新能源汽车热管理系统试验台的热力学模型研究

赵艺博

摘要：该文对新能源汽车热管理系统试验台的热力学模型建立进行了深入研究，该模型可支持制冷加注量工况、系统制冷工况、系统制热工况、系统除湿工况及系统化霜工况，并能够模拟R134a、HFO、CO2、R290等新型制冷剂加注量。通过该模型可以快速模拟计算出不同工况下新能源汽车热管理系统试验台的干湿球温度、部件进出口压力、空气流量、制冷量和制热量等技术指标。

关键词：新能源汽车热管理热力学模型温度场

中图分类号： U469.72文献标识码：A        文章编号：1672-3791（2021）11（c）-0000-00

Abstract： This paper makes an in-depth study on the establishment of the thermodynamic model of the new energy vehicle thermal management system test-bed. The model can support the refrigeration filling capacity condition， system refrigeration condition， system heating condition， system dehumidification condition and system defrosting condition， and can simulate the filling capacity of new refrigerants such as R134a， HFO， CO2 and R290. The model can quickly simulate and calculate the dry and wet bulb temperature， component inlet and outlet pressure， air flow， refrigeration capacity and heating capacity of the new energy vehicle thermal management system test-bed under different working conditions.

Key Words： New energy vehicle; Thermal management; Thermodynamic model;Temperature Field

1背景介绍

我国汽车产业发展迅速，近年来产销量稳定在2800万辆，虽然传统汽车面临市场困境，但是新能源汽车产销量猛增，2018年产量达123万台，2020年达标产量为288万台，保有量达500万台。与传统燃油汽车相比，新能源汽车（特别是纯电动汽车）难以利用发动机余热作为制热源，只能通过高压电池产生热能，必须在保证安全性的前提下，尽可能提高热效率。因此，新能源汽车热管理系统的性能优劣直接关系到整车的可靠性、安全性和能耗水平。近年来，国内外自主汽车品牌（主要包括一汽、二汽、上汽、吉利、宝马、保时捷、大众、日产-雷诺、丰田、本田、现代、GM、Tesla）纷纷开始研发热泵型新能源汽车的热管理系统及其试验台，并计划量产推向市场[1]。通过前期调研发现，汽车厂家在研发过程中亟需完整体系的新能源汽车热管理系统试验台的检测方法与评价标准。

从本世纪初开始，我国开始制定汽车热管理系统的各项标准[2]。国家机械工业局在2000年发布了11 项汽车空调标准[3-4]，分别规定了传统汽车空调的冷气性能、暖风性能、除霜性能等性能指标的试验方法和评价要求。目前，我国现行的汽车空调标准为 GB/T 21361-2017《汽车用空调器》，其中制冷量采用空气焓差法进行测量，提出了温度、压力、流量的测量方法及制冷量的计算方法。但遗憾的是，上述标准仅根据传统汽车空调制定，一直没有涉及与新能源汽车热管理系统试验台相关的各项技术指标和检测方法，也未包含系统除湿和系统化霜等常用试验工况。

与传统汽车相比，新能源汽车的热管理系统采用了R134a、HFO、CO2、R290等一系列新型制冷劑，在制冷加注量、系统制冷、系统制热、系统除湿和系统化霜等试验工况下对其试验台的可靠性、安全性和准确性均提出了更高的要求[5]。目前，国内外各汽车企业大部分采用自编方法对新能源汽车热管理系统试验台的各项技术指标进行检测[6]，并没有形成统一的检测规范。

为了能够全面且深入了解新能源汽车热管理系统试验台在不同工况下运行时的温度场、压力场和流场分布，并最大限度地节约试验时间，该文将对新能源汽车热管理系统试验台进行热力学建模。该模型可支持制冷加注量工况、系统制冷工况、系统制热工况、系统除湿工况及系统化霜工况，并能够模拟R134a、HFO、CO2、R290等新型制冷剂加注量[7]。

2热力学模型建立

图1展示了新能源汽车热管理系统试验台的热力学模型建立过程。

通过该模型可以快速模拟计算出不同工况下新能源汽车热管理系统试验台的干湿球温度、部件进出口压力、空气流量、制冷量和制热量等技术指标。

3 模拟结果

根据上述步骤建立的新能源汽车热管理系统试验台热力学模型，给定求解器控制参数、离散格式和残差收敛标准，初始化流场，开始进行数值求解：选用层流模型进行计算，求解器选择压力和速度耦合的PISO算法，离散格式采用二阶迎风格式，残差收敛标准能量项为10-6，其他参数均为10-3。

当计算稳定后，通过对模拟结果的分析，可以预测新能源汽车热管理系统试验台中热交换器的温度场和流场模拟情况，如图1和图2所示。

4结语

为了推动建立和完善新能源汽车的产业计量标准，提高新能源汽车热管理系统试验台的计量检测能力，该文详细研究了新能源汽车热管理系统试验台的热力学模型建立方法。该模型可支持制冷加注量工况、系统制冷工况、系统制热工况、系统除湿工况及系统化霜工况，并能够模拟R134a、HFO、CO2、R290等新型制冷剂加注量。该模型可以快速模拟计算出不同工况下新能源汽车热管理系统试验台中热交换器的温度场和流场情况。

參考文献

[1]G Wang， Y Chao， Z Chen. Promoting developments of hydrogen powered vehicle and solar PV hydrogen production in China： A study based on evolutionary game theory method[J]. Energy，2021（237）：121649.

[2] 全国冷冻空调设备标准化技术委员会.汽车用空调器：GB/T 21361-2017[S].北京：中国标准出版社，2017.

[3] 全国汽车标准化技术委员会.汽车空调制冷装置性能要求：QC/T 656-2000[S].北京：中国标准出版社，2001.

[4] 全国汽车标准化技术委员会.汽车空调制冷装置试验方法：QC/T 657-2000[S].北京：中国标准出版社，2001.

[5] 王俊倩.新能源汽车热泵空调技术研究与应用探讨[J].内燃机与配件，2021（20）： 215-216.

[6] 全国冷冻空调设备标准化技术委员会.汽车空调用电动压缩机总成：GB/T 22068-2018[S].北京：中国标准出版社，2018.

[7] D. Frank， P. Champagne， E. Will， et al.Extended range of the Lockheed Martin coaxial Micro cryocooler[J].Cryogenics，2016（74）：55–58.

[8] 罗成志，王文斌，沈勇，等.基于阿里云的新能源汽车空调状况监测系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2021，21（1）：46-49.

[9] H. Z. Dang， Y. B. Zhao， CFD modeling and experimental verification of a single-stage coaxialStirling-type pulse tube cryocooler without either double-inletor multi-bypass operating at 30–35 K using mixed stainless steelmesh regenerator matrices[J]. Cryogenics，2016（78）： 40–50.