據(jù)統(tǒng)計, 交通運輸領域碳排放量占整個經濟社會碳排放總量的30%左右,并仍保持高速持續(xù)上漲趨勢. 一方面, 電動車具有巨大的儲能作用, 可以削峰填谷. 目前我國乘用車保有量約3億, 如果全部換成電動車, 每輛車平均電量為65 kW h, 則車載儲能容量約為200億kW h, 與中國每年消費總電量基本相當. 若其中10%的車輛同時按50 kW充電, 則總功率與全國電網裝機功率相當. 電動車的發(fā)展對不穩(wěn)定、不持續(xù)的新能源電力具有重要的促進作用, 對碳達峰、碳中和目標具有重要意義. 另一方面, 僅就車輛熱管理領域而言, 目前乘用車大量使用的氟利昂類制冷工質具有高溫室效應, 按照一輛乘用車熱管理系統(tǒng)充注R134a約0.7kg計算, 全國車輛的當量碳含量約為2.8億噸, 因此,在碳中和背景下, 車輛熱管理系統(tǒng)的低碳化技術研究至關重要.
面向能源安全及氣候變化等多方面的挑戰(zhàn), 車輛(包含乘用車、商用車及軌道車輛)的新能源化已成為肩負未來出行、產業(yè)發(fā)展、能源安全、空氣質量改善等多重歷史使命的國家戰(zhàn)略. 目前, 全球累計銷售新能源汽車超過1100萬輛, 截至2020年12月, 我國新能源汽車銷售量已超550萬輛, 且仍保持快速上漲的趨勢, 市場需求急劇上升. 從熱管理技術角度來看, 通過制冷及熱泵技術的完善, 發(fā)展車輛綠色低碳熱管理方法, 提升熱管理效率, 提高電池、電機的溫度控制精度, 創(chuàng)造更舒適的車內環(huán)境, 成為打造我國乃至全球范圍內更安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保的未來新能源汽車最重要的環(huán)節(jié)之一.在制冷領域, 自從《<蒙特利爾議定書>基加利修正案》簽訂并實施以來, 削減當量碳排放、有效延緩全球變暖成為制冷行業(yè)最熱門的話題. 而國際制冷學會的調研指出, 全球制冷行業(yè)造成的當量碳排放(或全球變暖效應)中37%來自各種含氟制冷劑的泄漏, 另外63%來自運行過程的電能消耗. 這意味著, 削減制冷行業(yè)當量碳排放只存在兩條基本路線: 強溫室效應制冷劑的替代與制冷系統(tǒng)能效的提升.在新能源汽車熱管理產業(yè)中,目前廣泛應用的HFC(hydrofluorocarbon)制冷劑具有極高的溫室效應指數(shù)(global warming potential, GWP, 通常為CO2的1000~2000倍), 環(huán)境效益不佳. 另外, 考慮到新能源汽車中發(fā)動機余熱的缺失, 常規(guī)制冷系統(tǒng)冬季需切換為熱泵模式運行, 供給車輛制熱需求, 但HFC制冷劑在低環(huán)境溫度工況下(?10°C以下)通常會出現(xiàn)強烈的制熱量衰減, 需要配合PTC(positive temperature coefficient,相當于電加熱)共同使用, 能效指數(shù)較低. 據(jù)國際制冷學會統(tǒng)計, 為應對全球人民日益增長的生活需求, 全球在運營中的制冷設備已超過50億套, 其中移動式車載空調(包括乘用車、商用車及客車)超過10億套, 產業(yè)基數(shù)已達到家用空調的數(shù)量水平. 因此, 對于目前廣泛應用的HFC制冷劑及其系統(tǒng)來說, 從節(jié)能(能效大幅提升)和減排(強溫室效應氣體排放量削減)兩個方面發(fā)展交通運輸領域相關制冷及熱泵技術, 促進車輛熱管理行業(yè)的技術升級與綠色發(fā)展, 打造電動、清潔的出行方案, 對于我國實現(xiàn)“2030碳達峰、2060碳中和”的偉大目標具有重要意義.近年來, 新能源汽車行業(yè)在全球范圍內的發(fā)展如火如荼, 但依舊面臨續(xù)航里程不足、安全事故頻發(fā)等諸多問題. 相比于傳統(tǒng)燃油車, 新能源汽車行業(yè)對整車熱管理系統(tǒng)提出了更加精細、嚴格的要求.在常規(guī)運行狀態(tài)下, 新能源汽車(乘用車、商用車及軌道車輛均包含在內)的熱負荷主要來自5個方面:新風熱負荷、圍護結構熱負荷、車內人員熱負荷、太陽輻射熱負荷、車內設備熱負荷. 制冷及制熱條件下的車廂熱負荷計算方法為
目前常用的新能源汽車電池通常為鋰電池, 其充電與放電的實質是鋰離子的遷移過程. 充電時, 電池正極生成鋰離子, 經電解液運輸穿過隔膜到達負極, 嵌入負極碳層中. 整個過程中的正極反應、負極反應及等效電池反應如式(3)~(5)所示. 伴隨著快充技術的普及, 電池充電過程中能量密度急劇上升, 亟需良好的熱管理手段進行干預, 否則存在較大的安全隱患.
類似地, 電池放電時, 鋰離子從負極脫出, 再運動回正極, 過程中同樣伴隨著歐姆熱、電化學反應熱和極化熱等現(xiàn)象, 也必然引發(fā)電池溫度上升. 電池產熱模型一般可分為電化學-熱耦合模型、電-熱耦合模型和熱濫用模型. 目前最常用的電池產熱模型為Bernardi等人的產熱率模型:
電池溫度過量上升將帶來電解液分解、負極熱分解、膜分解反應、正負極與電解液反應等異常化學變化, 大大增加電池熱失控及熱失控蔓延風險, 嚴重威脅車上人員的生命安全. 研究顯示, 鋰離子電池最適宜的工作溫區(qū)為20~40°C, 因此除了高溫運行條件下的制冷需求外, 低溫運行或低溫啟動條件下電池系統(tǒng)同樣存在顯著的制熱需求.另外, 除了常用的鋰電池之外, 近兩年間氫燃料電池發(fā)展極為迅速, 但氫燃料電池適宜的工作溫度范圍為60~90°C, 過低或過高的溫度同樣會造成電池性能的衰減甚至嚴重的安全隱患, 其使用過程中更加需要妥善的熱管理措施進行監(jiān)管.驅動電機及其電控系統(tǒng)是新能源汽車最主要的動力來源, 也是車內最核心的部件之一. 電機工作過程中會產生大量機械損耗(各種機械部件之間的摩擦)與電磁損耗. 電機電磁損耗的精確計算需要用到有限元分析法, 但實際中通常采用空載實驗法進行測試.新能源汽車中的電控系統(tǒng)通過半導體、微處理器等器件實現(xiàn)對車用空調壓縮機、閥件、轉向助力泵電機等進行調控的功能. 電機控制器和直流轉直流(direct current to direct current, DC-DC)元件是產熱的主要來源, 例如絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar translator, IGBT)元件的平均熱損耗率為5%.新能源汽車熱管理系統(tǒng)實現(xiàn)方案的發(fā)展汽車車室空調主要目標是保障乘員的舒適性以及擋風玻璃的安全性. 其主要包含以下4種功能: (1) 采暖和制冷功能; (2) 過濾、通風和換氣功能; (3) 濕度控制與調節(jié)功能; (4) 除霧與除霜功能.汽車車室空調的實現(xiàn)形式主要有直接式、間接式、半直接式等. 直接式空調的前端模塊以及空調箱均與空氣直接換熱, 而半直接式和間接式則有部分或全部換熱器采用載冷劑二次回路的實現(xiàn)形式. 直接式空調一般效率高, 而間接式空調制冷劑的側系統(tǒng)構造簡單, 且可以防止制冷劑向乘員艙泄漏引發(fā)安全隱患, 適用于可燃、微可燃型工質系統(tǒng). 關于間接系統(tǒng), 有學者提出采用冰蓄冷的方式提升二次回路式車室空調系統(tǒng)降溫過程的功耗以及達到車室舒適條件的時間, 但考慮到二次回路本身成本、重量的增加以及性能上的損失, 這種循環(huán)方式在車輛應用領域的推廣程度始終不高. 具體的實現(xiàn)形式因車型及需求不同有所變化, 本文不再贅述.在傳統(tǒng)燃油車中, 由于冬季可以采用發(fā)動機余熱進行供暖, 因此車室空調僅考慮夏季制冷應用即可. 但對于純電動汽車而言, 發(fā)動機余熱的缺失導致車輛冬季供暖需求尤為緊迫. 目前主流的供熱方式有高壓電加熱和熱泵供熱兩種技術. 根據(jù)冬季制熱方式, 目前的新能源汽車的車室空調系統(tǒng)可分為單冷空調加完全電加熱系統(tǒng)、熱泵空調加輔助電加熱系統(tǒng). 考慮到新能源汽車中電池、電機與電控系統(tǒng)的溫度同樣需要精確管理, 通常意義上的熱管理系統(tǒng)應該是車室空調與三電熱管理的耦合系統(tǒng).單冷空調+PTC是較為簡單的新能源汽車車室冷熱供應方式, 基本可沿用燃油車系統(tǒng), 是目前新能源汽車應用較為普遍的空調系統(tǒng)形式. 其主要形式與傳統(tǒng)燃油車較為相似, 圖1為單冷車室空調匹配完全電加熱PTC供暖方式的系統(tǒng)原理圖. PTC電加熱的******優(yōu)點是結構與控制簡單、成本較低; 但加熱效率永遠小于1,冬季制熱時需要消耗大量的電池能量, 直接導致續(xù)航里程的嚴重衰減. PTC電加熱系統(tǒng)按使用方法可分為PTC風暖和PTC水暖兩種形式. 其中PTC風暖是電加熱直接加熱空氣, 結構簡單、加熱溫度高, 但具有一定的安全隱患; PTC水暖方法是利用PTC模塊加熱冷卻液,再通過冷卻液加熱空氣, 雖然安全系數(shù)較高, 但系統(tǒng)比較復雜, 加熱溫度也相對較低.
圖1 單冷空調系統(tǒng)加完全電加熱系統(tǒng).PTC通常是直接消耗電能進行采暖的方式, 其電能利用能效比小于1, 電能的大量消耗對續(xù)航里程產生較大影響. 因此, 為提高車室空調能效比, 借鑒家用空調的使用模式, 熱泵在車室空調中逐步得到關注和應用.然而, 傳統(tǒng)的氟利昂類熱泵在低溫環(huán)境下制熱量驟減,難以滿足車室采暖需求, 因此衍生了熱泵空調+PTC的系統(tǒng)形式. 熱泵的系統(tǒng)形式呈現(xiàn)多樣化性, 主要通過閥件的組合、換熱器的組合等形式實現(xiàn), 近年也逐漸產生了四通換向閥以及閥島等的實現(xiàn)形式. 不同車型、車企的熱泵實現(xiàn)形式也不盡相同, 但最終的目的都是實現(xiàn)空調箱內換熱器功能的轉化, 如圖2所示. 客車等商用車中通常采用四通換向閥等進行模式切換, 而乘用車空調目前主要采用三通閥的三換熱器系統(tǒng), 通過電動二通閥或電動三通閥實現(xiàn)制冷、制熱、除濕和蒸發(fā)器除霜模式的切換. 冬季制熱運行時, 車外換熱器(蒸發(fā)器)溫度可能低于室外空氣的露點溫度, 從而導致結霜現(xiàn)象, 當霜層太厚時需要進入除霜模式, 除霜模式的系統(tǒng)流程與夏季制冷模式一致. 乘用車除濕工況時,空調風系統(tǒng)先經過車內蒸發(fā)器降溫, 將空氣中的水蒸氣凝結排出, 再經過車內冷凝器加熱回溫后送回車室內, 達到除濕的目的.
圖2 熱泵空調系統(tǒng)加輔助電加熱系統(tǒng).(a) 四通換向閥切換模式; (b) 三通閥+三換熱器切換模式面對嚴寒工況、啟動過程等, 熱泵系統(tǒng)制熱能力通常受限, 還需額外布置PTC以備不時之需. 用于熱泵系統(tǒng)的輔助電加熱通常有兩種方式: 直接熱泵式系統(tǒng), 如圖3(a)所示, 風暖PTC與制冷系統(tǒng)內的車內冷凝器協(xié)同布置, 共同提供制熱量; 間接式熱泵系統(tǒng),如圖3(b)所示, 制冷系統(tǒng)在板式換熱器中向二次回路的循環(huán)流體放熱, 而二次回路循環(huán)流體與PTC、暖風芯體串聯(lián).
(a) 直接式熱泵空調系統(tǒng); (b) 間接式熱泵空調系統(tǒng)近年來, 隨著新能源汽車不斷向高能量密度、高能量轉換效率和高集成度的方向發(fā)展, 三電系統(tǒng)(電池、電動機、電控系統(tǒng))的熱管理需求與日俱增, 已經關系到新能源汽車整體的安全和效率問題, 促進了一體化熱管理系統(tǒng)的提出、升級和演化. 目前, 車輛熱管理問題存在多個并行獨立的方面, 可以將其總結為安全性目標、動力性目標、續(xù)航能力目標、舒適性目標、耐久性目標. 一般而言, 安全性目標為關鍵目標,動力性與續(xù)航能力目標為次級目標, 舒適性與耐久性目標為三級目標.根據(jù)車室空調與電池/電機溫控的不同組合形式,可構成不同的一體式熱管理系統(tǒng), 如車室空調+電池溫控并聯(lián)式熱管理系統(tǒng)(圖4(a))和車室空調+電池冷卻、電機余熱回收式熱管理系統(tǒng)(圖4(b)). 圖4(a)所示的系統(tǒng)工作原理為: 制冷劑系統(tǒng)增加了與蒸發(fā)器并聯(lián)的Chiller, 用于冷卻電池回路的冷卻液; 在乘員艙加熱用的水PTC回路上增加一個與暖風散熱器并聯(lián)的板式換熱器, 用以加熱電池回路的冷卻液. 這樣電池回路的冷卻液既有冷源又有熱源, 可以保證在全工況范圍內使動力電池處于相對合理的溫度區(qū)間, 動力電池的使用性能不會受到限制, 明顯提升了整車的使用體驗.
圖4 車室空調及熱管理系統(tǒng). (a) 車室空調、電池溫控并聯(lián)式熱管理系統(tǒng); (b) 車室空調、電池冷卻、電機余熱回收式熱管理系統(tǒng)更進一步地, 目前新能源汽車熱管理行業(yè)的發(fā)展趨勢是將乘員艙舒適性與電池、電動機、電控系統(tǒng)等部分的精確溫度管理進行深度耦合. 如圖4(b)所示, 乘員艙內的換熱器會額外并聯(lián)一路板式換熱器, 通過全通節(jié)流閥在全通模式與節(jié)流模式間的切換, 實現(xiàn)對乘員艙和電池包各自的加熱和冷卻作用. 同時, 電動機及其控制部件的熱管理也同樣耦合在整體回路中. 在溫度過高時, 可以通過室外散熱器散熱, 也可以通過制冷循環(huán)Chiller進行強效散熱; 而在冬季溫度過低時, 還可以通過冷卻介質串聯(lián)的方式為電池包提供預熱或加熱效果.在功能上, 新能源汽車熱管理系統(tǒng)的控制主要包含乘員艙的熱舒適性控制、電池電機和電子元件的溫度管理控制、擋風玻璃的除霜除霧安全性控制、制冷系統(tǒng)在不同路況和氣候條件下的模式切換與運行控制以及各模式下的故障保護控制. 新能源汽車熱管理控制系統(tǒng)的主要構成是傳感器、執(zhí)行器、控制器. 其中,傳感器大多由溫度傳感器和壓力傳感器構成, 而執(zhí)行器則以電動壓縮機和電子膨脹閥為核心, 還包括HVAC(heating ventilation air conditioning)鼓風機、冷卻風扇、電子水泵等周邊零部件.在控制方法及控制目標上, 傳統(tǒng)汽車的控制系統(tǒng)以舒適性為首要目標, 而新能源汽車因其能耗直接與可行駛里程相關, 控制系統(tǒng)不僅要關注舒適性, 更要兼顧節(jié)能效果. 新能源汽車熱管理系統(tǒng)控制的目的是在保證乘員艙舒適性, 電池、電機、電控溫度合理, 以及系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎上, 通過一定的控制手段, 充分實現(xiàn)整車的能量管控, 達到盡可能降低系統(tǒng)能耗、提高能量利用效率的目的. 一般地, 新能源汽車空調的控制系統(tǒng)包含3個層次的控制目標: 控制量的快速、穩(wěn)定、精準響應; 特定約束條件下的優(yōu)化問題; 控制系統(tǒng)的魯棒性及抗干擾能力.常用的新能源汽車熱管理系統(tǒng)控制從反饋類別上有開環(huán)控制和反饋控制之分: 開環(huán)控制即通過實驗標定的手段, 根據(jù)不同的運行工況直接給出明確的控制量參數(shù). 這種控制方法相對較為簡單, 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高, 但同時帶來了控制精度差、能耗高等問題, 在新能源汽車熱泵空調及熱管理領域的應用越來越少. 另一大類即反饋控制, 在控制過程中對具體控制量的參數(shù)值并不明確知曉, 而是通過目標量與控制量之間建立反饋邏輯關系, 從而對熱管理系統(tǒng)進行控制. 在愈趨復雜的新能源汽車控制體系中, 反饋控制的應用愈趨廣泛.新能源汽車熱管理系統(tǒng)常用的反饋控制方法包含啟停控制、PID(proportion integration differentiation)連續(xù)控制、局部模型預測控制(model predictive control,MPC)和全局MPC控制、結合其他智能算法的控制等.在這些控制當中, 啟停控制相對簡單, 建立控制目標的啟動閾值和停止閾值, 從而對諸如壓縮機、水泵、風機等執(zhí)行部件直接進行啟停控制, 以實現(xiàn)乘員艙或電池等熱管理的控制目標. 這類控制方法簡單、穩(wěn)定, 但精度差, 難以實現(xiàn)能耗管控, 故本文不作重點介紹.傳統(tǒng)PID控制作為一種經典的反饋控制, 很早就應用在汽車空調控制系統(tǒng)領域, 相關控制參數(shù)可以通過Ziegler/Nichols方法或其他方法獲取. 然而, 在應對變工況條件或者受到擾動時, PID反饋控制精度可能出現(xiàn)衰減, 尤其是受到汽車空調熱力學延遲以及制冷系統(tǒng)強非線性特征的影響, PID反饋控制的魯棒性可能出現(xiàn)劇烈惡化. 相比啟停控制, PID控制作為一種較為成熟的連續(xù)控制方法, 在新能源汽車熱管理領域有廣泛的應用. 但是, 汽車熱管理系統(tǒng)是一個高度非線性的熱力學系統(tǒng), 變工況條件下的PID控制通常會出現(xiàn)振蕩等控制失穩(wěn)的現(xiàn)象. 這是因為, 在單一乘員艙空調系統(tǒng)基礎上, 耦合加入電池、電機、電控的熱管理邏輯之后, 不同熱管理子模塊之間的熱力學特性相互耦合,PID控制的積分比例參數(shù)也需要相互配合; 然而, 應對寬工況運行條件, 單一的PID參數(shù)很難適應, 車廂溫度等目標量以及壓縮機轉速等控制量便容易產生振蕩,如果一味采取復合PID控制方法應對此類問題, 控制系統(tǒng)將會變得異常復雜. 為解決這一現(xiàn)象, 行業(yè)內衍生了諸如模糊控制、神經元網絡等耦合PID的控制方法、自整定PID控制方法等, 從局部緩解了多控量并存條件下引發(fā)的振蕩以及多目標之間的控制不協(xié)調現(xiàn)象.模型預測控制是一種基于模型預測的正向控制方法, 其基本控制流程主要由模型建立、預測發(fā)展、控制指令、反饋調節(jié)組成. 首先, 建立控制對象的理論模型(由偏微分方程構建的物理模型或由大量數(shù)據(jù)訓練的自學習模型), 監(jiān)控控制對象當前所處的系統(tǒng)狀態(tài);接著, 預測控制對象在接下來一段時間的發(fā)展, 根據(jù)一定的需求導向實施多時間步長內的前饋控制與動作指令; 最后, 通過實際熱力學系統(tǒng)的受控最優(yōu)運行狀態(tài),實時反饋熱力學參數(shù)給控制核心, 以便進行調節(jié)及下一段時間尺度內的預測. 由于該控制方法要嚴格基于一個準確的系統(tǒng)仿真模型而進行實施, 因此擅長解決同一系統(tǒng)內各個控制回路之間的耦合關系, 適宜于多輸入、多輸出條件的非線性系統(tǒng)中, 在汽車熱泵空調領域得到了一定程度的應用. 該方法不會過度依賴直接的信號反饋來調節(jié)執(zhí)行器的動作, 具有穩(wěn)定性高、響應速度快、尋優(yōu)能力強等特點.MPC控制依賴模型的建立. 新能源汽車熱管理系統(tǒng)復雜、模型變量多, 當前新能源汽車熱管理系統(tǒng)中MPC的控制以局部應用為主. 夏應琪采用MPC控制策略對電池加溫進行局部控制, 模型預測控制的約束條件為電池溫度控制精度以及其不同工況下的溫度范圍. 優(yōu)化的經濟性目標為PTC加熱的消耗電量, 同時引入松弛因子建立軟約束以防止固定約束而導致無可行解的現(xiàn)象. He等人針對新能源公共汽車乘客數(shù)量頻繁變動、熱負荷波動且不確定性大的熱管理系統(tǒng)控制問題, 建立了MPC控制策略. 如圖5所示, 通過預測人員負荷直接對空調系統(tǒng)進行控制, 可實現(xiàn)節(jié)能6%左右. 類似地, 在混合動力汽車涉及電機和發(fā)動機的雙重熱管理時, 傳統(tǒng)控制方法是根據(jù)駕駛員指令和車輛狀態(tài)進行反饋控制, 進而調節(jié)動力需求, 而盧鵬宇基于精確邏輯動力輸出控制策略, 在不同的動力系統(tǒng)功率輸出配比下, 建立了全局能耗和局部能耗的熱管理模型預測控制方案. 局部能耗控制方案的約束條件優(yōu)先保證發(fā)動機的熱管理精度和能耗最小化; 全局能耗優(yōu)化方案的約束條件將發(fā)動機和電機的熱管理需求及能耗通過耦合因子建立關系, 形成全局的約束目標. 這一方案也給純電動汽車的電機、電控、電池以及乘員艙冷熱負荷需求等多重約束、多重目標的熱管理系統(tǒng)提供了模型預測控制的思路.
(a) 基于MPC的空調系統(tǒng)預測性控制; (b) MPC控制器的信號輸入輸出流程對于考慮更為復雜的全局變目標多變量控制的新能源汽車熱管理系統(tǒng), 尤其是結合三電精細化熱管理的MPC控制, 模型的目標量涉及乘員艙溫度、電池、電機、電控的熱管理溫度, 控制量涉及多個電子膨脹閥的開度、壓縮機轉速、兩個風機轉速、水泵轉速等,同時還包含諸如路況信息、用戶信息、外界負荷、人員變化等. 模型龐大、約束條件繁雜、目標量眾多且不清晰等, 這些客觀因素勢必帶來龐大的計算量和儲存量, 實時計算的效率或將成為該方法推廣應用的瓶頸. 離線優(yōu)化可以降低模型預測控制對計算量和計算效率的依賴, 給未來新能源汽車全局優(yōu)化策略的制定提供了一種新的解決思路. 結合諸如模糊神經元網絡對模型進行離線建立, 可以避免全局尋優(yōu)計算量過大而導致的預測控制失效問題. 然而, 單純的離線優(yōu)化也容易導致模型脫離實際, 因此預測模型的更新頻率、預測域的選取以及與熱力系統(tǒng)本身熱慣性之間的權衡, 是MPC控制在新能源汽車熱管理系統(tǒng)全局應用中需要進一步解決的問題.除了以上提到的兩種經典控制方法外, 新能源汽車熱管理越來越關注舒適性、能量管控程度等指標,比如根據(jù)用戶特征的自學習算法等, 在PID反饋控制和MPC預測控制的基礎上, 衍生出了結合特定智能算法的控制方式. Xie等人基于模糊PID的控制框架, 設計了根據(jù)不同用戶習慣特征的自學習智能控制策略, 控制邏輯如圖6所示. 以無量綱參數(shù)PMV(predicted meanvote)表征用戶特征, 這里的PMV值與用戶的衣著、自身汗腺蒸發(fā)量及所處環(huán)境狀態(tài)等相關, 通過PMV的計算、控制、學習, 將信息傳遞給控制器從而執(zhí)行對壓縮機、風機等的轉速控制, 而車廂的實時溫度作為反饋值傳遞至PMV計算器. 該智能控制方案相比啟停控制和單一的模糊PID控制可節(jié)能31.8%和10%. 此外,Xie等人將基于PMV自學習判別方法應用于MPC控制中, 相比單一的模型預測控制和PID控制, 分別節(jié)能4.32%和25.6%, 不僅大幅實現(xiàn)了節(jié)能效果, 同時也滿足了不同乘客的差異性. 隨著對新能源汽車舒適性個性化關注以及多元熱管理的需求日益增長, 各類具有自學習特征的智能算法, 包括用戶特征、當前/未來路況信息、當前/未來天氣信息等, 將逐漸融入新能源汽車熱管理的控制算法中, 熱管理系統(tǒng)的控制將會更加智能化.
除了以上提到的幾種較為常見的控制方法外, 在新能源汽車熱管理系統(tǒng)的局部控制中, 還有應用模糊控制、魯棒控制、滑膜變結構控制、動態(tài)規(guī)劃控制、ESC(extremum search control)控制等. 總之, 新能源汽車的整車熱管理耦合了乘員艙的冷熱需求、三電(電池、電機、電控)設備精細化溫度管理, 通常涉及多目標、多變量控制體系, 且整車熱管理系統(tǒng)具有高度非線性、系統(tǒng)耦合性強、熱慣性反饋延遲、運行工況范圍廣、擾動因素偶然性強等特征. 隨著對能效、舒適性的關注, 結合智能算法的、具有不同用戶特征, 并結合在線大數(shù)據(jù)(包含路況信息、人員信息等)的智能控制方法, 在未來新能源汽車熱管理系統(tǒng)的控制中將扮演越來越重要的角色.自從蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)問世以來, 常用制冷劑類型已經歷了多次更迭. 以乙醚、乙醇為代表的第一代制冷劑僅達到了能夠提供制冷功能的需求, 很快被R12等第二代制冷劑(氟利昂, chlorofluorocarbon,CFC及hydrochloro-fluorocarbons, HCFC)替代, 第二代制冷劑開始被引入車輛應用領域. 不過, 由于臭氧層破壞問題, 《蒙特利爾議定書》限制了第二代含氯制冷劑的使用, 并標志著第三代不含氯制冷劑(HFC)的出現(xiàn). 近些年, 雖然交通領域新能源化的進程如火如荼,但目前新能源汽車中所采用的制冷劑種類仍然沿襲傳統(tǒng)燃油車的技術路線, 即還停留在HFC階段: 其中乘用車主要采用R134a作為工質, 而商用車(客車與軌道車輛等)多數(shù)采用R407C等作為工質. 在制冷方面,對比R134a, R407C車輛空調系統(tǒng)不僅能夠保證幾乎相當?shù)慕禍厮俣扰c制冷能效, 而且通常采用更小的壓縮機與換熱器, 對車輛設備輕量化具有重要意義.隨著新能源汽車的普及, 一個主要問題開始凸顯:即傳統(tǒng)燃油車輛中存在充足的發(fā)動機余熱可供冬季制熱需求, 但新能源汽車中發(fā)動機余熱的缺失導致冬季制熱成為車輛制冷系統(tǒng)必須解決的重要問題.為此, 學者開始針對R134a、R407C等系統(tǒng)的熱泵制熱性能展開研究. Li等人開發(fā)了電動車用R134a熱泵空調系統(tǒng). 類似于家用空調, 該車用空調熱泵系統(tǒng)同樣通過四通換向閥進行制冷與制熱模式的切換, 在0°C環(huán)境溫度以上均可以較快地實現(xiàn)車廂制熱的目的, 但運行至?15°C時制熱量已經出現(xiàn)了明顯的衰減. Peng等人也搭建了類似的電動車熱泵臺架, 實驗結果顯示, R134a工質在?5°C的環(huán)境溫度下仍然具有較理想的制熱COP(coefficient of performance), 但更低溫度下的情況并未提及. 更進一步地, 有學者研究了R134a車載熱泵系統(tǒng)在?10°C條件下的性能表現(xiàn), 其制熱COP和制熱量可分別達到3.26及3.10 kW, 雖然COP值尚可, 但制熱量已經嚴重衰減至不能滿足車廂供熱需求. 另一方面, Wang等人針對電動車用的R407C熱泵系統(tǒng)進行了對比研究. 結果顯示, 該熱泵在?10°C條件下具備2.3左右的制熱COP, 雖然能效比相對較低, 但制熱量和功耗相對R134a系統(tǒng)更大.考慮到R134a及R407C熱泵系統(tǒng)在較低環(huán)境溫度下的制熱量衰減問題, 常規(guī)R134a及R407C系統(tǒng)中通常需要增加壓縮機轉速或配備更大容量的壓縮機來保證低環(huán)境溫度下充足的制熱量. 另一方面, 從提升循環(huán)制熱COP的角度, 參考家用和商用熱泵中的成熟技術, 學者利用膨脹罐或經濟器等部件構建了中間補氣型的系統(tǒng)結構形式, 并分別開展了數(shù)值模擬和實驗研究, 在一定程度上拓寬了R134a及R407C熱泵系統(tǒng)在車用低溫環(huán)境下的適用范圍, 制熱COP提升10%左右. 然而, 考慮到復雜系統(tǒng)在工程應用上的難度, 目前大多數(shù)乘用車及商用車的實際執(zhí)行方案仍然是常規(guī)R134a或R407C系統(tǒng)搭配PTC電加熱進行協(xié)同制熱, 甚至在?15°C以下的嚴寒環(huán)境中使用純PTC加熱, 在節(jié)能和環(huán)保兩方面均具有較大的提升空間.為了加速車輛行業(yè)中第三代HFC制冷劑向第四代制冷劑(天然或HFO(hydrogen fluoride olefins)類低GWP(global warming potential)制冷劑)的綠色替代進程, 近些年相關研究層出不窮. 本節(jié)將主要介紹幾種新能源汽車熱管理領域中較為熱門的替代方案.CO2作為一種天然工質, ODP(ozone destruction potential)為0, GWP為1, 環(huán)保無污染. 1993年, 國際制冷學會前主席Lorentzen提出的跨臨界CO2循環(huán)就是針對汽車空調的應用場景, 其因制冷效果不佳, 發(fā)展受阻.近些年, 隨著新能源汽車的發(fā)展, 其制熱無發(fā)動機的余熱利用, 跨臨界CO2循環(huán)因其強勁的制熱特性再一次進入大眾的視野.近些年, 學者紛紛針對CO2在車輛熱管理領域的應用展開了充分的優(yōu)化研究. 例如, Yin等人針對新能源乘用車中跨臨界CO2制冷系統(tǒng)在不同工況下的充注量進行了詳細的優(yōu)化研究, 采用充注率的概念探討了系統(tǒng)從欠充到合適再到過充狀態(tài)下的性能變化過程,結果顯示, 欠充和過充均會對系統(tǒng)性能造成較大衰減.類似地, 為了進一步提升車用跨臨界CO2熱泵空調系統(tǒng)的緊湊性與輕量化, Dong等人開發(fā)并使用了跨臨界CO2四通換向閥、集成化氣分-回熱器及各類微通道換熱器等. 研究顯示, 跨臨界CO2系統(tǒng)的制熱能力提升十分明顯, 在低至?25°C的低溫條件下仍然能穩(wěn)定充分供熱, ?10°C條件下的制熱性能相對R134a依舊提升80%以上. 此外, 針對車用跨臨界CO2系統(tǒng)制冷性能比傳統(tǒng)R134a系統(tǒng)稍差的劣勢, 有學者提出了將CO2與R290、R41等制冷劑混合的方法, 使車用空調系統(tǒng)制冷性能提升20%以上, 基本達到與R134a系統(tǒng)相當?shù)臓顟B(tài). Li等人及Subei和Schmitz研究了車用跨臨界CO2系統(tǒng)中的局部細節(jié), 如微通道氣體冷卻器、管路壓降等方面的優(yōu)化空間, 為整個系統(tǒng)制冷能效的提升提供了理論基礎.綜上所述, 憑借優(yōu)異的環(huán)保效應、寬工況適應性及與車輛系統(tǒng)的兼容性, 近些年CO2制冷劑被廣泛地推向新能源汽車、客車、軌道交通等領域, 并引起了學術界與行業(yè)界的廣泛關注與總體看好. 不過, 受限于CO2制冷劑獨特的物性, 車輛熱泵空調向CO2技術的轉型需要對系統(tǒng)進行重新設計, 這也是限制該技術快速發(fā)展的主要掣肘.R1234yf是美國杜邦公司和霍尼韋爾公司為R134a量身打造的替代方案, 其熱物性與R134a相近, 但ODP=0, GWP=4, 環(huán)保性良好. 雖然研究顯示,R1234yf制冷劑與傳統(tǒng)R134a或R410A的慣用潤滑油存在一定的兼容性問題, 但目前行業(yè)中替代常規(guī)R134a制冷劑時, 只需將原本車輛熱泵空調系統(tǒng)中的R134a制冷劑放空, 再重新加入R1234yf即可, 無須重新設計, 短期適用性******.2008年, R1234yf首次被推向車輛熱管理應用領域并得到了良好的效果, 結果顯示, R1234yf系統(tǒng)的性能與R134a系統(tǒng)僅相差4%~8%. 因此, 自2010年左右開始, 關于R1234yf熱物理性質或兩相流動特性的研究次第展開, 經過一段時間的發(fā)展, R1234yf向乘用車領域的推廣逐漸形成規(guī)模. Zhao等人研究發(fā)現(xiàn),同樣的熱負荷需求下, R1234yf的制冷劑充注量相比R134a減少了10%左右; 而Lee和Jung的研究表明, 雖然充注量和壓縮機排氣溫度均有所降低, 但R1234yf系統(tǒng)的制冷性能同樣比R134a出現(xiàn)了4.0%左右的衰減. 另外, 針對環(huán)保性, 有學者指出, 單純的低GWP與當量溫室效應氣體排放量低并不嚴格對等, 因此提出了全生命周期碳排放算法, 將制冷劑全生命周期過程的所有直接和間接碳排進行合并計算. 結果顯示, R1234yf全生命周期碳排同樣低于傳統(tǒng)R134a, 甚至低于制冷劑本身GWP更低的純天然工質CO2.因為屬于新型制冷工質, 雖然R1234yf等HFO類制冷劑自推出以來在全球市場的響應一直都十分積極,但長期使用過程中也逐漸暴露出一些安全性問題. 例如,近期R1234yf被認定為輕微可燃制冷劑,R1234yf溶于水可能形成三氟乙酸等. 甚至, 最新的研究提出, HFO類制冷劑在大氣中會分解產生CF3CHO(三氟乙醛), 最終分解產生CHF3(HFC-23). HFC-23是一種強溫室效應氣體, 可能最終導致HFO類制冷劑的GWP值進行重新評估. 另外, 受限于美國公司的專利保護, R1234yf高昂的價格也是目前限制其在國內廣泛普及的主要問題.R290(丙烷, CH3CH2CH3)同樣屬于天然工質, 其ODP=0, GWP=3.3, 熱物理性能參數(shù)與R134a相近, 但標準沸點更低, 因此可以適用于更低的環(huán)境溫度. 相比汽車空調常用的制冷劑R134a, R290除了在環(huán)保性上具有更好的表現(xiàn)之外, 由于更高的氣化潛熱、更小的分子質量、更高的工作壓力及工作密度, 可以大大減少車輛熱泵空調系統(tǒng)中制冷劑的充注量, 更加符合輕量化、緊湊化原則.Ghodbane針對R290替代R134a作為汽車空調循環(huán)工質的方案進行了分析和研究. 結果表明, 雖然碳氫化合物類制冷劑在制冷劑當量碳排放方面具有重要優(yōu)勢, 但在循環(huán)性能上相較常規(guī)R134a系統(tǒng)有5%~12%的衰減. 然而, 由于R290的標準沸點很低, 因此比較適用于低溫環(huán)境以熱泵制熱工況運行, 在<?10°C環(huán)境溫度下?lián)碛羞h超R134a的制熱性能表現(xiàn), 甚至在?20°C的嚴寒條件下也擁有接近跨臨界CO2熱泵的制熱COP,是新能源汽車熱管理系統(tǒng)的下一代備選制冷劑之一.不過, 雖然R290的熱物性及環(huán)保性良好, 但安全等級僅為A3, 屬于可燃制冷劑, 使用過程中始終存在安全隱患. 一般需要構建二次循環(huán), 使R290制冷劑回路完全處于乘員艙外的發(fā)動機箱中, 而借助其他安全的循環(huán)工質作為媒介將冷量或熱量帶入乘員艙內, 這也造成了循環(huán)效率的大幅降低. 在此背景下, 雖然很多學者研究并優(yōu)化了R290在車輛制冷系統(tǒng)內的泄漏情況, 或主張采用多元混合物制冷劑的方式降低R290的當量充注量, 但可燃性一直是R290制冷劑******的安全隱患.應對新能源汽車的冬季制熱問題, R410A因制熱特性優(yōu)異也獲得了一定的關注, 其ODP=0, 但GWP值高于2000. 近些年, 比亞迪連續(xù)推出了搭載R410A熱泵空調系統(tǒng)及R410A補氣增焓式熱泵空調系統(tǒng)的新能源乘用車, 使用效果證明, 采用補氣增焓方法的R410A熱泵空調系統(tǒng)在冬季制熱條件下具備十分突出的性能優(yōu)勢, 甚至可以在?20°C以上的低溫環(huán)境下正常運行并提供足夠制熱量, 節(jié)省了PTC電加熱功耗, 使電動車冬季續(xù)航里程有所恢復. 然而, 目前車輛領域采用R410A的嘗試一般只是為了借鑒其在家用領域的成熟技術,從而作為車輛行業(yè)制冷劑的暫時性過渡替代物, 在當前車輛領域應用背景下不具有長遠的前景.R32(二氟甲烷, CH2F2)同屬碳氫化合物, ODP=0,但GWP高達675, 在GWP普遍低于150的車用制冷劑的要求下, 環(huán)保優(yōu)勢并不明顯.R32常壓沸點為?51.6°C, 運行壓力較高, 適用于低溫制熱工況, 但受制于微可燃性及較高GWP的固有屬性, 在汽車空調領域中的應用相對較少. 研究顯示, 由于R32的低溫制熱性能與高溫制冷性能均能達到較優(yōu)良水平, 節(jié)省了很多低溫PTC電輔熱耗功, 因此運行能耗較低, 間接當量碳排放較少, 從全生命周期環(huán)保性的角度來說, 也許是一種具備一定前景的制冷劑替代選擇. 由于R32是R410A的組成成分之一, 但GWP顯著低于R410A, 因此相對R410A系統(tǒng), R32系統(tǒng)能夠大幅降低當量CO2及SO2的排放量, 尤其將R32與GWP值很低的R744、HFO類制冷劑混合使用后, 既能兼顧熱泵空調系統(tǒng)的制冷與制熱能力, 又能大幅降低混合工質的當量GWP值, 是一種值得深入研究的方案.隨著汽車產業(yè)的深入發(fā)展, 電動化、智能化、網聯(lián)化、共享化將成為未來汽車產業(yè)發(fā)展的重要方向.汽車“新四化”的提出對新能源汽車熱管理系統(tǒng)有了更高的要求, 同時也在一定程度上為其發(fā)展指明了方向.新能源汽車熱管理系統(tǒng)的長遠發(fā)展, 除了要提高整體能效, 增加電動汽車的續(xù)航里程, 還應兼?zhèn)涓叨燃苫岷刂啤⑦h程控制、座艙環(huán)境個性化、寬溫區(qū)高效化、關鍵零部件開發(fā)、環(huán)保工質替代等關鍵技術.綜合而言, 在當前新能源汽車發(fā)展以及碳中和目標的背景下, 新能源汽車熱管理行業(yè)也應向綠色高效化、功能一體化、結構模塊化、控制智能化的“新四化”方向發(fā)展.汽車熱管理系統(tǒng)綠色高效發(fā)展將成為我國交通領域實現(xiàn)碳中和的有力助力, 綠色高效化成為新能源汽車熱管理系統(tǒng)發(fā)展的核心. 綠色高效化體現(xiàn)在強溫室效應工質的減排方面, 這一工作已經成為當前毋庸置疑的問題. 但是, 下一代新能源汽車熱管理系統(tǒng)的制冷劑替代路線尚不明確, 形成以CO2/R290/R1234yf為主流、各形式混合工質為輔的百花齊放狀態(tài). CO2具有強勁的低溫制熱特性, 但工作壓力高且高溫制冷性能略差; R290具有良好的制冷、制熱性能, 但易燃易爆;R1234yf與R134a性能相當且溫室效應低, 但依然無法滿足新能源汽車冬季低溫制熱的需求. 下一代新能源汽車熱管理制冷劑技術路線基本受兩大因素影響和制約: 一方面是國家相關標準和法規(guī), 應對環(huán)境污染、氣候變暖問題的具體政策實施; 另一方面, 還受新能源汽車本身固有的需求特性的演變和不同區(qū)域下的功能多樣性影響.綠色高效化還體現(xiàn)在熱泵技術的發(fā)展: 低溫續(xù)航衰減也是新能源汽車發(fā)展面臨的瓶頸問題之一, 能否解決冬季里程焦慮也逐漸成為整車熱管理的技術核心.隨著熱管理對能量利用效率的需求日漸提高, 如何保障新能源汽車熱泵空調系統(tǒng)寬溫區(qū)(?30~40°C)的性能、減小能耗是熱管理系統(tǒng)亟須突破的關鍵技術. 通過各子系統(tǒng)之間的高效耦合與協(xié)調控制可以實現(xiàn)能效******化, 余熱的有效回收方法能夠減小制熱能耗, 同時可以改善系統(tǒng)的制熱性能. 熱泵和余熱利用及其相互交叉耦合的形式將成為未來熱管理的主要方向.因此, 在我國碳中和的大背景下, 減排和節(jié)能成為迫切需求, 新能源汽車熱管理系統(tǒng)的下一代發(fā)展勢必以綠色高效化為導向.新能源汽車熱管理系統(tǒng)不僅要兼顧車室內溫度的冷熱控制, 更要對三電設備(電池、電機、電控)進行更為精細化的溫度管理. 隨著乘客對舒適性和安全性需求增加, 一套多功能的熱管理系統(tǒng)將成為主流. 因此,應對高密度電池和電機/電控的精細化熱管理、綜合能效提升、乘員艙舒適性提升等關鍵問題, 實現(xiàn)整車能量管控, 功能一體化成為新能源汽車熱管理系統(tǒng)發(fā)展的方向標. 下一代新能源汽車熱管理系統(tǒng)的功能一體化需兼顧整車安全性目標、動力性目標、續(xù)航能力目標、舒適性目標以及耐久性目標.首先, 新能源汽車熱管理系統(tǒng)要求更為合理的能量調配, 使所有關鍵部件的溫度變化具有較高的安全裕度. 電池、電機、電控的熱管理安全性是新能源汽車的核心問題. 如何通過子系統(tǒng)的協(xié)調設計, 提高關鍵部件溫度變化的安全裕度, 是新能源汽車熱管理設計的首要目標. 功能上的一體化設計也為熱管理子系統(tǒng)的協(xié)同控制提供了完整的平臺. 其次, 除了安全性目標之外, 三電設備的精細化溫度管理對其動力性和續(xù)航能力起著決定性的作用, 為了實現(xiàn)三電設備的精細化溫度管理和能量調配, 需要對各子系統(tǒng)進行高度耦合,充分利用各子系統(tǒng)能量, 精細化的溫度管理以及能量的高效分配都是關鍵, 這樣的需求越發(fā)驅動熱管理系統(tǒng)功能的一體化設計. 再次, 隨著人們生活水平的提高, 駕乘人員對車室空氣質量、駕乘舒適度的要求也會日益增加, 不同氣候條件、不同人群對車室環(huán)境的要求也不盡相同, 多樣化的需求同樣需要熱管理系統(tǒng)的功能一體化得以保障. 最后, 耐久性目標要求系統(tǒng)級優(yōu)化溫度平衡, 降低電機絕緣損傷, 延緩電池老化和容量衰退. 這樣的目標不僅是對單一部件、單一工況進行能量調配, 更需要將全系統(tǒng)、全天候所面臨的問題加入到功能一體化設計中來, 為熱管理系統(tǒng)的健康管理提供基礎.總之, 更安全、更舒適的乘坐需求, 多樣化、多目標熱管理需求驅使新能源汽車熱管理系統(tǒng)的功能設計向著更為一體化的方向發(fā)展.傳統(tǒng)汽車空調部件相對簡單, 車載空調的結構布局形式通常也僅是適配車身結構, 通過單一的部件連接, 實現(xiàn)車室空調的功能. 然而, 隨著新能源汽車的發(fā)展, 熱管理功能需求的復雜化、多樣化和精細化導致整車熱管理系統(tǒng)的部件數(shù)量、接頭數(shù)量呈爆發(fā)式增長.零部件的增加不僅導致接口數(shù)量成倍增加, 也引發(fā)可靠性降低, 安裝、維修成本增加. 同時, 零部件的分散式布置也帶來振動、噪音的不可控性, 給整車NVH(noise vibration and harshness)帶來挑戰(zhàn); 熱管理附件的增多帶來的體積變大問題也給結構設計帶來挑戰(zhàn).因此, 在新能源汽車的快速發(fā)展和熱管理批量產業(yè)化的驅動下, 系統(tǒng)結構模塊化成為未來熱管理系統(tǒng)發(fā)展的迫切需求.熱管理系統(tǒng)的結構模塊化主要體現(xiàn)在零部件的集成和功能性模塊兩種方式上. 當前新能源汽車熱管理系統(tǒng)形式呈現(xiàn)多樣化, 零部件的集成方式也根據(jù)熱管理系統(tǒng)不同呈現(xiàn)多樣性, 主要包含帶回熱功能的儲液器、車用四通換向閥的發(fā)展、換熱器與閥件集成、全通節(jié)流閥、多通閥、熱管理水路部件的集成等.除了當前已有的零部件集成, 更為簡潔的集成方式或將為更加徹底的功能性模塊帶來新的機遇和挑戰(zhàn).更大程度的集成按功能結構劃分, 包括: (1) 前端模塊;(2) 空調箱; (3) 制冷劑處理模塊; (4) 電池、電機、電控模塊. 熱管理系統(tǒng)結構的模塊化在不同車型之間通用性增強, 使熱管理系統(tǒng)在經歷復雜化、多樣化的發(fā)展后, 又重新向著結構簡潔的方向發(fā)展.新能源汽車熱管理的精細化和功能的復雜化, 在系統(tǒng)布局、結構設計的基礎上, 行之有效的控制策略是保障整個系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的前提. 如何實現(xiàn)熱管理的快、穩(wěn)、準, 在復雜需求驅動和智能化牽引下,控制智能化成為未來精細化熱管理的靈魂.復雜系統(tǒng)和精細化溫度管控離不開動態(tài)運行的控制, 未來的新能源汽車一體化熱管理系統(tǒng)所涉及的控制量和目標量將愈趨增加, 導致控制維度增加, 依靠傳統(tǒng)的標定控制不僅大大增加開發(fā)成本, 同時控制精度低, 難以實現(xiàn)最優(yōu)能量管控. 以MPC控制方法為基礎,結合實時路況信息、用戶多樣化特征等的智能化算法,實現(xiàn)對新能源汽車熱管理系統(tǒng)的精細化、多樣化預測性控制, 在新能源汽車熱管理系統(tǒng)的能量智能管控中的重要性逐漸凸顯. 控制智能化或將成為新能源汽車熱管理系統(tǒng)未來不可或缺的一環(huán).
