新能源车空调系统与电池热管理浅谈

新能源车空调系统与电池热管理浅谈比亚迪汽车工业有限公司2016年3月一、新能源汽车空调制冷二、新能源汽车热泵空调系统三、电池热管理目前新能源汽车（包括混合动力汽车和电动汽车）迅速崛起，续航里程也成为大众关注的重点，其空调作为电量消耗大户，提高能效成为电动车空调的首要任务。节能方法很多，以下主要以制冷剂替代为主要讨论方面。目前使用的R134a冷媒单位容积制冷量较小，且其沸点较高，低温下蒸发压力较低，限制了能效的提高和低温制热的开发，因此开发一种高能效的中高温制冷剂成为电动车空调发展的趋势。目前我们开发的制冷剂有R410a。一、新能源汽车空调制冷1、目录3以下均以R410a制冷剂开发为例（冷媒特性对比Comparisonoftherefrigerantspeciality）冷媒HFC-134aR410a化学名chemistryname四氟乙烷Fourfluorineethylene分子式molecularformulaCF3CHHFC-32，HFC-125分子量molecularweight10272.56沸点（1atm）boilingpoint-26-52.7临界温度criticaltemperature10272.525℃时的饱和蒸汽压力MPaThesaturatedsteampressurein25degrees.0.6651.65360℃时的饱和蒸汽压力MpaThesaturatedsteampressurein60degrees.1.683.7925℃时的饱和蒸汽密度kg/m3Thesaturatedsteamdensityin25degrees.32.463.7325℃时的饱和液体密度kg/m3Thesaturatedliquiddensityin25degrees.12071052ODP（臭氧损耗潜值）(OzoneDepletionPotentialvalue)00GWP（全球变暖潜值）(GlobalWarmPotentialvalue)13001730运行压力Runpressure1234%温度漂移Temperatureexcursion0.0℃0.2℃蒸发器传递Evaporatortransfer1150%冷凝器传递Condensertransfer1110%压力降低量Pressurereducequantity156.30%管径Tubediameter较大较小安全等级A1（无毒不可燃）2、新制冷剂R410a与R134a特性一、新能源汽车空调制冷4项目R134a系统R410a系统压缩机排量28cc排量14cc冷媒R134aR410a膨胀阀形式热力膨胀阀电子膨胀阀蒸发器形式现有耐压3Mpa耐压需6Mpa以上冷凝器现有耐压8.9Mpa耐压需13.5Mpa以上管路使用R134a胶管使用R410a胶管使用压力开关使用R410a的压力传感器接头使用单耳方式接头使用双耳方式与现有R134a各零部件的差异：3、R410a与R134a系统零部件对比一、新能源汽车空调制冷5冷媒R134aR410a转速rpm6000500045004500制冷量W4032351331024577功耗KW2.121.81.61.72能效比W/W1.91.951.942.66工况：室内干球/湿球温度：27℃/19.5℃,室外干球/湿球温度：35℃/24℃从实验数据看（以制冷量相当情况对比）使用R410a冷媒其能效提高比率=（2.66-1.9）/2.66=28.6%。从能力看，使用R134a冷媒的e5车最高转速6000rpm可满足制冷要求，使用R410a冷媒压缩机转速4000-4500rpm时可满足要求。压缩机更低转速可以满足要求，后续可靠性更高，噪音会更低。4、e5系统焓差实验室能效对比测试：一、新能源汽车空调制冷6e5车型使用R134a和R410a两种制冷剂按QC/T658标准整车降温对比测试：车型e5冷媒R410AR134a冷媒量（g）500620压缩机最大转速（RPM）40006000制冷效果评分（分）效果相当压缩机功耗（KWH）2.653.7功耗降低=（3.7-2.65）/3.7*100%=28.4%1）从制冷效果来看，R410A冷媒以较少的冷媒量获得相当的制冷效果；2）从功耗来看，R410A系统4000rpm的压缩机转速即可以达到R134a-6000rpm的压缩机转速相当的制冷效果，功耗低28.4%；一、新能源汽车空调制冷4、e5车型整车降温对比：7测试温度室内：27℃/19.5℃室外：35℃/24℃室内：32℃/23℃室外：50℃/30℃室内：15℃/12.5℃室外：15℃/14℃冷媒R134aR410aR134aR410aR134aR410a压缩机排量28cc14cc28cc14cc28cc14cc转速rpm600060006000600020002000制冷量/中间制冷量W24.12/1229.16/14.8419.322.588.869.72功耗KW11.36/3.487.92/2.7613.8615.462.491.5能效比W/W2.13/3.452.939/5.381.391.463.566.48提升比率（2.939-2.13）/2.939=27.5%(1.46-1.39)/1.46=4.8%(6.48-3.56)/6.48=45%从测试数据看，R410a冷媒在中低温环境下能效有较大的优势。一、新能源汽车空调制冷5、K9大巴系统焓差试验对比：8GB7725,2399h能效国标,1136hR134a3.70233.0910R410a5.89665.0617提升比率(5.8966-3.7023)/5.8966=37.2%(5.0617-3.0910)/5.0617=38.9%SEER执行标准按家用空调标准计算SEER：一、新能源汽车空调制冷5、K9大巴系统焓差试验对比：9SEER执行标准一、新能源汽车空调制冷6、总结10（1）通过一系列的焓差台架、整车环模试验等试验看出，R410a冷媒在能效方面有一定的提高，可提高电动车续驶里程近10%。（2）R410a系统虽压力比R134a高较多，通过各部件的改进及系统的耐久性测试，可满足要求。（3）由于R410a单位容积制冷量大，压缩机排量可降低，更低转速可满足制冷需求，噪音小。各车型空调采暖方式:项目传统空调双模车空调纯电动车空调目前方式发动机余热采暖发动机采暖+PTC水加热器PTC风加热未来趋势发动机余热采暖发动机采暖+热泵热泵作为电动汽车的采暖系统，能源消耗大户，各大空调厂家也在不断的研究。目前市场上主要有三种方式——PTC风加热、PTC水加热、热泵系统。二、新能源汽车热泵空调系统1、引言11项目PTC风加热PTC水加热器热泵加热速度快+1一般0一般0舒适性差-1好+1好+1安全性差-1好+1好+1节能型一般0差-1好+1系统复杂性好+1一般0好+1电池热管理优势差-1好+1一般0成本一般0一般0好+1合计-1+2+5各种加热方式的优缺点:二、新能源汽车热泵空调系统2、各种加热方式对比12二、新能源汽车热泵空调系统3、轿车热泵原理图13焓差测试工况：室内外干球温度2℃/湿球1℃，运行约2h后情况。室外换热器结霜图：二、新能源汽车热泵空调系统4、焓差试验室外换热器除霜试验14运行除霜：30s后运行除霜：1min后运行除霜：2min后，基本已除尽二、新能源汽车热泵空调系统4、焓差试验室外换热器除霜试验15室内外温度℃制冷能力W室内风量m3/h压缩机转速rpm总功率WCOPW/W备注7300745025008973.35215882009321.7003552350500019321.84二、新能源汽车热泵空调系统5、e5系统热泵焓差试验采暖测试16e5热泵车与现有使用PTC水加热车整车实验室采暖对比试验：空调设定外循环比例测试车型采暖模式环境温度℃运行1h耗电量（KW*h）车内感觉备注AUTO24℃100%e5水加热器02.71采暖温升快、舒适100%热泵00.95采暖温升快、舒适100%-51.20100%-101.9250%-152.25采暖速度稍慢，但后舒适从以上实验室测试数据看：0℃环境e5热泵比水加热器耗电量降低=（2.71-0.95）/2.71=64.9%二、新能源汽车热泵空调系统6、e5整车实验室采暖对比测试1718（1）2℃环境对比测试，设定24℃，AUTO热泵耗电量0.954Kwh1h1h结论：2℃时热泵采暖1h总耗电量节省=（2.14-0.954）/2.14=55.4%耗电量耗电量二、新能源汽车热泵空调系统7、e5整车2016年1月西安路试对比19（1）2℃环境对比测试总结：a.耗电量对比：测试1小时，热泵采暖比水加热采暖总耗电量节省1.186Kwh，耗电减少55.4%。b.采暖速度对比：4min，热泵和水加热采暖，脚部出风温度均达到40℃左右；24min，热泵和水加热采暖，车内温度均达到24℃左右，基本达到稳定状态。综上，2℃环境，热泵和水加热采暖速度基本一致，但热泵耗电量明显降低。二、新能源汽车热泵空调系统7、e5整车2016年1月西安路试对比201h1h结论：-10℃时热泵采暖1h总耗电量节省=（2.735-1.725）/2.735=36.9%（2）-10℃环境对比测试，设定24℃，AUTO二、新能源汽车热泵空调系统7、e5整车2016年1月西安路试对比热泵总耗电量1.725Kwh四、2016年1月西安e5热泵与水加热器路试对比耗电量耗电量21（2）-10℃环境对比测试总结：a.耗电量对比：测试1小时，热泵采暖比水加热采暖总耗电量节省1.01Kwh，耗电减少36.9%。b.采暖速度对比：4min，热泵和水加热采暖，脚部出风温度均达到37℃左右；24min，热泵和水加热采暖，车内温度均达到23℃左右，基本达到稳定状态。综上，-10℃环境，热泵和水加热采暖速度基本一致，但热泵耗电量明显降低。二、新能源汽车热泵空调系统7、e5整车2016年1月西安路试对比22（3）-15℃环境下，热泵的采暖能力：5min，脚部出风30℃；主观感受有脚部出风为热风；32min，车内温度达18℃，感觉舒适；80min后车内温度达到25℃以上，基本达到舒适。过程中压缩机功率在1600W—1800W。综上，-15℃以下环境，基本可以满足采暖需求，但采暖速度稍慢。二、新能源汽车热泵空调系统7、e5整车2016年1月西安路试对比23（4）e5热泵除霜除雪测试除霜开启前，前挡风玻璃雪覆盖7~8cm，环境温度-4℃车外车内二、新能源汽车热泵空调系统7、e5整车2016年1月西安路试对比2410min效果，15min效果，已不影响视线18min效果，20min效果，二、新能源汽车热泵空调系统7、e5整车2016年1月西安路试对比2535min效果基本除完。二、新能源汽车热泵空调系统7、e5整车2016年1月西安路试对比e6热泵在2015年1月西安除雪、环境-3℃、下雪，冻一晚上后开始：10min后二、新能源汽车热泵空调系统8、e6整车2015年1月西安除雪试验26二、新能源汽车热泵空调系统9、总结27（1）通过以上一系列焓差台架试验、整车实验室测试、整车实际路试来看，热泵能效比较高，可使冬天使用空调能耗与夏天相当。（2）从实车路试验证看，目前热泵可满足北纬40度以下的要求。28三、电池热管理1、概述电池热管理系统包括电池冷却和电池加热。目前电池热管理方式有几种方式：1、风冷（1）直接引车内的风；（2）空调出风；（3）室外空气对流风，如托盘冷却；2、液冷方式（1）冷却液通入电池冷却；（2）空调冷媒通入电池冷却；29三、电池热管理2、公司A冷却方案公司A冷却液热管理，其中制冷采用板换，制热时采用PTC水加热器。热交换器空调加热器电池散热器冷却液壶水泵电池三通阀动力总成工作模式1：一般高温，空调未开启，由电池散热器冷却工作模式2：高温时，空调开启，由空调冷却经过热交换器的冷却液进行冷却工作模式3：低温时，由加热器加热冷却液，给电池包加热22发动机舱24动力装置26乘员舱28电池组29充电器30冷却