电动汽车热管理制冷剂和控制技术趋势

         

      虽然当下电动汽车热管理系统与早期相比，在集成化与节能高效等方面已经取得了较大发展，但在制冷剂替代、全气候宽温区热泵系统开发、智能化控制等方面仍面临较大挑战。          

         

     

 

 

     

1、环保制冷剂

   

 

2016年《基加利修正案》将氢氟碳化物纳入管控范围，车用空调制冷剂替代成为行业的共性痛点。关于潜在替代制冷剂的研究应用主要集中于R1234yf、CO ₂ 与R290，上述制冷剂主要物理性质如表1所示。  

 

R1234yf与传统制冷剂R134a热力学性能相近，容易实现制冷剂的替换，但价格相对较高。R290和CO ₂ 作为天然环保制冷剂，具有价格相对低廉的优势。CO ₂ 无毒、不可燃、具有优良的热稳定性，并且在超临界状态下放热时具有较大的温度滑移，因此具有优异的制热性能。R290热泵系统具有优异的制冷、制热性能，但由于R290是易燃性制冷剂，解决R290可燃性带来的安全隐患是实现R290热泵系统在电动汽车上应用的关键问题。  

     

2、基于环保制冷剂的热管理系统

         

   

R1234yf与R134a制冷剂热力性质十分接近，可以在R134a热管理系统上直接使用R1234yf进行替换，但系统性能会略有降低。  

 

有研究结果表明，   诸如优化膨胀阀和使用变排量压缩机等较小的改进可以使R1234yf制冷剂系统获得相似的系统性能。   R1234yf具有弱可燃性，可以通过增加二次回路的方式来降低燃烧的风险。由于专利以及合成技术等原因，R1234yf较高的价格成为制约其推广应用的阻碍。  

 

作为价格低廉、环境友好的自然制冷剂，目前CO ₂ 热泵系统已开始在实车上应用，但仍存在夏季制冷量不足、极寒条件下制热效率低等问题，研究领域的工作目标主要是进一步提升CO ₂ 热泵系统的性能，尤其是高温环境下制冷性能的提升。适用于低温环境的CO ₂ 热泵系统如图2(a)所示，该CO ₂ 热泵系统在膨胀阀与室内换热器之间增加了一个换热器。   测试结果表明，该系统在低温环境下启动时制热量可达3.6 kW，COP为3.15。  

 

中间冷却式热泵系统能够显著提升热泵系统性能。   中间冷却式跨临界CO ₂ 热泵如图2(b)所示，制冷模式时，压缩机中间冷却热量通过中间冷却器排出车外；制热模式时，中间冷却的热量通过室内蒸发器得以回收利用，测试结果表明，该系统在制冷、制热工况下性能皆有所提升。还有学者提出利用喷射器替代节流阀，其系统流程如图2(c)所示，计算结果表明喷射器的使用能够提高压缩机的进口压力，降低压缩机的工作压比，提高CO ₂ 热泵系统综合性能。虽然CO ₂ 热泵系统的制热性能优异，但由于跨临界CO ₂ 热泵循环工作压力较高，对系统的安全性与可靠性提出了更高的要求。  

 

 

R290作为另一种潜在的可替代环保自然制冷剂，具有优异的制冷、制热性能。  
 

 

有研究对R290热泵系统在低温环境下的制热性能进行了研究，在-10 ℃工况下，与传统的R134a制冷剂系统相比，R290热泵的制热量与COP分别提升55%和12.3%。为提高R290系统的安全性，搭建了R290热泵系统及其二次换热回路，如图3所示。  

 

结果表明在-25 ℃的环境温度下，R290系统的制热COP能够达到2.16，具有优异的制热性能。但R290的可燃性严重限制了其推广应用。某公司提出了以R290为制冷剂的二次回路电动汽车热泵技术及其产品，如图4所示，将可燃的R290回路置于前舱，通过不可燃的二次回路间接对车舱内的环境进行控制，实现热管理系统模块化设计的同时，最大程度减少制冷剂的充注量。  

另一方面，混合制冷剂可以克服纯自然制冷剂自身物性的局限性，也是未来新型制冷剂热泵系统的发展方向之一。对CO ₂ /R41混合制冷剂应用于汽车热泵系统的性能的研究结果表明，在最佳配比下，该混合制冷剂的系统性能与纯CO ₂ 制冷剂相比有所提升。  

 

在对CO ₂ /R290混合制冷剂进行的研究结果表明，CO ₂ /R290混合制冷剂的制冷制热性能与混合比紧密相关，通过混合R290和CO ₂ ，有效降低了R290的可燃性和系统的运行压力，关于该混合制冷剂的最佳混合比与系统特性还有待未来进行深入研究。  

     

3、智能化控制与乘员舱舒适性提升

   

 

电动汽车热管理系统的高效智能化与乘员舱热舒适性成为提高出行品质的关键保证。根据汽车本身行驶状况的不同，电动汽车各系统的热负荷会出现动态波动，并且电动汽车热系统耦合程度不断加深，对热管理系统的控制提出了更高的要求。因此智能化、一体化、精细化的控制方式将会是降低整车能耗、提高舒适性的控制方式。  

 

热泵系统传统的控制方式是通过开关控制、PID控制等方法分别对各个独立的热管理对象与热管理执行机构进行控制，根据设定值与实际值的偏差，通过调节压缩转速、膨胀阀开度、电加热器功率、循环泵功率、电子风扇风量等参数，使各控制参数维持在设定的范围。但随着热管理一体化程度的加深，PID控制在处理复杂的动态控制过程中容易使系统出现超调或是震荡等问题，造成能耗升高的同时降低驾驶的舒适性。  

 

多支路耦合的复杂热泵系统的控制方法是当前电动汽车热管理系统控制技术的研究重点。对于结构复杂的带余热回收的中间补气热泵系统，补气支路流量与主路流量对系统性能有重要影响，对中间补气压力等关键参数以及主路与支路流量分配特性及其控制的研究得到流量分配比与压力比的关系，并发现存在最佳流量配比使系统性能达到最优。对于CO ₂ 热泵气冷器侧温度压力多变的特点，有研究成功将极值搜索控制方法(ESC控制方法)应用于跨临界CO ₂ 热泵系统最优排气压力的控制上，增加扰动的梯度搜索寻优控制方法可以实现复杂系统的精细化控制，通过对当前排气压力施加小幅度的扰动信号，同时监测系统性能的波动情况，通过数学分析寻找系统性能最佳的状态点，进而确定系统所需控制的最佳排气压力。  

 

MPC控制方法也在CO ₂ 热泵系统控制上得以应用，但MPC方法过于依赖模型，需要大量的仿真和实测数据对模型进行支持，随着未来信息交互技术的发展与模型精确程度提高，MPC控制方法将达到更高的精确性。  

 

为保证驾驶人员的热舒适性，需要将乘员舱温湿度控制在合理的波动范围以内。对于车内热湿环境控制，常规的控制方式是在前挡风玻璃防雾、保证车辆运行安全的前提下，针对车内的温湿度控制需求，通过调节送风量以及送风温度来对车内环境进行控制。在基于对双蒸发器的电动汽车热泵系统的研究中，提出了基于不同支路膨胀阀动态调节特性的双蒸发器控制思路，并利用比例回风形成连续风幕来防止车窗玻璃结雾。针对常规热泵空调低温环境下乘员舱供热不足的问题，另有研究通过玻璃表面结雾特性研究，以最大回风比为目标，通过电动风阀的调节来实现最大回风利用的控制，从而降低电动汽车热泵系统的整体能耗。  

 

在整车热管理层面，乘员舱热管理不仅包括空调送风这一传统方式，座椅加热等新型方式也得到了研究和推广应用。除了热管理主动调节方法以外，合理的车身保温结构设计与材料选择也能降低车内环境的波动性，提高热舒适性。此外，长时间舒适的驾驶环境容易令驾驶人员产生疲乏，影响驾驶的安全性，智能控制系统通过吹风或其他刺激手段提高驾驶人员精神集中度的相关研究也在进行中。  

     

4、总结与展望

   

 

电动汽车热管理系统从传统的燃油汽车空调系统改进而来，并逐渐过渡到适用于电动汽车的热泵系统。与燃油汽车不同的是，电动汽车热管理对象还包括电池系统与电机系统。通过三电耦合，电动汽车整车热管理系统的耦合程度以及部件的集成化程度不断提升。  

 

为提高电动汽车在多环境下的适用性，进一步提高电动汽车的续航里程，需要开发适应宽温区、极端条件下的热泵系统。随着出行品质的需求日益提升，需要提高热管理对人体热舒适性的关注度，执行以人为本的、智能化的汽车热管理技术和控制策略。面对更加严苛的环境保护需求，应该着重关注环保制冷剂的替代性研究，并通过余热回收、喷射补气等技术开发来完成绿色节能高效的整车热管理系统的构建。  

 

 

 

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