汽车双层流HVAC 的研究及应用

文章来源：广汽乘用车有限公司   陈金卫、刘建国、陈丽

摘要：汽车在冬季使用时需要开启空调制热，为防止车窗起雾起结霜，必须开启外循环+ 除霜模式，将车外冷空气经过暖风芯体加热后给车内提供热空气，需要消耗大量的热量，这将增加电池电量及燃油的消耗。本文通过对HVAC 进行研究，采用双层流HVAC 结构，从而降低汽车电能消耗及油耗。

1 概述

HVAC 是安装在仪表台下具有加热、通风和空气调节功能的单元，通过吸入内气或者外气，经过蒸发器和暖风芯体将其调节成设定温度，吹入驾驶室内，起着向乘客提供舒适环境的重要作用[1]。作为汽车空调的核心部件，HVAC 结构设计的优劣直接影响空调系统的性能和用户体验。现有的汽车自动空调系统都设置有外循环和内循环送气，但是无论是单独的外循环还是内循环都存在一定的弊端。如外循环内耗大，且在重污染地带会吸入污染；而内循环则吸入新鲜空气少，不是很健康。如何在保证乘客舒适性的前提下，通过调节内外进风的混风比例，更多地利用车内处于比较舒适温度的空气参与换热，来实现降低能耗的需求，一直是汽车空调工程师攻关的课题。北方冬季行车，车窗易起雾起霜，必须开启外循环+ 除雾模式。车外冷空气经过暖风芯体加热后给车内提供热空气，需要消耗较大热量。对于燃油车，在气温较低时需要较长时间车内才能达到舒适温度；对于电动车，需要消耗更多的电量用于整车的采暖，从而降低整车续航里程[2-3]。如果能从HVAC 结构上进行优化改进，合理利用车内空气余热，将可以进一步降低能量消耗，达到降低油耗或电量的目的。双层流HVAC 则具备同时导入内气和外气的功能。下面将对双层流HVAC 的结构及其性能进行阐述。

2 双层流HVAC 结构说明

双层流HVAC 与常规HVAC 相比具有不同的进风箱和分配箱，可以实现内外气同时导入。

2.1 双层流HVAC 结构

双层流HVAC 进风箱分为上下2 个叶轮，其中上部叶轮可以导入新鲜外气，下部叶轮可以导入车内的内气。低湿度的外气通过外循环风门，经上层叶轮流入DEF 风道吹出。车内的内气通过内循环风门，经过叶轮内部导流槽进入下层叶轮，由吹脚风道吹出。HVAC 分配箱通过隔板分为上下两层，将内外气分开，内气从下层经吹脚风道吹出，可用于整车采暖；外气湿度较低，从上层经除霜风道吹出，吹向玻璃防止起雾（图1）。

                                                                图1 双层流HVAC 结构图示

2.2 双层流HVAC 与常规HVAC 对比

常规HVAC 鼓风机为单层叶轮，设定为内循环或者外循环模式下，只能导入100% 内气或者100% 外气。冬天制热只能采用低温的外气加热后给乘员舱供暖，热量消耗较大。对于电动车，将需要消耗大量的电量用于整车制热。双层流HVAC 鼓风机为双层叶轮，可以同时导入50% 内气以及50% 的外气，内气加热后通过吹脚风道吹出，用于整车采暖；外气加热后通过除霜风道吹出，用于玻璃除霜除雾[4]。内气相比外气温度较高，可以降低热量需求，从而提高制热效率，可以快速提高车内温度，减少电动车电量消耗，从而提升电动车的续航里程（图2）。

                                                            图2 双层流HVAC 内外气分层图示

3 双层流HVAC 性能特点

3.1 制热性能验证

本次试验选取了某电动车车型进行了试验验证。验证工况为：环境温度-20℃，最大制热模式。试验开始时未打开双层流，采用100% 外气模式，1 h 后出风口温度稳定在50℃。然后再开启双层流模式，继续测试出风口温度。从试验结果可以看出，开启双层流后出风口温度可继续上升，稳定在60℃。相比常规HVAC，出风口温度从50℃上升至60℃，出风口温度提升10℃（图3）。

                                                     图3 双层流和非双层流出风口温度对比

3.2 不同水温制热效果验证

由于双层流HVAC 与常规HVAC 相比，出风口温度能带来10℃的提升，因此可以将整车采暖时的最大目标水温降低10℃，目标水温由70℃下降至60℃，从而达到节能目的。从某电动车型采暖试验结果来看，环境温度-20℃工况下，双层流HVAC 目标水温设定为60℃，在水温稳定后可以达到常规HVAC 目标水温70℃的制热效果，出风口温度均为50℃，且升温过程较常规HVAC 更快（图4）。

                                                             图4 双层流HVAC 脚部出风温度曲线

3.3 双层流HVAC 节能效果

由于双层流可以使空调系统目标水温降低10℃，因此可以减少电动车电量的消耗。电动车制热采用PTC 作为热源，环境温度-20℃环境下，将水温加热到60℃，需消耗PTC 能量4 kW ；将水温加热到70℃，需消耗PTC 能量5 kW。因此对于双层流HVAC，每小时可节省电量1 kW · h。车辆以60 km/h 车速行驶从满电状态到0 电状态，以环境温度-20℃为例，在全里程内双层流空调可节省电量4.5 kW · h，可增加续航里程13 km。不同环境温度下，续航里程增加情况如表1。

                                                       表1 不同环境温度下，续航里程增加情况

4 总结

综上所述，双层流HVAC 较常规HVAC 相比导入了50% 内气，减少了排气能耗 损失，整车采暖性能明显提升，提高了整车舒适性。同时由于合理利用了内气，在降低电动车制热能耗提升续航里程上有明显效果，同时在燃油车上也可以减少能量损失，降低整车油耗。

【参考文献】

[1] 谷中昌, 石林, 高卫杰. 汽车HVAC 在线检测风量分配故障分析[J]. 汽车电器,2020(09):76+78.

[2] 孔凡清, 龚元聪, 赵雨晴, 等. 现代汽车空调HVAC 研究现状与发展趋势[J]. 环境工程,2016,34(S1):627-631.

[3] 朱信达, 苏林, 高浩, 等. 电动汽车HVAC 模块制热模式风量分配特性研究[J]. 轻工机械,2020,38(6):33-39+47.

[4] 叶立, 张梦伢, 叶欢, 等. 基于CFD 的新能源汽车HAVC 除霜模式研究[J].徐州工程学院学报( 自然科学版),2020,35(2):17-22+71.