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电动汽车热泵空调系统及降能耗策略研究

张子琦  
【摘要】:电动汽车具有污染小、油耗低的优点,已被列入我国“十三五”发展规划中,得到了大力的推广。然而,受制于电池技术,电动汽车的续航里程仍难以满足用户需求。作为能耗最大的辅助设施,空调能耗会使得电动汽车的续航里程出现明显下降。在低温环境中,制热能耗会导致车辆续航里程下降50%以上,严重影响其使用。降低电动汽车空调的能耗可通过两方面来实现:一是降低负荷需求。为此,需要分析各项空调负荷的节能潜力;二是提高工作效率,如采用热泵制暖及其他节能策略等。针对以上问题,本文开展了相应的研究,并取得如下成果:一、电动汽车负荷特性研究。通过热平衡法建立了电动汽车空调负荷模型,并确定了新风负荷为冬夏季稳态空调负荷的主要构成部分。在这基础上,提出了一种冬季车舱升温动态负荷计算方法。该方法对于升温过程中车内温度的预测精度在0.5℃以内。本文还总结了车体围护结构导热系数的半经验公式,其对围护结构导热负荷的计算精度可满足工程需求。二、车用热泵系统构架研究。试验研究了四通阀热泵系统和三换热器热泵系统的性能,并从系统功能角度评价了两种系统优劣。结果发现,四通阀系统无法满足车辆挡风玻璃除雾的需求,因而三换热器系统更优。经台架和实车测试验证,四通阀系统可满足6℃以上环境中的制热需求,而进一步优化后的三换热器系统可以满足-10℃下乘客舱升温的负荷需求。三、热泵低温制热性能优化。试验发现,采用补气增焓后系统制热性能平均提升35%,能效比与原机基本持平;分析了补气压力、经济器容量及补气路分支点对系统性能的影响,同时发现使系统蒸发器入口焓值最低时的补气压力为最优补气压力。实车测试了补气增焓热泵系统的节能作用,-10℃下测试车型的续航里程较原车上升25%.四、国内主要城市电动汽车空调年均能耗评估。建立了电动汽车空调年均能耗评估模型,将热舒适性评价和本文建立的热负荷模型相结合,并使用台架试验数据预测空调系统在不同环境下的性能。结果发现,空调能耗会对续航里程造成很大影响,且冬季续航里程衰减相对夏季更加严重。低温下,使用PTC加热器会使得续航里程下降近30%;若考虑低温条件下的电池性能衰减,则这一效应会更加明显。五、空调降能耗策略研究。使用空调能耗模型评估了引入回风和热泵采暖的节能效果,提出并计算了引入回风比例的限制条件及节能效果。通过计算发现,同时使用引入回风和热泵制热的策略可使所分析车型的续航里程增加25%.


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