某纯电动汽车空调采暖性能试验研究

纯电动汽车空调制热系统主要采用结构简单、升温快的PTC热敏电阻，但是使用过程会消耗大量的电能，严重影响车辆的续航里程。为了减小冬季空调采暖对续航的影响，同时提高采暖性能，可以增加辅助加热装置。本文对某配备柴油辅助加热装置的纯电动车型的采暖性能进行试验分析，试验结果表明，辅助加热装置提高车辆采暖性能的同时能大幅提升车辆的续航里程，为电动汽车空调采暖系统设计提供重要参考。

关键词：电动汽车 辅助加热 PTC 热泵空调

作者：赵培生 莫伟标 李泽艺 孙建忠

来源：汽车工业研究

在汽车产业“新四化”以及环保要求愈发严格的趋势下，电动化已然成为了汽车未来发展的方向。但是由于对续航里程的焦虑，市场中纯电动汽车的推广仍然存在较大的瓶颈，电动汽车的普及率仍然较低。在电动车的使用过程中，除了驱动电机消耗主要的电量，汽车空调系统的能耗对整车续航里程也有较大的影响。尤其在寒冷的冬季，电动汽车需要消耗大量的电能来保证车内环境的舒适性[1]。

和传统的内燃机汽车相比，电动车靠电机驱动，没有发动机余热采暖，必须通过消耗电池的能量供热，冬季电动汽车空调系统的能耗占电池容量的20%-30%，直接影响电动汽车的续航里程[2]。因此，开发高效节能的空调采暖系统具有重要意义。

目前大多数纯电动汽车采用体积小、系统可靠性高的PTC热敏电阻加热的方式，但是系统效率低于1，能耗高，而且采暖性能效果并不理想，如果想得到较好的采暖性能就必须选用功率较高的PTC，这势必造成更大的能量损耗，缩短车辆的续航里程[3]。

随着热泵空调技术的不断成熟，该技术在一些中高端车型也得到了广泛应用。热泵空调虽然系统效率比PTC高，但在低温下的采暖性能较差，当环境温度低于-10℃时，热泵空调就停止工作[4,5]。在环境温度更低的地区，两种采暖方式都难以提供很好的采暖性能。因此，如何提高低温环境下纯电动汽车的采暖性能具有重要的意义。本文对采用PTC+柴油辅助采暖的某纯电动汽车进行低温采暖试验，验证其采暖性能，及柴油辅助加热对续航的改善效果。

01纯电动汽车的采暖系统分析

和传统的燃油车不同的是，纯电动汽车没有发动机冷却液提供热源，因此，需要消耗电池能量供热。电动汽车空调系统暖风常见的方案如下[6]：

PTC热敏电阻采暖系统

PTC电加热采暖系统是采用PTC热敏电阻元件为发热源的一种加热器。PTC热敏电阻是用半导体材料制成的，它的电阻随温度变化而急剧变化，当外界温度降低，PTC电阻值随之减小，发热量反而会相应增加。下页图1为PTC热敏电阻采暖系统原理图[7]。

由图1可知，冷却液经PTC加热器加热后进入空调暖风芯体，空气通过暖风芯体被加热后直接吹入车内，实现车内采暖功能。PTC热敏电阻元件因具有随环境温度高低变化，其电阻值随之增加或减小的变化特性，所以PTC加热器具有节能、恒温、安全和使用寿命长等特点，现已被广泛应用于纯电动汽车。

热泵采暖系统

热泵是一种可以将低位热源的热能强制转移到高位热源的空调装置，类似可以将低处的水泵到高处的“水泵”。使用四通换向阀可以使热泵空调的蒸发器和冷凝器功能互相对换，改变热量转移方向，从而达到夏天制冷冬天制热的效果。图2为某电动汽车热泵式空调系统原理[8]。

热泵的理论基础来源于热力学逆卡诺循环，热泵型空调系统的制冷和制暖，均采用专用的电动压缩机驱动制冷或制热循环，其中冬季采暖时不再像现有电动空调这样只采用PTC制热，而是使用电动压缩机驱动实现制热。

热泵空调虽然系统效率比PTC高，但在低温下的采暖性能较差，当环境温度低于-10℃，热泵空调就不工作。为了保证车辆有较好的采暖性能和能量消耗，许多车采用PTC+热泵空调的组合采暖方式。当环境温度较高时，主要热泵空调工作，PTC辅助制热；当环境温度较低时，热泵空调不工作，此时只有PTC制热，这就导致在温度较低的环境下，如果要保持车内温度的舒适性，PTC就要一直大功率的运行，消耗大量电能，大大缩减车辆的续航里程。PTC+柴油辅助采暖的模式可以提高车辆的低温采暖性能，又能保证车辆的续航不会大幅减少。本文对采用PTC+柴油辅助采暖的某纯电动汽车进行低温采暖试验，验证其采暖性能。

02采暖性能试验分析

按照 GB/T 12782-2007 要求整备车辆进行寒区道路试验[9]。为了验证车辆在低温环境下的采暖性能，本试验在-15±2℃的环境下进行开展。

试验准备

记录试验过程中温度测点的温度，各温度监测点位置及数量如表 1 所示。

试验过程中用于数据采集的设备包括：K 型热电偶、P-BOX、日光强度传感器、环境湿度传感器、多通道数据记录仪和车辆总线工具，数据采集频率设置为 1Hz，仪器描述及测点如表2所示。

试验过程中，空调模式设置如表 3所示。

为了消除其他因素对试验结果的影响，试验开始前将车辆放在室外浸车12小时，使电池温度、暖风进出水温度和环境温度保持一致，同时试验在无光照的条件下开展。

试验结果分析

试验在冰封湖面的覆雪道路上开展 ， 按照国标GB/T 12782- 2007要求，以60km/h的车速行驶35分钟。空调按表3进行设定，分别以单独PTC采暖，PTC+柴油辅助采暖的模式进行试验。

单独 PTC 采暖模式试验数据如图3-图5所示。

PTC+柴油辅助采暖模式试验数据，如下页图6-图8所示。

由图3和图6可知，试验开始时车内温度较低，为了快速升温，在两种模式下，PTC大功率运行，暖风进水温度升温较快，使足部出风口温度快速上升。试验过程中，在PTC+柴油辅助采暖的模式下，车内温度升温更快， 热舒适性更好。综合图3-图8可知， 试验开始前5分钟，两模式下，暖风芯体进水温度快速上升，但PTC+柴油辅助采暖的模式升温速度更快，温度更高，足部出风口温度和足部判定点温度也较高，整体采暖性能也更好。

为了验证PTC+柴油辅助采暖的模式对车辆采暖和续航的综合性能的影响，分别进行低温开/关柴油辅助加热系统的实地续航试验，验证柴油辅助加热系统对车辆采暖和续航性能的影响。试验过程的能耗对比如下页图9所示。

试验过程中，开启柴油辅助加热工况下车内升温明显较快，采暖性能较好，且从图 9 可知，开启柴油辅助加热系统 PTC 耗能降低 35%，电机耗能增加32%，续航里程提升22%。试验结果表明，在低温环境下， 采用PTC+柴油辅助采暖的方式使车辆快速升温，车辆热舒适性较好，由于PTC加热消耗的电量减少，车辆的续航里程提升明显。因此，PTC+柴油辅助采暖的模式在低温环境下对车辆的性能提升明显。

03结论

本文对某配备柴油辅助加热装置的纯电动车的采暖性能进行试验分析，试验结果表明，虽然柴油辅助加热系统使用过程中会产生废气排放，与纯电动汽车的零排放理念相违背，但能提高低温环境下车辆的采暖性能，同时能大幅提升车辆的续航里程，对车辆的性能提升显著[10]。因此，对于温度较低的情况下，可采用PTC+柴油辅助加热的模式采暖；温度较高时，用PTC+热泵空调的模式采暖来保证车辆的采暖性能和车辆的续航，为电动汽车空调采暖系统设计提供重要参考。

【参考文献】

[1]庄幸,姜克隽.我国纯电动汽车发展路线图的研究[J].汽车工程,2012,034(002):91-97.

[2]张子琦,李万勇,张成全等.电动汽车冬季负荷特性研究[J].制冷学报,2016,37(5):39-44.

[3]杨君.纯电动汽车PTC水暖加热器结构设计及其控制系统研究[D].华中科技大学,2016.

[4]张皓,赵家威,施骏业等.电动汽车热泵空调系统采暖性能的试验研究[J].制冷技术,2017(3).

[5]欧阳东.纯电动汽车热泵空调与电池交互热管理系统研究[D].华南理工大学,2013.

[6]兰娇,苏林,方奕栋等.电动汽车低温环境下采暖方式探讨[J].能源工程,2019,000(003):67-71.

[7]杨君.纯电动汽车PTC水暖加热器结构设计

及其控制系统研究[D].华中科技大学,2016

[8]彭发展,魏名山,黄海圣,等.环境温度对电动汽车热泵空调系统性能的影响[J].北京航空航天大学学报,2014,40(012):1741-1746.

[9]GB/T12782-2007.汽车采暖性能要求和试验方法[S].

[10]戴天禄,隋航,周博雅等.不同环境温度下纯电动汽车续航里程测评方法研究[C]//2019中国汽车工程学会年会论文集(4).2019.