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使用热泵的混合动力汽车热管理
2021-11-05 19:20:20· 来源：AutoAero
摘要本文介绍了在寒冷天气下使用热泵系统的混合动力汽车（HV）的热管理。HV的一个优点是通过电机和发动机的耦合和优化控制提供车辆系统的高效率。然而，在传统的
摘要
本文介绍了在寒冷天气下使用热泵系统的混合动力汽车（HV）的热管理。HV的一个优点是通过电机和发动机的耦合和优化控制提供车辆系统的高效率。然而，在传统的HV中，在寒冷天气下会观察到燃油经济性下降，因为使用发动机将热量传递到座舱会降低车辆系统的效率。在这项研究中，热泵与发动机相结合，用于热管理，以减少燃油经济性下降。热泵配有一个电动压缩机。发动机和热泵产生的热量被输送到发动机和座舱，因为发动机需要快速预热以减少排放，座舱需要热量以提供热舒适性。为控制来自发动机和热泵的热流，找到了一种控制发动机和热泵以降低燃油消耗的最佳方法。为此，使用一维热力车辆模型进行优化，并在原型车辆上测量优化系统的燃油经济性，与传统HV相比，优化系统的燃油经济性提高了10%。
介绍
各种因素都会影响燃油经济性下降，包括环境温度的变化。在炎热的天气下，消耗能量来冷却客舱，但在寒冷天气下，热能被输送到发动机以减少排放，同时也被输送到座舱以提供热舒适性。图1显示了环境温度对内燃机（ICE）车辆和HV燃油经济性退化的影响，寒冷天气下的燃油经济性退化大于炎热天气，尤其是混合动力汽车。
图1 HV和ICE车辆的季节性燃油经济性
为了提高寒冷天气下的燃油经济性，开发了一种带有热泵的系统，该系统可以有效地将电能转换为热能，通过缩短发动机停机时间来提高高压燃油经济性。在传统HV中，发动机怠速会产生热量，在不需要能量进行驾驶或为蓄电池充电时，热量会传递到发动机和座舱，图2（a）。在这种情况下，发动机的工作效率非常低，然而，如图2（b）所示，在HV中使用热泵可通过减少发动机怠速时间来产生热量，从而提高发动机效率。
图2 传统混合动力汽车和带有热泵的系统中能量产生的路径
系统描述
图3显示了传统HV的冷却液回路，这是与带热泵的优化系统的燃油经济性进行比较的基准系统。在传统系统中，来自发动机的废热被输送到发动机和加热器芯，以提供热舒适性。图4显示了提出的冷却液回路，该回路带有水冷冷凝器，热泵产生的热量通过制冷剂输送到该冷凝器，冷却液回路使用切断阀控制来自发动机和热泵的热流，切断阀在集成冷却液回路和独立冷却液回路之间切换。在集成冷却液回路中，来自发动机的废热和热泵产生的热量在同一回路中使用，在独立冷却液回路中，发动机冷却液回路与热泵冷却液回路分开，而且两者之间没有热量传递。为了降低燃油消耗并保持寒冷天气下客舱乘客的热舒适性，找到了一种管理发动机废热和热泵产生的热量以预热发动机并加热客舱的最佳方法。该系统的优点是，与传统系统相比，发动机停止冷却液温度较低，因此发动机停止时间更快。在传统系统中，目标发动机停止冷却液温度由座舱的热舒适性决定，在5°C的环境温度下冷启动时，目标发动机停止冷却液温度约为60°C。但是，在带热泵的系统中，目标发动机停止冷却液温度由发动机排放确定并设置为40°C，而座舱的热舒适性由热泵提供。然而，在带有热泵的系统中，热泵消耗的电能可能导致燃油经济性降低，因此，最小化热泵的电力消耗是优化的关键。
图3 常规混合动力汽车冷却液回路的布局
图4 带有热泵系统的冷却液回路布局
结果和讨论
传统系统和带热泵的系统的冷却液回路配置有一维商业软件，并与车辆模图（5）型相结合，模型中的混合动力系统采用第四代Prius。热泵有一个与环境空气进行热量交换的蒸发器，以及一个水冷式冷凝器。蒸发器的尺寸与传统系统中的冷凝器相同，水冷式冷凝器不是亚冷式冷凝器，电动压缩机是由Denso制造的ES27。在一维模型中，计算了压缩机的电功率以及水冷式冷凝器和蒸发器的加热能力，这三个参数随环境条件（如环境温度和速度）而变化。
图5 带热泵系统的一维热管理模型
热管理概念
优化控制系统需要考虑对混合动力汽车燃油经济性有影响的参数，如图6所示。燃油经济性由发动机转速和扭矩决定，在HV控制系统中进行了优化，用于优化的条件包括车速、发动机停止时间和压缩机电功率。发动机停机时间在很大程度上取决于发动机冷却液温度。压缩机的电功率受水冷冷凝器的加热能力的影响，水冷冷凝器用于获得与传统系统中相同的进口加热器芯冷却液温度。此外，由于电路的切换，发动机冷却液温度和进气加热器芯温度相互影响，因此，应注意发动机冷却液温度和进气加热器芯温度。这两个温度之间的关系导致图7所示的三个系统阶段，阶段1是发动机冷却液温度达到40°C以完成发动机预热的阶段；阶段2是空调鼓风机接通以加热座舱且目标加热器芯冷却液温度超过发动机冷却液温度的阶段，目标加热器芯冷却液温度设置为与传统系统
中相同的温度，以获得相同的座舱加热器性能；阶段3是发动机冷却液温度升高的阶段超过目标加热器芯冷却液温度。在这三个阶段中，研究了冷却液回路之间切换的时间、发动机和热泵的热量利用方式以及每个冷却液回路的流量，以最大限度地降低燃油消耗。热泵热管理的优化问题如图6所示。
图6 带有热泵的HV中影响燃油经济性的参数之间的关系
图7 带有热泵系统的三个过程
图8 带热泵热管理的优化问题
热管理优化
优化评估需要了解燃油经济性和单个冷却液温度的影响，如表1所示，比较了冷却液回路固定到集成冷却液回路和冷却液回路固定到独立冷却液回路的情况。发动机停机冷却液温度设置为40°C，这对于两种情况下的发动机排放都是必要的。控制热泵的压缩机转速，以获得与传统系统相同的入口加热器芯温度，如图9所示。情况1中，加热器芯的冷却液流速为10 L/min，排气热再循环为6 L/min，以避免冷却液沸腾，发动机需要18L/min的流量，因为节气门中的流量被添加到加热器芯和EHR的流量中。情况2中加热器芯的冷却液流速为10 L/min，与情况1相同，发动机的冷却液流速降低到3 L/min，即最小冷却液流速。两种情况下的初始荷电状态（SOC）均设置为60%。图10显示了这两种情况的结果。图10（d）中所示的车辆能量表示瞬时燃油消耗量乘以较低的热值，与蓄电池消耗的功率相加。两种情况下车辆能量的差异表明，在给定的时间内，哪些情况可以用较少的能量进行控制。在第1阶段，使用发动机余热预热发动机的独立回路具有更好的燃油经济性，因为发动机流速越低，发动机冷却液温度上升越快，从而发动机停机时间越短。相比之下，在集成电路中，由于发动机的废热被输送到加热器，因此降低了功耗，但发动机停止时间越快，对燃油经济性的影响就越大；在第2阶段，独立回路具有更好的燃油经济性，因为热泵产生的座舱热量只会降低压缩机的电功率；在第3阶段，集成电路具有更好的燃油经济性，因为座舱热量由发动机的废热提供，热泵不需要产生热量。本案例研究提供了热管理的粗略优化，但也提出了如果热泵无法满足入口加热器芯的目标冷却液温度，在第2阶段会发生什么的问题。这个问题适用于非常低的环境温度，因为热泵的容量随着环境温度的下降而降低，为了克服这个问题，选择了集成电路，设置了更高的发动机停机温度，并将发动机余热与热泵产生的热量结合起来，以达到入口加热器芯的目标温度。
表1 仅适用于集成电路和独立电路控制方法
图9 与传统车辆相同的加热器性能的目标入口加热器芯冷却液温度
图10 情况1和情况2的结果比较
如图11所示，使用热泵产生热量比使用发动机更有效。因此，发动机停机冷却液温度应在满足目标温度的范围内尽可能低。例如，在-5°C的环境温度下，以最大容量运行的热泵不符合入口加热器芯的目标温度。因此，如表2所示，集成电路用于将来自热泵的热量与来自发动机的废热相结合，以达到该目标温度。发动机停机冷却液温度的参数研究如图12所示。这些结果表明，通过结合发动机和热泵，满足目标温度的最低发动机停机冷却液温度为50℃。
图11针对传统系统和带热泵系统的1g燃油消耗量，比较产生的热量
图12 环境温度为-5°C时第2阶段发动机停止冷却液温度的参数研究
为了总结案例研究，根据热泵的容量和发动机的废热容量优化了热管理，如图13所示。发动机余热容量过剩或不足之间的差异决定了发动机余热是否能够达到座舱加热器性能的目标。相同的定义适用于热泵的过剩和短缺容量之间的差异。根据发动机预热条件、发动机工作点（发动机转速和发动机扭矩）和目标进气加热器芯温度判断废热容量是否过量或不足。如图14所示，热泵的容量高度依赖于环境温度，因为它从环境空气中泵出热量。热泵的过剩或不足容量由环境温度决定，因为座舱的目标加热器性能也由环境温度决定。此外，由于前端蒸发器结霜或压缩机中的机油再循环减少，热泵不能在非常低的温度下使用。
图13 使用热泵容量和发动机废热容量的方法
图14热泵容量过剩、不足或无容量的示例
试验
使用第四代Prius制造了一辆原型车，以验证优化系统，并将燃油经济性与传统系统进行比较。除了通过研究一维热模型发现的优化控制外，还对该系统的高压控制进行了优化，并同步了发动机和热泵的开启时间。HV控制的优化涉及增加蓄电池充电的目标功率，以获得更快的发动机停机时间。图22和23显示了发动机和热泵启动同步的详细信息。在加热器芯冷却液温度达到40°C之前，空调鼓风机不会打开。因此，如果加热器芯冷却液温度达到40°C的时间没有改变，则在空调鼓风机打开之前，无论加热器芯的温升更快或更慢，加热器性能都不会改变。使发动机接通与热泵接通同步可减少能量损失，因为热泵的能量直接由发动机产生，而无需使用蓄电池。
图15空调鼓风机启动前压缩机转速控制的最佳方式
图16 以最佳方式传输至压缩机的功率路径
燃油经济性与热舒适性
到目前为止，我们的注意力局限于具有与传统高压系统相同的座舱加热器性能，并提高燃油经济性。然而，热泵的另一个特点是快速预热，因为热泵能够将电能快速转换为热能。因此，与使用发动机余热的传统加热系统相比，座舱的加热速度更快。图17显示了燃油经济性改善与达到中性热舒适的相对时间之间的关系。如图所示，当燃油经济性与传统混合动力系统相同时，达到中性热舒适的时间减少一半，燃油经济性和热舒适性的平衡点可以根据用户的喜好进行优化。
图17燃油经济性与热舒适性
结论
通过使用一维热力车辆模型，找到了在寒冷天气下控制高压发动机和热泵并最小化燃油消耗的最佳方法。冷却液回路之间的切换改变了发动机和热泵的热流，这种热管理可降低发动机停机冷却液温度，缩短发动机停机时间，从而提高燃油经济性。发动机冷却液温度和进气加热器芯温度之间的关系导致三个系统阶段。阶段1是发动机冷却液温度达到40°C以完成发动机预热的阶段；阶段2是空调鼓风机接通以加热座舱且目标加热器芯冷却液温度超过发动机冷却液温度的阶段；目标加热器芯冷却液温度设置为与传统系统中相同的温度，以获得相同的座舱加热器性能；阶段3是发动机冷却液温度超过目标加热器芯冷却液温度的阶段。在这三个阶段中，研究了冷却液回路之间切换的时间、发动机和热泵的热量利用方式以及每个冷却液回路的流量，以最大限度地降低燃油消耗。优化的控制系统随热泵的热容量而变化。根据热泵的热容量和目标加热器的性能，控制系统分为三种模式。如果热泵的热容满足目标加热器性能（模式A），座舱加热使用热泵的热容，目标发动机停止冷却液温度由发动机排放确定。如果热泵的热容不符合目标加热器性能（模式B），座舱加热将使用热泵的热容和发动机的余热，并且目标发动机停止冷却液温度应尽可能低，同时仍符合目标。如果由于前端蒸发器结霜（模式C）而无法使用热泵，则座舱加热使用发动机的余热，该系统与传统混合动力系统相同。这三种模式主要由环境温度决定，热泵容量和目标加热器性能高度依赖于环境温度。我们使用原型车辆验证了该系统。除了通过研究一维热模型发现的优化控制外，还对混合动力系统控制进行了优化，并同步发动机和热泵的开启时间，以减少电池中的能量损失。结果表明，在5°C的环境温度下，发动机停机时间缩短300秒，燃油经济性提高10%。
参考文献：Okamoto, K.;Aikawa, H.;Ohmikawa, M.;Hayashi, K..Thermal management of a hybrid vehicle using a heat pump(Conference Paper)[J].SAE Technical Papers,2019,Vol.2019
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