PTC風暖和PTC水暖兩種形式. 其中PTC風暖是電加熱直接加熱空氣, 結構簡單、加熱溫度高, 但具有一定的安全隱患; PTC水暖方法是利用PTC模塊加熱冷卻液,再通過冷卻液加熱空氣, 雖然安全系數較高, 但系統比較復雜, 加熱溫度也相對較低.
PTC通常是直接消耗電能進行采暖的方式, 其電能利用能效比小于1, 電能的大量消耗對續航里程產生較大影響. 因此, 為提高車室空調能效比, 借鑒家用空調的使用模式, 熱泵在車室空調中逐步得到關注和應用.然而, 傳統的氟利昂類熱泵在低溫環境下制熱量驟減,難以滿足車室采暖需求, 因此衍生了熱泵空調+PTC的系統形式. 熱泵的系統形式呈現多樣化性, 主要通過閥件的組合、換熱器的組合等形式實現, 近年也逐漸產生了四通換向閥以及閥島等的實現形式. 不同車型、車企的熱泵實現形式也不盡相同, 但最終的目的都是實現空調箱內換熱器功能的轉化, 如圖2所示. 客車等商用車中通常采用四通換向閥等進行模式切換, 而乘用車空調目前主要采用三通閥的三換熱器系統, 通過電動二通閥或電動三通閥實現制冷、制熱、除濕和蒸發器除霜模式的切換. 冬季制熱運行時, 車外換熱器(蒸發器)溫度可能低于室外空氣的露點溫度, 從而導致結霜現象, 當霜層太厚時需要進入除霜模式, 除霜模式的系統流程與夏季制冷模式一致. 乘用車除濕工況時,空調風系統先經過車內蒸發器降溫, 將空氣中的水蒸氣凝結排出, 再經過車內冷凝器加熱回溫后送回車室內, 達到除濕的目的.
(a) 四通換向閥切換模式; (b) 三通閥+三換熱器切換模式面對嚴寒工況、啟動過程等, 熱泵系統制熱能力通常受限, 還需額外布置PTC以備不時之需. 用于熱泵系統的輔助電加熱通常有兩種方式: 直接熱泵式系統, 如圖3(a)所示, 風暖PTC與制冷系統內的車內冷凝器協同布置, 共同提供制熱量; 間接式熱泵系統,如圖3(b)所示, 制冷系統在板式換熱器中向二次回路的循環流體放熱, 而二次回路循環流體與PTC、暖風芯體串聯.
(a) 直接式熱泵空調系統; (b) 間接式熱泵空調系統近年來, 隨著新能源汽車不斷向高能量密度、高能量轉換效率和高集成度的方向發展, 三電系統(電池、電動機、電控系統)的熱管理需求與日俱增, 已經關系到新能源汽車整體的安全和效率問題, 促進了一體化熱管理系統的提出、升級和演化. 目前, 車輛熱管理問題存在多個并行獨立的方面, 可以將其總結為安全性目標、動力性目標、續航能力目標、舒適性目標、耐久性目標. 一般而言, 安全性目標為關鍵目標,動力性與續航能力目標為次級目標, 舒適性與耐久性目標為三級目標.根據車室空調與電池/電機溫控的不同組合形式,可構成不同的一體式熱管理系統, 如車室空調+電池溫控并聯式熱管理系統(圖4(a))和車室空調+電池冷卻、電機余熱回收式熱管理系統(圖4(b)). 圖4(a)所示的系統工作原理為: 制冷劑系統增加了與蒸發器并聯的Chiller, 用于冷卻電池回路的冷卻液; 在乘員艙加熱用的水PTC回路上增加一個與暖風散熱器并聯的板式換熱器, 用以加熱電池回路的冷卻液. 這樣電池回路的冷卻液既有冷源又有熱源, 可以保證在全工況范圍內使動力電池處于相對合理的溫度區間, 動力電池的使用性能不會受到限制, 明顯提升了整車的使用體驗.
圖4 車室空調及熱管理系統. (a) 車室空調、電池溫控并聯式熱管理系統; (b) 車室空調、電池冷卻、電機余熱回收式熱管理系統更進一步地, 目前新能源汽車熱管理行業的發展趨勢是將乘員艙舒適性與電池、電動機、電控系統等部分的精確溫度管理進行深度耦合. 如圖4(b)所示, 乘員艙內的換熱器會額外并聯一路板式換熱器, 通過全通節流閥在全通模式與節流模式間的切換, 實現對乘員艙和電池包各自的加熱和冷卻作用. 同時, 電動機及其控制部件的熱管理也同樣耦合在整體回路中. 在溫度過高時, 可以通過室外散熱器散熱, 也可以通過制冷循環Chiller進行強效散熱; 而在冬季溫度過低時, 還可以通過冷卻介質串聯的方式為電池包提供預熱或加熱效果.在功能上, 新能源汽車熱管理系統的控制主要包含乘員艙的熱舒適性控制、電池電機和電子元件的溫度管理控制、擋風玻璃的除霜除霧安全性控制、制冷系統在不同路況和氣候條件下的模式切換與運行控制以及各模式下的故障保護控制. 新能源汽車熱管理控制系統的主要構成是傳感器、執行器、控制器. 其中,傳感器大多由溫度傳感器和壓力傳感器構成, 而執行器則以電動壓縮機和電子膨脹閥為核心, 還包括HVAC(heating ventilation air conditioning)鼓風機、冷卻風扇、電子水泵等周邊零部件.在控制方法及控制目標上, 傳統汽車的控制系統以舒適性為首要目標, 而新能源汽車因其能耗直接與可行駛里程相關, 控制系統不僅要關注舒適性, 更要兼顧節能效果. 新能源汽車熱管理系統控制的目的是在保證乘員艙舒適性, 電池、電機、電控溫度合理, 以及系統穩定運行的基礎上, 通過一定的控制手段, 充分實現整車的能量管控, 達到盡可能降低系統能耗、提高能量利用效率的目的. 一般地, 新能源汽車空調的控制系統包含3個層次的控制目標: 控制量的快速、穩定、精準響應; 特定約束條件下的優化問題; 控制系統的魯棒性及抗干擾能力.常用的新能源汽車熱管理系統控制從反饋類別上有開環控制和反饋控制之分: 開環控制即通過實驗標定的手段, 根據不同的運行工況直接給出明確的控制量參數. 這種控制方法相對較為簡單, 控制系統穩定性高, 但同時帶來了控制精度差、能耗高等問題, 在新能源汽車熱泵空調及熱管理領域的應用越來越少. 另一大類即反饋控制, 在控制過程中對具體控制量的參數值并不明確知曉, 而是通過目標量與控制量之間建立反饋邏輯關系, 從而對熱管理系統進行控制. 在愈趨復雜的新能源汽車控制體系中, 反饋控制的應用愈趨廣泛.新能源汽車熱管理系統常用的反饋控制方法包含啟停控制、PID(proportion integration differentiation)連續控制、局部模型預測控制(model predictive control,MPC)和全局MPC控制、結合其他智能算法的控制等.在這些控制當中, 啟停控制相對簡單, 建立控制目標的啟動閾值和停止閾值, 從而對諸如壓縮機、水泵、風機等執行部件直接進行啟停控制, 以實現乘員艙或電池等熱管理的控制目標. 這類控制方法簡單、穩定, 但精度差, 難以實現能耗管控, 故本文不作重點介紹.傳統PID控制作為一種經典的反饋控制, 很早就應用在汽車空調控制系統領域, 相關控制參數可以通過Ziegler/Nichols方法或其他方法獲取. 然而, 在應對變工況條件或者受到擾動時, PID反饋控制精度可能出現衰減, 尤其是受到汽車空調熱力學延遲以及制冷系統強非線性特征的影響, PID反饋控制的魯棒性可能出現劇烈惡化. 相比啟停控制, PID控制作為一種較為成熟的連續控制方法, 在新能源汽車熱管理領域有廣泛的應用. 但是, 汽車熱管理系統是一個高度非線性的熱力學系統, 變工況條件下的PID控制通常會出現振蕩等控制失穩的現象. 這是因為, 在單一乘員艙空調系統基礎上, 耦合加入電池、電機、電控的熱管理邏輯之后, 不同熱管理子模塊之間的熱力學特性相互耦合,PID控制的積分比例參數也需要相互配合; 然而, 應對寬工況運行條件, 單一的PID參數很難適應, 車廂溫度等目標量以及壓縮機轉速等控制量便容易產生振蕩,如果一味采取復合PID控制方法應對此類問題, 控制系統將會變得異常復雜. 為解決這一現象, 行業內衍生了諸如模糊控制、神經元網絡等耦合PID的控制方法、自整定PID控制方法等, 從局部緩解了多控量并存條件下引發的振蕩以及多目標之間的控制不協調現象.模型預測控制是一種基于模型預測的正向控制方法, 其基本控制流程主要由模型建立、預測發展、控制指令、反饋調節組成. 首先, 建立控制對象的理論模型(由偏微分方程構建的物理模型或由大量數據訓練的自學習模型), 監控控制對象當前所處的系統狀態;接著, 預測控制對象在接下來一段時間的發展, 根據一定的需求導向實施多時間步長內的前饋控制與動作指令; 最后, 通過實際熱力學系統的受控最優運行狀態,實時反饋熱力學參數給控制核心, 以便進行調節及下一段時間尺度內的預測. 由于該控制方法要嚴格基于一個準確的系統仿真模型而進行實施, 因此擅長解決同一系統內各個控制回路之間的耦合關系, 適宜于多輸入、多輸出條件的非線性系統中, 在汽車熱泵空調領域得到了一定程度的應用. 該方法不會過度依賴直接的信號反饋來調節執行器的動作, 具有穩定性高、響應速度快、尋優能力強等特點.MPC控制依賴模型的建立. 新能源汽車熱管理系統復雜、模型變量多, 當前新能源汽車熱管理系統中MPC的控制以局部應用為主. 夏應琪采用MPC控制策略對電池加溫進行局部控制, 模型預測控制的約束條件為電池溫度控制精度以及其不同工況下的溫度范圍. 優化的經濟性目標為PTC加熱的消耗電量, 同時引入松弛因子建立軟約束以防止固定約束而導致無可行解的現象. He等人針對新能源公共汽車乘客數量頻繁變動、熱負荷波動且不確定性大的熱管理系統控制問題, 建立了MPC控制策略. 如圖5所示, 通過預測人員負荷直接對空調系統進行控制, 可實現節能6%左右. 類似地, 在混合動力汽車涉及電機和發動機的雙重熱管理時, 傳統控制方法是根據駕駛員指令和車輛狀態進行反饋控制, 進而調節動力需求, 而盧鵬宇基于精確邏輯動力輸出控制策略, 在不同的動力系統功率輸出配比下, 建立了全局能耗和局部能耗的熱管理模型預測控制方案. 局部能耗控制方案的約束條件優先保證發動機的熱管理精度和能耗最小化; 全局能耗優化方案的約束條件將發動機和電機的熱管理需求及能耗通過耦合因子建立關系, 形成全局的約束目標. 這一方案也給純電動汽車的電機、電控、電池以及乘員艙冷熱負荷需求等多重約束、多重目標的熱管理系統提供了模型預測控制的思路.
(a) 基于MPC的空調系統預測性控制; (b) MPC控制器的信號輸入輸出流程對于考慮更為復雜的全局變目標多變量控制的新能源汽車熱管理系統, 尤其是結合三電精細化熱管理的MPC控制, 模型的目標量涉及乘員艙溫度、電池、電機、電控的熱管理溫度, 控制量涉及多個電子膨脹閥的開度、壓縮機轉速、兩個風機轉速、水泵轉速等,同時還包含諸如路況信息、用戶信息、外界負荷、人員變化等. 模型龐大、約束條件繁雜、目標量眾多且不清晰等, 這些客觀因素勢必帶來龐大的計算量和儲存量, 實時計算的效率或將成為該方法推廣應用的瓶頸. 離線優化可以降低模型預測控制對計算量和計算效率的依賴, 給未來新能源汽車全局優化策略的制定提供了一種新的解決思路. 結合諸如模糊神經元網絡對模型進行離線建立, 可以避免全局尋優計算量過大而導致的預測控制失效問題. 然而, 單純的離線優化也容易導致模型脫離實際, 因此預測模型的更新頻率、預測域的選取以及與熱力系統本身熱慣性之間的權衡, 是MPC控制在新能源汽車熱管理系統全局應用中需要進一步解決的問題.除了以上提到的兩種經典控制方法外, 新能源汽車熱管理越來越關注舒適性、能量管控程度等指標,比如根據用戶特征的自學習算法等, 在PID反饋控制和MPC預測控制的基礎上, 衍生出了結合特定智能算法的控制方式. Xie等人基于模糊PID的控制框架, 設計了根據不同用戶習慣特征的自學習智能控制策略, 控制邏輯如圖6所示. 以無量綱參數PMV(predicted meanvote)表征用戶特征, 這里的PMV值與用戶的衣著、自身汗腺蒸發量及所處環境狀態等相關, 通過PMV的計算、控制、學習, 將信息傳遞給控制器從而執行對壓縮機、風機等的轉速控制, 而車廂的實時溫度作為反饋值傳遞至PMV計算器. 該智能控制方案相比啟停控制和單一的模糊PID控制可節能31.8%和10%. 此外,Xie等人將基于PMV自學習判別方法應用于MPC控制中, 相比單一的模型預測控制和PID控制, 分別節能4.32%和25.6%, 不僅大幅實現了節能效果, 同時也滿足了不同乘客的差異性. 隨著對新能源汽車舒適性個性化關注以及多元熱管理的需求日益增長, 各類具有自學習特征的智能算法, 包括用戶特征、當前/未來路況信息、當前/未來天氣信息等, 將逐漸融入新能源汽車熱管理的控制算法中, 熱管理系統的控制將會更加智能化.
除了以上提到的幾種較為常見的控制方法外, 在新能源汽車熱管理系統的局部控制中, 還有應用模糊控制、魯棒控制、滑膜變結構控制、動態規劃控制、ESC(extremum search control)控制等. 總之, 新能源汽車的整車熱管理耦合了乘員艙的冷熱需求、三電(電池、電機、電控)設備精細化溫度管理, 通常涉及多目標、多變量控制體系, 且整車熱管理系統具有高度非線性、系統耦合性強、熱慣性反饋延遲、運行工況范圍廣、擾動因素偶然性強等特征. 隨著對能效、舒適性的關注, 結合智能算法的、具有不同用戶特征, 并結合在線大數據(包含路況信息、人員信息等)的智能控制方法, 在未來新能源汽車熱管理系統的控制中將扮演越來越重要的角色.自從蒸汽壓縮式制冷系統問世以來, 常用制冷劑類型已經歷了多次更迭. 以乙醚、乙醇為代表的第一代制冷劑僅達到了能夠提供制冷功能的需求, 很快被R12等第二代制冷劑(氟利昂, chlorofluorocarbon,CFC及hydrochloro-fluorocarbons, HCFC)替代, 第二代制冷劑開始被引入車輛應用領域. 不過, 由于臭氧層破壞問題, 《蒙特利爾議定書》限制了第二代含氯制冷劑的使用, 并標志著第三代不含氯制冷劑(HFC)的出現. 近些年, 雖然交通領域新能源化的進程如火如荼,但目前新能源汽車中所采用的制冷劑種類仍然沿襲傳統燃油車的技術路線, 即還停留在HFC階段: 其中乘用車主要采用R134a作為工質, 而商用車(客車與軌道車輛等)多數采用R407C等作為工質. 在制冷方面,對比R134a, R407C車輛空調系統不僅能夠保證幾乎相當的降溫速度與制冷能效, 而且通常采用更小的壓縮機與換熱器, 對車輛設備輕量化具有重要意義.隨著新能源汽車的普及, 一個主要問題開始凸顯:即傳統燃油車輛中存在充足的發動機余熱可供冬季制熱需求, 但新能源汽車中發動機余熱的缺失導致冬季制熱成為車輛制冷系統必須解決的重要問題.為此, 學者開始針對R134a、R407C等系統的熱泵制熱性能展開研究. Li等人開發了電動車用R134a熱泵空調系統. 類似于家用空調, 該車用空調熱泵系統同樣通過四通換向閥進行制冷與制熱模式的切換, 在0°C環境溫度以上均可以較快地實現車廂制熱的目的, 但運行至?15°C時制熱量已經出現了明顯的衰減. Peng等人也搭建了類似的電動車熱泵臺架, 實驗結果顯示, R134a工質在?5°C的環境溫度下仍然具有較理想的制熱COP(coefficient of performance), 但更低溫度下的情況并未提及. 更進一步地, 有學者研究了R134a車載熱泵系統在?10°C條件下的性能表現, 其制熱COP和制熱量可分別達到3.26及3.10 kW, 雖然COP值尚可, 但制熱量已經嚴重衰減至不能滿足車廂供熱需求. 另一方面, Wang等人針對電動車用的R407C熱泵系統進行了對比研究. 結果顯示, 該熱泵在?10°C條件下具備2.3左右的制熱COP, 雖然能效比相對較低, 但制熱量和功耗相對R134a系統更大.考慮到R134a及R407C熱泵系統在較低環境溫度下的制熱量衰減問題, 常規R134a及R407C系統中通常需要增加壓縮機轉速或配備更大容量的壓縮機來保證低環境溫度下充足的制熱量. 另一方面, 從提升循環制熱COP的角度, 參考家用和商用熱泵中的成熟技術, 學者利用膨脹罐或經濟器等部件構建了中間補氣型的系統結構形式, 并分別開展了數值模擬和實驗研究, 在一定程度上拓寬了R134a及R407C熱泵系統在車用低溫環境下的適用范圍, 制熱COP提升10%左右. 然而, 考慮到復雜系統在工程應用上的難度, 目前大多數乘用車及商用車的實際執行方案仍然是常規R134a或R407C系統搭配PTC電加熱進行協同制熱, 甚至在?15°C以下的嚴寒環境中使用純PTC加熱, 在節能和環保兩方面均具有較大的提升空間.為了加速車輛行業中第三代HFC制冷劑向第四代制冷劑(天然或HFO(hydrogen fluoride olefins)類低GWP(global warming potential)制冷劑)的綠色替代進程, 近些年相關研究層出不窮. 本節將主要介紹幾種新能源汽車熱管理領域中較為熱門的替代方案.CO2作為一種天然工質, ODP(ozone destruction potential)為0, GWP為1, 環保無污染. 1993年, 國際制冷學會前主席Lorentzen提出的跨臨界CO2循環就是針對汽車空調的應用場景, 其因制冷效果不佳, 發展受阻.近些年, 隨著新能源汽車的發展, 其制熱無發動機的余熱利用, 跨臨界CO2循環因其強勁的制熱特性再一次進入大眾的視野.近些年, 學者紛紛針對CO2在車輛熱管理領域的應用展開了充分的優化研究. 例如, Yin等人針對新能源乘用車中跨臨界CO2制冷系統在不同工況下的充注量進行了詳細的優化研究, 采用充注率的概念探討了系統從欠充到合適再到過充狀態下的性能變化過程,結果顯示, 欠充和過充均會對系統性能造成較大衰減.類似地, 為了進一步提升車用跨臨界CO2熱泵空調系統的緊湊性與輕量化, Dong等人開發并使用了跨臨界CO2四通換向閥、集成化氣分-回熱器及各類微通道換熱器等. 研究顯示, 跨臨界CO2系統的制熱能力提升十分明顯, 在低至?25°C的低溫條件下仍然能穩定充分供熱, ?10°C條件下的制熱性能相對R134a依舊提升80%以上. 此外, 針對車用跨臨界CO2系統制冷性能比傳統R134a系統稍差的劣勢, 有學者提出了將CO2與R290、R41等制冷劑混合的方法, 使車用空調系統制冷性能提升20%以上, 基本達到與R134a系統相當的狀態. Li等人及Subei和Schmitz研究了車用跨臨界CO2系統中的局部細節, 如微通道氣體冷卻器、管路壓降等方面的優化空間, 為整個系統制冷能效的提升提供了理論基礎.綜上所述, 憑借優異的環保效應、寬工況適應性及與車輛系統的兼容性, 近些年CO2制冷劑被廣泛地推向新能源汽車、客車、軌道交通等領域, 并引起了學術界與行業界的廣泛關注與總體看好. 不過, 受限于CO2制冷劑獨特的物性, 車輛熱泵空調向CO2技術的轉型需要對系統進行重新設計, 這也是限制該技術快速發展的主要掣肘.R1234yf是美國杜邦公司和霍尼韋爾公司為R134a量身打造的替代方案, 其熱物性與R134a相近, 但ODP=0, GWP=4, 環保性良好. 雖然研究顯示,R1234yf制冷劑與傳統R134a或R410A的慣用潤滑油存在一定的兼容性問題, 但目前行業中替代常規R134a制冷劑時, 只需將原本車輛熱泵空調系統中的R134a制冷劑放空, 再重新加入R1234yf即可, 無須重新設計, 短期適用性******.2008年, R1234yf首次被推向車輛熱管理應用領域并得到了良好的效果, 結果顯示, R1234yf系統的性能與R134a系統僅相差4%~8%. 因此, 自2010年左右開始, 關于R1234yf熱物理性質或兩相流動特性的研究次第展開, 經過一段時間的發展, R1234yf向乘用車領域的推廣逐漸形成規模. Zhao等人研究發現,同樣的熱負荷需求下, R1234yf的制冷劑充注量相比R134a減少了10%左右; 而Lee和Jung的研究表明, 雖然充注量和壓縮機排氣溫度均有所降低, 但R1234yf系統的制冷性能同樣比R134a出現了4.0%左右的衰減. 另外, 針對環保性, 有學者指出, 單純的低GWP與當量溫室效應氣體排放量低并不嚴格對等, 因此提出了全生命周期碳排放算法, 將制冷劑全生命周期過程的所有直接和間接碳排進行合并計算. 結果顯示, R1234yf全生命周期碳排同樣低于傳統R134a, 甚至低于制冷劑本身GWP更低的純天然工質CO2.因為屬于新型制冷工質, 雖然R1234yf等HFO類制冷劑自推出以來在全球市場的響應一直都十分積極,但長期使用過程中也逐漸暴露出一些安全性問題. 例如,近期R1234yf被認定為輕微可燃制冷劑,R1234yf溶于水可能形成三氟乙酸等. 甚至, 最新的研究提出, HFO類制冷劑在大氣中會分解產生CF3CHO(三氟乙醛), 最終分解產生CHF3(HFC-23). HFC-23是一種強溫室效應氣體, 可能最終導致HFO類制冷劑的GWP值進行重新評估. 另外, 受限于美國公司的專利保護, R1234yf高昂的價格也是目前限制其在國內廣泛普及的主要問題.R290(丙烷, CH3CH2CH3)同樣屬于天然工質, 其ODP=0, GWP=3.3, 熱物理性能參數與R134a相近, 但標準沸點更低, 因此可以適用于更低的環境溫度. 相比汽車空調常用的制冷劑R134a, R290除了在環保性上具有更好的表現之外, 由于更高的氣化潛熱、更小的分子質量、更高的工作壓力及工作密度, 可以大大減少車輛熱泵空調系統中制冷劑的充注量, 更加符合輕量化、緊湊化原則.Ghodbane針對R290替代R134a作為汽車空調循環工質的方案進行了分析和研究. 結果表明, 雖然碳氫化合物類制冷劑在制冷劑當量碳排放方面具有重要優勢, 但在循環性能上相較常規R134a系統有5%~12%的衰減. 然而, 由于R290的標準沸點很低, 因此比較適用于低溫環境以熱泵制熱工況運行, 在<?10°C環境溫度下擁有遠超R134a的制熱性能表現, 甚至在?20°C的嚴寒條件下也擁有接近跨臨界CO2熱泵的制熱COP,是新能源汽車熱管理系統的下一代備選制冷劑之一.不過, 雖然R290的熱物性及環保性良好, 但安全等級僅為A3, 屬于可燃制冷劑, 使用過程中始終存在安全隱患. 一般需要構建二次循環, 使R290制冷劑回路完全處于乘員艙外的發動機箱中, 而借助其他安全的循環工質作為媒介將冷量或熱量帶入乘員艙內, 這也造成了循環效率的大幅降低. 在此背景下, 雖然很多學者研究并優化了R290在車輛制冷系統內的泄漏情況, 或主張采用多元混合物制冷劑的方式降低R290的當量充注量, 但可燃性一直是R290制冷劑******的安全隱患.應對新能源汽車的冬季制熱問題, R410A因制熱特性優異也獲得了一定的關注, 其ODP=0, 但GWP值高于2000. 近些年, 比亞迪連續推出了搭載R410A熱泵空調系統及R410A補氣增焓式熱泵空調系統的新能源乘用車, 使用效果證明, 采用補氣增焓方法的R410A熱泵空調系統在冬季制熱條件下具備十分突出的性能優勢, 甚至可以在?20°C以上的低溫環境下正常運行并提供足夠制熱量, 節省了PTC電加熱功耗, 使電動車冬季續航里程有所恢復. 然而, 目前車輛領域采用R410A的嘗試一般只是為了借鑒其在家用領域的成熟技術,從而作為車輛行業制冷劑的暫時性過渡替代物, 在當前車輛領域應用背景下不具有長遠的前景.R32(二氟甲烷, CH2F2)同屬碳氫化合物, ODP=0,但GWP高達675, 在GWP普遍低于150的車用制冷劑的要求下, 環保優勢并不明顯.R32常壓沸點為?51.6°C, 運行壓力較高, 適用于低溫制熱工況, 但受制于微可燃性及較高GWP的固有屬性, 在汽車空調領域中的應用相對較少. 研究顯示, 由于R32的低溫制熱性能與高溫制冷性能均能達到較優良水平, 節省了很多低溫PTC電輔熱耗功, 因此運行能耗較低, 間接當量碳排放較少, 從全生命周期環保性的角度來說, 也許是一種具備一定前景的制冷劑替代選擇. 由于R32是R410A的組成成分之一, 但GWP顯著低于R410A, 因此相對R410A系統, R32系統能夠大幅降低當量CO2及SO2的排放量, 尤其將R32與GWP值很低的R744、HFO類制冷劑混合使用后, 既能兼顧熱泵空調系統的制冷與制熱能力, 又能大幅降低混合工質的當量GWP值, 是一種值得深入研究的方案.隨著汽車產業的深入發展, 電動化、智能化、網聯化、共享化將成為未來汽車產業發展的重要方向.汽車“新四化”的提出對新能源汽車熱管理系統有了更高的要求, 同時也在一定程度上為其發展指明了方向.新能源汽車熱管理系統的長遠發展, 除了要提高整體能效, 增加電動汽車的續航里程, 還應兼備高度集成化、熱害控制、遠程控制、座艙環境個性化、寬溫區高效化、關鍵零部件開發、環保工質替代等關鍵技術.綜合而言, 在當前新能源汽車發展以及碳中和目標的背景下, 新能源汽車熱管理行業也應向綠色高效化、功能一體化、結構模塊化、控制智能化的“新四化”方向發展.汽車熱管理系統綠色高效發展將成為我國交通領域實現碳中和的有力助力, 綠色高效化成為新能源汽車熱管理系統發展的核心. 綠色高效化體現在強溫室效應工質的減排方面, 這一工作已經成為當前毋庸置疑的問題. 但是, 下一代新能源汽車熱管理系統的制冷劑替代路線尚不明確, 形成以CO2/R290/R1234yf為主流、各形式混合工質為輔的百花齊放狀態. CO2具有強勁的低溫制熱特性, 但工作壓力高且高溫制冷性能略差; R290具有良好的制冷、制熱性能, 但易燃易爆;R1234yf與R134a性能相當且溫室效應低, 但依然無法滿足新能源汽車冬季低溫制熱的需求. 下一代新能源汽車熱管理制冷劑技術路線基本受兩大因素影響和制約: 一方面是國家相關標準和法規, 應對環境污染、氣候變暖問題的具體政策實施; 另一方面, 還受新能源汽車本身固有的需求特性的演變和不同區域下的功能多樣性影響.綠色高效化還體現在熱泵技術的發展: 低溫續航衰減也是新能源汽車發展面臨的瓶頸問題之一, 能否解決冬季里程焦慮也逐漸成為整車熱管理的技術核心.隨著熱管理對能量利用效率的需求日漸提高, 如何保障新能源汽車熱泵空調系統寬溫區(?30~40°C)的性能、減小能耗是熱管理系統亟須突破的關鍵技術. 通過各子系統之間的高效耦合與協調控制可以實現能效******化, 余熱的有效回收方法能夠減小制熱能耗, 同時可以改善系統的制熱性能. 熱泵和余熱利用及其相互交叉耦合的形式將成為未來熱管理的主要方向.因此, 在我國碳中和的大背景下, 減排和節能成為迫切需求, 新能源汽車熱管理系統的下一代發展勢必以綠色高效化為導向.新能源汽車熱管理系統不僅要兼顧車室內溫度的冷熱控制, 更要對三電設備(電池、電機、電控)進行更為精細化的溫度管理. 隨著乘客對舒適性和安全性需求增加, 一套多功能的熱管理系統將成為主流. 因此,應對高密度電池和電機/電控的精細化熱管理、綜合能效提升、乘員艙舒適性提升等關鍵問題, 實現整車能量管控, 功能一體化成為新能源汽車熱管理系統發展的方向標. 下一代新能源汽車熱管理系統的功能一體化需兼顧整車安全性目標、動力性目標、續航能力目標、舒適性目標以及耐久性目標.首先, 新能源汽車熱管理系統要求更為合理的能量調配, 使所有關鍵部件的溫度變化具有較高的安全裕度. 電池、電機、電控的熱管理安全性是新能源汽車的核心問題. 如何通過子系統的協調設計, 提高關鍵部件溫度變化的安全裕度, 是新能源汽車熱管理設計的首要目標. 功能上的一體化設計也為熱管理子系統的協同控制提供了完整的平臺. 其次, 除了安全性目標之外, 三電設備的精細化溫度管理對其動力性和續航能力起著決定性的作用, 為了實現三電設備的精細化溫度管理和能量調配, 需要對各子系統進行高度耦合,充分利用各子系統能量, 精細化的溫度管理以及能量的高效分配都是關鍵, 這樣的需求越發驅動熱管理系統功能的一體化設計. 再次, 隨著人們生活水平的提高, 駕乘人員對車室空氣質量、駕乘舒適度的要求也會日益增加, 不同氣候條件、不同人群對車室環境的要求也不盡相同, 多樣化的需求同樣需要熱管理系統的功能一體化得以保障. 最后, 耐久性目標要求系統級優化溫度平衡, 降低電機絕緣損傷, 延緩電池老化和容量衰退. 這樣的目標不僅是對單一部件、單一工況進行能量調配, 更需要將全系統、全天候所面臨的問題加入到功能一體化設計中來, 為熱管理系統的健康管理提供基礎.總之, 更安全、更舒適的乘坐需求, 多樣化、多目標熱管理需求驅使新能源汽車熱管理系統的功能設計向著更為一體化的方向發展.傳統汽車空調部件相對簡單, 車載空調的結構布局形式通常也僅是適配車身結構, 通過單一的部件連接, 實現車室空調的功能. 然而, 隨著新能源汽車的發展, 熱管理功能需求的復雜化、多樣化和精細化導致整車熱管理系統的部件數量、接頭數量呈爆發式增長.零部件的增加不僅導致接口數量成倍增加, 也引發可靠性降低, 安裝、維修成本增加. 同時, 零部件的分散式布置也帶來振動、噪音的不可控性, 給整車NVH(noise vibration and harshness)帶來挑戰; 熱管理附件的增多帶來的體積變大問題也給結構設計帶來挑戰.因此, 在新能源汽車的快速發展和熱管理批量產業化的驅動下, 系統結構模塊化成為未來熱管理系統發展的迫切需求.熱管理系統的結構模塊化主要體現在零部件的集成和功能性模塊兩種方式上. 當前新能源汽車熱管理系統形式呈現多樣化, 零部件的集成方式也根據熱管理系統不同呈現多樣性, 主要包含帶回熱功能的儲液器、車用四通換向閥的發展、換熱器與閥件集成、全通節流閥、多通閥、熱管理水路部件的集成等.除了當前已有的零部件集成, 更為簡潔的集成方式或將為更加徹底的功能性模塊帶來新的機遇和挑戰.更大程度的集成按功能結構劃分, 包括: (1) 前端模塊;(2) 空調箱; (3) 制冷劑處理模塊; (4) 電池、電機、電控模塊. 熱管理系統結構的模塊化在不同車型之間通用性增強, 使熱管理系統在經歷復雜化、多樣化的發展后, 又重新向著結構簡潔的方向發展.新能源汽車熱管理的精細化和功能的復雜化, 在系統布局、結構設計的基礎上, 行之有效的控制策略是保障整個系統安全、穩定運行的前提. 如何實現熱管理的快、穩、準, 在復雜需求驅動和智能化牽引下,控制智能化成為未來精細化熱管理的靈魂.復雜系統和精細化溫度管控離不開動態運行的控制, 未來的新能源汽車一體化熱管理系統所涉及的控制量和目標量將愈趨增加, 導致控制維度增加, 依靠傳統的標定控制不僅大大增加開發成本, 同時控制精度低, 難以實現最優能量管控. 以MPC控制方法為基礎,結合實時路況信息、用戶多樣化特征等的智能化算法,實現對新能源汽車熱管理系統的精細化、多樣化預測性控制, 在新能源汽車熱管理系統的能量智能管控中的重要性逐漸凸顯. 控制智能化或將成為新能源汽車熱管理系統未來不可或缺的一環.
更新時間：2024-06-20
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