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基于新型热管理集成架构的余热回收特性研究.pdf
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1、2024.3,4(2)|材料装备技术与应用基于新型热管理集成架构的余热回收特性研究汤五洋1,陈涛2,王国春1(1.湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司整车性能集成部,湖南 长沙 410006;2.湖南大学机械与运载工程学院,湖南 长沙 410082)摘要:基于 R134a冷媒提出了一种新的热管理集成架构,利用 9通阀模式切换实现回收电池电机余热,主要通过压缩机能耗和 COP 两项指标评估其低温行车工况下的余热回收效果。本文进行了AMESIM 系统模型搭建,并基于基础工况试验数据进行了仿真模型标定,保证了模型可信度;同时本架构和其他架构进行了仿真对比。仿真结果表明:本文研究的集成架构在寒冷低温环境下
2、,热泵模式可回收利用电池电机两大废热,余热回收量高达到 3.412 kW;系统能量消耗减少至 0.62 kW,相对传统热泵系统降低了 50.34%;系统 COP 最高可达 4.465,相对传统热泵系统大幅度提升了50.39%,为增加新能源车低温续航能力提供了有力保障。关键词:热管理;余热回收;九通阀;模型标定;低温续航Research on waste heat recovery characteristics based on new thermal management integrated architectureTANG Wuyang1,CHEN Tao2,WANG Guochun1(
3、1.Vehicle performance Integration Dept.,AISN AUTO R&D Co.,Ltd.,Changsha 410006,China;2.College of Mechanical and Vehicle Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)Abstract:In this paper,a new integrated thermal management architecture is proposed based on R134a refrigerant,which uses 9-port
4、 valve mode switching to recover waste heat from battery motors,and evaluates its waste heat recovery effect under low temperature driving conditions mainly through compressor energy consumption and COP.In this paper,the AMESIM system model is constructed,the simulation model calibration is carried
5、out based on the basic working condition test data to ensure the credibility of the model,and the simulation comparison between this architecture and other architectures is carried out.The simulation results show that the new integrated architecture studied in this paper can recover the two kinds of
6、 waste heat of the battery and motor in the heat pump mode in the cold and low temperature environment.The waste heat recovery capacity is as high as 3.412 kW,and the system energy consumption is reduced to 0.62 kW,which is 50.34%lower than that of the traditional heat pump system.The COP of the sys
7、tem can reach up to 4.465,which is 50.39%higher than that of the traditional heat pump system,and provide a strong guarantee for improving the low-temperature 中图分类号:TQ051.5;U469.72 文献标志码:A 文章编号:2097-017X(2024)02-0082-07DOI:10.3969/j.issn.2097-017X.2024.02.013收稿日期:2023-11-20基金项目:湘江新区(长沙高新区)关键核心技术攻关项目
8、;广西科技重大专项(桂科 2023AA05005,桂科 AA22068108)。作者简介:汤五洋(1984),男,学士,中级工程师。研究方向:整车热管理、整车 CFD。82基于新型热管理集成架构的余热回收特性研究 汤五洋 等endurance of new energy vehicles.Key words:thermal management;waste heat recovery;nine-way valve;model calibration;low temperature enduranc引言随着新能源车的持续发展,纯电车的冬季续航里程衰减过大成为了用户出行和选购车型的重要考虑因素。影
9、响冬季续航的主要核心因素是电池容量低温衰减和维持乘员舱热舒适性的能耗过高1。热泵空调可吸收环境热量实现制热,相对传统 PTC 制热具有更高的 COP,获得一众厂家的青睐,其中包括 特 斯 拉 的 Model Y、比 亚 迪 的 E5 车 型、蔚 来 的ES8、小鹏的 P5 以及大众的 ID6 等车型都搭载了热泵空调2-5。但由于 R134a 制冷剂和热泵空调的特性,在低温环境下无法正常运行,低于10 以下制热效果不理想。针对低温环境带来的不利影响,具有高效节能的余热回收型热泵空调成为当前研究的重要方向。郭木生等6利用电机余热抑制室外换热器结霜,10 下 COP 提 高 了 13.5%18.7%
10、。Anh等7提出了基于 R134a 制冷剂的双热源热管理系统,采用交替单模式制热,结果表明交替模式下COP 和制热能力分别高于双热源模式的 4.3%和10.5%;刘华8阐述了海豚汽车搭载双蒸发器热泵系统,该系统在冬季续航能力提高 10%。Suh 等9为电动公交设计了一款耦合电机和电子元件废热利用的集成热泵系统,0 下满足乘员舱温度需求下减少了 25%的能量消耗;杨小龙等10利用两个板式换热器并联回收电机和电池余热系统,在冬季制热电能消耗降低 16.4%,续航里程提高 18.3%。马小超11提出基于某电动车提出了电池、电机以及结合空气热源三种余热回收模式,试验表明该系统在冬季比普通热泵有 40%
11、的提升。薛宇程等12设计了一款水流动式相变蓄热器的热泵空调系统,利用相变蓄热器存储热量,在7 时比基础热泵可增加11%的续航里程。叶鹏等13设计串联电池和电机冷却液通道,在 CLTC-P工况下,该热泵系统百公里能耗降低 29.6%。诸多学者对电动汽车热泵系统的研究普遍都是利用单一热源,减少小部分能量消耗,缺乏对整个热管理系统进行高度集成,实现更高热量利用。针对这个问题,本文设计一款创新型九通阀,能对环境、乘员舱、电池、电驱的各区域热需求进行统筹规划,并且能实现规模更大、效率更高的余热回收效果;九通阀的应用也可以减少阀件连接管路,在降低模块成本的前提下还能减少布置空间和减少装车时间。1集成式热管
12、理系统1.1架构介绍本文根据余热回收来源区分热泵空调系统,包括无余热回收热泵系统架构 A、电机余热回收热泵系统架构 B以及双余热回收热泵系统架构 C。如图 1 所示为无余热回收热泵空调系统架构A,这是日本电装公司早期发明的热泵空调系统14,空调系统独立工作,没有电池电机的参与。该热泵系统由一个外部换热器、内部蒸发器和冷凝器、三通阀、电子膨胀阀、压缩机等组成,控制三通阀来确定制冷剂流向实现制冷制热。该热泵系统架构简单,仅有单一的环境热量来源,加热效率相对较低,需要消耗更多的电能来维持乘员舱的温度,导致电动汽车能耗较高。其次,低温环境导致换热装置很难再从外界环境有效地吸收热量,换热效率大打折扣,热
13、泵空调无法正常进行工作。如图 2所示为具有电机余热利用的热泵空调系统架构 B,系统利用四通阀改变制冷剂流向实现制冷/制热。在传统基础热泵上,增加电机废热回收模图 1无余热回收热泵系统架构 AFig.1Heat pump system architecture A without waste heat recovery 83块,利用风扇将电机热量传递到室外换热器制冷剂中,提高制冷剂温度和压力,降低压缩机做功,同时还能防止低温室外换热器表面结霜,提高换热效率。电机余热回收热泵系统耦合电机模块,增加电机废热利用,一定程度上减少电池能量消耗。但利用风扇将热量吹到换热器表面换热,热量回收利用率不高,且系
14、统同样未考虑电池热子系统,没有最大化利用废热。1.2集成式热管理系统架构原理图如图 3所示为本文基于双余热回收提出的集成热泵系统架构,主要由压缩机、水冷式冷凝器 LCC、Chiller 换热器、九通阀、空调箱 HVAC、前端散热模块。系统介质采用冷媒 R134a,冷却液采用 50%水/乙二醇混合液。其中 HVAC 内有蒸发器和暖风芯体,前端模块由散热器和冷凝器组成。与传统热泵空调系统相比,传统热泵空调使用一个换热器以和四通阀改变制冷剂流向实现制冷/制热,模式切换会出现冷凝水雾化,而新热泵系统 HVAC 内部多了用于加热空气的暖风芯体,提高了出风口舒适度。该系统是一个间接式热泵系统,系统制热时制
15、冷剂热量经过水冷式冷凝器进行换热,将热量传递给冷却液,在水泵带动下将热量从 HVAC 内置暖风芯体吹入乘员舱。同时也具有多种余热回收模式,控制九通阀内部端口,冷却液流动回收电池或电驱组件热量直接传递到暖风芯体,或者冷却液将热量利用 Chiller换热器传递给制冷剂,提高制冷剂吸气温度和压力;同样,多余热量传递到前端冷却模块,利用散热器将热量释放到环境中。制冷时经过LCC 不进行换热,制冷剂通过前端模块冷凝器释放热量到环境,制冷剂变成过冷液体,经过 Chiller换热器对电池或电机进行降温,或者到 HVAC 蒸发器吸收空气温度,降低流过蒸发器的空气温度用于乘员舱制冷。同时在三个水泵进水口处连接膨
16、胀水壶,实现系统可以快速补充冷却液,有助于维持制冷液管路和制冷液管路连接部件之间的压力平衡。新型热泵系统利用九通阀的内部端口通断,完成多种模式的切换,回收多种余热,降低该模块的能量消耗,实现热量精细化管理;同时九通阀减少了复杂管路布局,高度集成化系统越来越满足人们的需求。1.3热管理模式运行场景分析本文研究的热管理系统九通阀工作模式与当前车辆所处的温度环境相关,系统会根据当前车内温度、电池包温度和电驱组件温度规划一个最优方案,即检测 COP 效率最高的可行性运行模式,减少能源消耗。表 1为集成式热管理系统各个工况模式下的耦合模式数量统计。本文研究的基于九通阀的集成热管理架构虽然有近 20 种工
17、作模式,其中主要可分为 5 大类型:高低温快充、高温制冷、低温采暖、除冰、除湿。本文主图 3集成式热管理系统架构 CFig.3Integrated thermal management system architecture C表 1模式数量统计Tab.1Statistics on the number of patterns工况模式三大子系统耦合两大子系统耦合独立子系统数量496图 2电机余热回收热泵系统架构 BFig.2Architecture B of the motor waste heat recovery heat pump system 84基于新型热管理集成架构的余热回收特性研
18、究 汤五洋 等要研究的是低温采暖大工况下的行车余热模式,评估其余热回收效果,评估系统能耗和 COP。接下来基于 AMESim 进后续行仿真研究。2AMESim 模型2.1新架构 AMESim 模型如图 4 所示为新架构 AMESim 物理模型,主要包括压缩机、气液分离器、Chiller 换热器、空调箱HVAC、电池回路、前端模块以及电驱组件回路,其中 HVAC 模块包括乘员舱模型、热源模拟水暖 PTC加热、暖风芯体及蒸发器;前端模块包括室外冷凝器和散热器;电池回路用自带电池包模型模拟散热和电驱组件回路用热源模拟电机散热。表 2所示为 AMESim 模型内部主要参数设置。图 5所示为九通阀 AM
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