使用热泵对混合动力汽车的热管理

摘要

     本文介绍了在寒冷天气下利用热泵系统对混合动力汽车(HV)进行热管理的方法。混动汽车的优势之一即通过电机和发动机的耦合及最优控制提供给车辆系统的高效率。然而，传统混动汽车在寒冷的天气下，会使用发动机向客舱输送热量，因而降低车辆系统的效率，降低燃料经济性。本研究以热泵与发动机相结合的方式对汽车进行热管理，以求尽小降低燃料的经济性。热泵装配着电动压缩机，将环境热量泵入水冷式冷凝器。因为发动机需要迅速升温以减少排放，客舱需要热量来提供热舒适，所以发动机及热泵产生的热量会被输送到发动机和客舱。为了控制来自发动机和热泵的热流在冷却剂回路之间进行切换，需要寻找一种最佳控制方法以减少燃料消耗。为此，采用一维流热仿真进行优化，并在原车上测试了优化后系统的燃油经济性。与传统混合动力汽车发动机相比，优化后的系统燃油经济性提高了10%。

前言

     影响燃油经济性的因素有很多，其中环境温度的季节性变化的影响比较大。在炎热的天气里，为了给客舱降温，需要消耗燃油，同时在寒冷的天气中，热量被输送到发动机和客舱，这些额外的能量消耗导致燃料经济性下降。图1显示了内燃机(ICE)汽车和混合动力汽车相对于环境温度的燃油经济性衰减情况。寒冷环境中燃油经济性的下降相对热环境的要大，在混合动力汽车上尤为明显。如图2所示，在寒冷天气下，发动机的延时停止是混动汽车燃油经济性下降的主要因素。对于混动汽车，实现高燃油经济性的一项关键技术就是发动机在车辆空转或减速时的停止能力。一般来说，其发动机可以在冷却液温度超过指定温度后停止运行。寒冷环境中，达到这一温度需要更长的时间，因为机舱加热将目标温度改变了40°C到60°C，这推迟了发动机的停止，并导致更大的燃油经济性衰减。未来，随着发动机效率的提高，发动机的废热将会减少，因而寒冷环境下的燃油经济性将继续恶化。

图1 混合动力汽车和内燃机汽车的季节性燃油经济性

图2 传统混合动力汽车的发动机转速和冷却液温度

图3 传统混动车和热泵系统中产生的热量路径

图4 传统混动车热泵系统中的发动机作用点

图5 传统系统和热泵系统产生的热量与1克燃料消耗的对比

图6 利用热泵提高燃油经济性的方法      热泵在汽车工业中已被采用，并有很多研究对其进行了讨论。热泵的主要应用是在电动汽车，如日产聆风和宝马I3在插电式混动车上也有应用，比如无发动机废热系统的丰田插电式普锐斯。热泵比PTC加热器的效率更高，因此在寒冷的天气中，使用热泵可以减少客舱的能源消耗，以延长电动汽车的里程。对于在ICE和HV中将发动机与热泵相结合，Moon等人提出了一种热泵系统，通过水-制冷剂交换器将发动机的废热泵出，以提高客舱加热器的性能。Meyer 使用热泵更快地加热了客舱。然而，在寒冷天气下，通过控制发动机和热泵的热量来提高燃料经济性的混动汽车的热管理研究还很少。本文介绍了在寒冷天气下使用热泵对混动汽车进行热控制。通过使用一维传热仿真，找到了发动机和热泵的最优控制方法，并对采用优化系统的原车进行了燃油经济性测试。

图7 传统HV冷却液回路布局(基准)

图8 带热泵系统的冷却液回路布局

图9 带热泵系统的一维热管理模型

图10 带热泵HV燃油经济性有影响的参数之间的关系

图11 三个阶段的系统与热泵

图12 热泵热管理优化问题

表1 集成电路和独立电路的控制方法

图13 入口加热器芯冷却液目标温度具有传统HV相同的加热器性能

图14 情况1和情况2结果的比较

图15 每个冷却回路的热容

表2 当热泵产生的热量不满足客舱加热器目标性能时的控制优化

图16 环境温度-5℃下阶段2发动机停机冷却液温度参数研究

图17 利用热泵的容量和发动机的余热容量的控制方法

图18 热泵容量过剩、不足或无容量的情况

图19 模式A的优化控制方法

图20 模式B的优化控制方法

图21 模式C的优化控制方法

图22 风机启动前压缩机转速控制的最佳方式

图23 以最佳方式将动力传送到压缩机的路径

图24 基准与优化后的H/P系统比较

图25 原型车实验结果

图26 燃油经济性提高与热舒适性提升

表3 使用热泵系统节省燃料和减少二氧化碳

表4 使用热泵系统的普锐斯、凯美瑞和RAV4的燃油经济性和二氧化碳减少

实际油耗测试      表3展示了普锐斯在城市公路、高速公路和联合驾驶中对燃油经济性的改善和二氧化碳的减少效果。这个结果包括5个循环((LA#4, Hwy, US06, SC03，和Cold CO)。在修订的5个循环中，Cold CO的AC设置更改为自动25°C。燃油经济性提高2.4%，二氧化碳排放量减少3.8 gpm CO2。表4显示了其他车型(凯美瑞HV和RAV4 HV)的燃油经济性提高和二氧化碳排放量减少。凯美瑞HV和RAV4 HV的预估碳排量分别为3.3 gpm CO2和2.1 gpm CO2。

结论      

通过使用一维热车辆模型，找到了在寒冷天气下控制混动汽车发动机和热泵并将燃料消耗最小化的最佳方法。冷却回路之间的切换改变了发动机和热泵的热流。这种热管理实现了发动机停止冷却液温度的下降和更快的发动机停机时间，以提高燃油经济性。发动机冷却液温度与入口加热器芯温度之间的关系呈三个阶段。阶段1是发动机冷却液温度达到40℃之前完成发动机预热的阶段。阶段2是鼓风机打开后加热机舱和加热器芯冷却液目标温度超过发动机冷却液温度的阶段。加热器芯冷却液目标温度设置为与传统系统中相同的温度，以获得相同的舱室加热器性能。阶段3是发动机冷却液温度超过加热器芯冷却液目标温度的阶段。在这三个阶段中，研究了冷却液回路之间切换的时机、分配发动机和热泵热量的方式以及每个冷却液回路的流量，以使燃料消耗最小化。优化后的控制系统随着热泵热容的变化而变化。控制系统根据热泵的热容和目标加热器性能分为三种模式。如果热泵的热容量满足目标加热器性能(模式A)，机舱加热使用热泵的热容量，发动机停机冷却液目标温度由发动机排放决定。如果热泵的热容不能满足加热器的目标性能(模式B)，机舱加热既利用热泵的热容又利用发动机的余热，在仍然满足目标的情况下，发动机停机冷却液目标温度应尽可能低。如果由于前端蒸发器结霜(C型)导致热泵无法使用，机舱加热使用发动机余热，系统与传统HV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容度依赖于环境温度。实验中使用一辆原型车验证了该系统。除了通过一维热模型研究得到的优化控制外，还对HV系统的控制进行了优化，并使发动机和热泵启动的时间同步，以减少电池的能量损失。结果表明，在5°C的环境温度下，发动机停止时间缩短了300秒，燃油经济性提高了10%。