车用CO2热泵型热管理系统研究进展_车用热泵空调技术课件

车车用用CO2热泵热泵型型热热管理系管理系统统研究研究进进展展车用CO2热泵型热管理系统研究进展10301CO2热热系系统统研研发发基基础础04ID4热泵热泵系系统对标统对标02CO2换热换热器器设计设计开开发发CO2控制系控制系统统研研发发05CO2实验实验/仿真平台仿真平台06CO2车车用用热泵热泵系系统总结统总结03010402CO2控制系统研发05062碳达峰、碳中和背景碳达峰、碳中和背景下下CO2热热泵泵型型热热管理管理系系统统机遇机遇碳碳中和中和背背景景下下的制的制冷冷剂剂替替代代为实现为实现双碳目双碳目标标，制冷，制冷剂剂替代迫在替代迫在眉眉睫；睫；蒙特利蒙特利尔尔议议定定书书基加利修正案基加利修正案生生效；效；第一届含氟气体今年第一届含氟气体今年9月月15日召日召开开；新新能源能源智智能能汽汽车车的的发发展展演演进进电动电动汽汽车车成成为为第三空第三空间间，不再是，不再是简简单单交通交通工工具；具；演演进进成成为为服服务务体系和生体系和生态态系系统统平台；平台；普通消普通消费费者将者将共共享技享技术术进进步步带带来来的高品的高品质质、高、高端端产产品品13422CO2环环保、低温制保、低温制热热性性能能优优势势CO2自然工自然工质质,GWP=1,对环对环境友好，不可燃；境友好，不可燃；CO2车车用用热泵热泵低温制低温制热热能效能效优优势势；跨跨临临界循界循环环、高滑移温度、容、高滑移温度、容积积制制热热量大；量大；CO2量量产产条件日益条件日益成成熟熟ID4的全球量的全球量产产促促进进了国内了国内外外零部零部件件产业产业链链发发展；展；造造车车新新势势力聚焦投入力聚焦投入CO热热泵泵系系统统；资资本市本市场场成成“热热系系统统”转转型升型升级级强强劲劲引擎；引擎；碳达峰、碳中和背景下CO2热泵型热管理系统机遇碳中和背景下的3团队团队CO2车车用空用空调调/热热泵泵研研发发经经验验Daimler 2017Lorentzen 1993RACE-Project 1994-1997Volkswagen 2021Audi A8 4N 2018IMAC课题组课题组成果成果2003大众桑塔大众桑塔纳纳2009长长安安2017上汽大众上汽大众2018鼎鼎汉汉列列车车2020宇通客宇通客车车2021ID4对标对标及及面向量面向量产产的研的研发发团队CO2车用空调/热泵研发经验Daimler 2017L4压缩机8000RPM，在-20全新风工况达到5.6kW制热量、40.4的出风温度和1.8COPh；与常规热泵系统相比，串联式热泵可以提升COP与制热量达30%以上；与R134a补气增焓相比，制热量提高51%，-20度工况，出风温度提高20.5；CO2串串联联式高效式高效热泵热泵性性能能优势优势压缩机8000 RPM，在-20 全新风工况达到5.6 k5CO2车车用高效用高效热泵热泵系系统统研制研制高效高效热泵热泵系系统统架构，大幅度提升架构，大幅度提升CO2低温低温系系统统能效能效利用利用AC模式下的室内蒸模式下的室内蒸 发发器器(EVA)，从从压缩压缩机机 排排出的出的制制冷冷剂剂先先流流动动第第 一气冷器一气冷器IGC，再流再流过过 第二气冷器第二气冷器EVA串联式热泵新架构常规热泵架构Wang D,Yu B,Li W,et al.Heating performance evaluation of a CO2 heat pump system for an electrical vehicle at cold ambient temperaturesJ.Applied Thermal Engineering,2018,142:656-664.单一内部气冷器换热面 积受限，高负荷工况换 热效率较低CO2车用高效热泵系统研制高效热泵系统架构，大幅度提升CO26CO2车车用高效用高效热泵热泵系系统统研制研制可可视视化探索系化探索系统统充注量充注量特特性与性与影影响响规规律律，有，有效效改改进进最最优优高高压压控制方法，控制方法，确确保系保系统统动态动态高高效运行效运行CO2车用高效热泵系统研制可视化探索系统充注量特性与影响规7CO2车车用高效用高效热泵热泵系系统统研制研制率先与上汽大众、率先与上汽大众、F供供应应商共同商共同开开发发CO2整整车车控控制系制系统统，冬，冬季季极寒极寒路路试试效效果果优优异异2017年底与上海大众建立了面向VW的R744热泵空调包含整车厂，科研单位，系统厂，压缩机厂的四方联合研究开发项目CO2车用高效热泵系统研制率先与上汽大众、F供应商共同开发C8CO2客客车车、列、列车热泵车热泵空空调调系系统统自主开自主开发发国内第一套国内第一套CO2客客车热泵车热泵空空调调系系统统，已完成装，已完成装车测试车测试。(-20制制热热COP 2.5，制，制热热量量25 kW)自主开自主开发发的的CO2列列车热泵车热泵空空调调系系统统出口欧洲，出口欧洲，应应用于德国用于德国联联邦邦铁铁路路CO2客车、列车热泵空调系统自主开发国内第一套CO2客车热泵9CO2车车用用热泵热泵研研发发学学术术研究研究基基础础团队自2001年起，IJR、ATE、ENERGY等国际期刊发表超过50篇关于CO2车用空调系统的研究论文申请专利超过20余项，培养超过10位涉及CO2系统研究方向的硕士生、博士生1.Song X,Lu D,Lei Q,et al.Experimental study on heating performance of a CO2 heat pump system for an electricbusJ.Applied Thermal Engineering,2021,190:116789.2.Song X,Lu D,Lei Q,et al.Energy and exergy analyses of a transcritical CO2 air conditioning system for an electric busJ.Applied Thermal Engineering,2021,190:116819.3.Wang D,Yu B,Li W,et al.Heating performance evaluation of a CO2 heat pump system for an electrical vehicle at cold ambient temperaturesJ.Applied Thermal Engineering,2018,142:656-664.（谷歌引用38次）4.Yu B,Yang J,Wang D,et al.An updated review of recent advances on modified technologies in transcritical CO2refrigeration cycleJ.Energy,2019,189:116147.（谷歌引用38次）5.Wang D,Yu B,Hu J,et al.Heating performance characteristics of CO2 heat pump system for electrical vehicle in a cold climateJ.international journal of refrigeration,2018,85:27-41.（谷歌引用58次）6.Wang D,Zhang Z,Yu B,et al.Experimental research on charge determination and accumulator behavior in trans-critical CO2 mobile air-conditioning systemJ.Energy,2019,183:106-115.CO2车用热泵研发学术研究基础团队自2001年起，IJR、A100201CO2热热系系统统研研发发基基础础04ID4 热泵热泵系系统对标统对标CO2换热换热器器设计设计开开发发03CO2控制系控制系统统研研发发05CO2实验实验/仿真平台仿真平台06CO2车车用用热泵热泵系系统总结统总结020104CO2换热器设计开发03050611CO2蒸蒸发发器的器的设计设计开开发发246.75250蒸蒸发发器的性能确保整器的性能确保整车车降温性能的关降温性能的关键键；最最优优化化设计设计扁管参数与流程，提高高扁管参数与流程，提高高负负荷工况下的荷工况下的换热换热性能；性能；1000080006000400020000工况1工况3换热量（W）EVA性能Bench1工况2A-sampleCO2蒸发器的设计开发246.7525蒸发器的性能确保整车降12CO2室外室外换热换热器的器的设设计计开开发发119651196911960119373623368537363780140001200010000800060004000200001.001.261.602.06换热量/W流程制冷剂侧优化：流程参数AC-GCHP-EVA结结构构设计设计：耐高：耐高压压、低流阻、低油滞留量、低流阻、低油滞留量最最优优化化设计设计气冷器扁管参数以及翅片参数，性能最气冷器扁管参数以及翅片参数，性能最优优；最佳平衡最佳平衡设设计计AC高高负负荷性能荷性能/低低负负荷性能荷性能/低温低温HP性能；性能；1196511664373636003500014000120001000080006000400020000.871.10换热量/W翅片空气侧最优匹配11791AC-GC1.00HP-EVA爆爆破破压压力力 425bar425barCO2室外换热器的设计开发1196511969119601113CO2室外室外换热换热器的器的设设计计开开发发9000100001100012000130001400014换热量（W）2室外风速(m/s)OGC-AC性能Bench1Bench2A-sample0100020003000400050000-20换热量（W）OGC-HP性能-10室外温度()Bench1A-sampleCO2室外换热器的设计开发9000100001100012014内部气冷器的内部气冷器的设计设计开开发发制冷剂进口室内换热器空气流向制冷剂出口蒸发器优优化化设计设计气冷器气冷器结结构，提高构，提高传热传热性能、出性能、出风风均匀性；均匀性；最最优优化串化串联联式匹配性能，提高系式匹配性能，提高系统统制制热热性能性能1000020005000400030006000工况2换热量（W）IGC性能工况1Bench1A-sample70006000500040003000200010000工况2换热量（W）IGC与EVA串联性能工况1Bench1A-sampleIGCIGC单单体体IGC+EVAIGC+EVA串串联联内部气冷器的设计开发制冷剂进 口室内换热 器制冷剂出 口优化150201CO2热热系系统统研研发发基基础础04ID4 热泵热泵系系统对标统对标CO2换热换热器器设计设计开开发发03CO2控制系控制系统统研研发发05CO2实验实验/仿真平台仿真平台06CO2车车用用热泵热泵系系统总结统总结020104CO2换热器设计开发03050616CO2热泵热泵控制器控制器设计设计与与开开发发基于基于AUTOSARAUTOSAR的的软软件架构的硬件平台件架构的硬件平台COCO2 2多温区多温区热热域域控制控制器器CO2热泵控制器设计与开发基于AUTOSAR的软件架构的硬件17CO2热泵热泵控制策略控制策略设设计计与开与开发发以以CO2低温低温热泵热泵系系统统性能性能最最优为优为第第一一前前提提：HP制热量、COP最优化AC制热量、COP最优化除湿模式COP最优化兼兼容客容客户户复复杂杂功功能能模式模式需需求求：HP制热模式、HP除湿AC模式、电池冷却化霜模式电池加热模式余热回收模式快速制冷/制热压缩机供热模式CO2热泵控制策略设计与开发以CO2低温热泵系统性能最优为第180201CO2热热系系统统研研发发基基础础04ID4 热泵热泵系系统对标统对标CO2换热换热器器设计设计开开发发03CO2控制系控制系统统研研发发05CO2实验实验/仿真平台仿真平台06CO2车车用用热泵热泵系系统总结统总结020104CO2换热器设计开发03050619ID4 CO2热泵热泵系系统对标统对标ACCUACCU/IHIHX X空空调调箱箱膨膨胀胀阀阀压压缩缩机机内内部气部气冷冷器器室室外外换换热热器器蒸蒸发发器器管路管路ChilChill le er rID4ID4对标对标零零件件获获取取2021.04-2021.06ID4 CO2热泵系统对标ACCU/IHX空调箱膨胀阀压缩机20ID4 CO2热泵热泵系系统对标统对标实车实车管路管路系系统统安装安装2021.07-2021.08ID4 CO2热泵系统对标实车管路系统安装2021.07-21ID4 CO2热泵热泵系系统对标统对标执执行器行器驱动驱动2021.08-2021.09对标对标实验实验 2021.09-2021.100501001502000.05.010.015.020.0T_cproSH_accuCharge curve(-10/-10)280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580Charge amount(g)SH_acciT_cproID4 CO2热泵系统对标执行器驱动2021.08-202122ID4 CO2热泵热泵系系统对标统对标FANOGCEVAPEXV1IGCBatteryE-CompressorACCU/IHXASV2EXV2PTCWPTCHVACEXV3RadiatorINV ERTERMOTORPT 5Pump_motorTRVCHARG ERDC/DCTV2TV1Pump_batteryASV3ASV1ASV4ASV5 PT 1PT4PT3PT2ID4 CO2热泵系统对标FANOGCEVAPEXV1IGC230201CO2热热系系统统研研发发基基础础04ID4 热泵热泵系系统对标统对标CO2换热换热器器设计设计与开与开发发03CO2控制系控制系统统研研发发05CO2实验实验/仿真平台仿真平台06CO2车车用用热泵热泵系系统总结统总结020104CO2换热器设计与开发03050624CO2实验测试实验测试平台平台自主研自主研制制CO2热热泵泵系系统统综综合性合性能能试验试验台台，用，用于于CO2热热泵泵零部零部件件/系系统统性能性能实实验验CO2实验测试平台自主研制CO2热泵系统综合性能试验台，用于25CO2实验测试实验测试平台平台自主研自主研制制CO2热热泵泵系系统统综综合性合性能能试验试验台台，用，用于于CO2热热泵泵零部零部件件/系系统统性能性能实实验验CO2实验测试平台自主研制CO2热泵系统综合性能试验台，用于26CO2实验测试实验测试平台平台典型典型实验测试项实验测试项目及目及实实验验工况工况:OGCAC单体性能测试OGCHP单体性能测试OGCAC单体性能测试OGCHP单体性能测试IGCHP单体性能测试EVAHP单体性能测试EVAAC单体性能测试COMP单体性能测试ACCU单体性能测试Chiller单体性能测试Ref inlet PMPa712.512.5Ref inlet TC70150145Ref mass flowkg/h90198110Air inlet TC254555Air Vel.m/s222OGC-ACOGC-HPEVA-ACRef outlet PMPaA2.521.5Ref outlet TC-7-15-23Ref flowkg/h12010080Air inlet TC0-10-20 Air Vel.m/s222Ref valve inlet PMPaA1212Ref valve inlet TC3035Ref outlet PMPaA3.53.5Outlet SHC53Air inlet TC4027RH%4050 Air flowm3/h500530CO2实验测试平台典型实验测试项目及实验工况:OGC AC单27CO2模型仿真平台模型仿真平台自主开自主开发发CO2系系统统仿真平台仿真平台软件功能：）CO2汽车空调系统零部件单体性能计算CO2汽车空调/HP系统稳态性能计算（WithorwithoutIHXCO2热泵系统稳态性能计算CO2汽车空调系统充注量计算用途：预测系统零部件性能指导零部件结构参数优化设计预测系统性能预测系统设计优化CO2跨临界系统循环CO2模型仿真平台自主开发CO2 系统仿真平台）CO2汽车空28商用商用软软件件CO2模型仿真平台模型仿真平台CO2模型仿真平台模型仿真平台商用软件CO2模型仿真平台CO2模型仿真平台29CO2模型仿真平台模型仿真平台-模型模型应应用用模型模型应应用：用：传热传热特性、温度特性、温度场场的分布解析的分布解析零部件零部件结结构参数的改构参数的改进设计优进设计优化化CO2模型仿真平台-模型应用模型应用：传热特性、温度场的分布300201CO2热热系系统统研研发发基基础础04ID4 热泵热泵系系统对标统对标CO2换热换热器器设计设计开开发发03CO2控制系控制系统统研研发发05CO2实验实验/仿真平台仿真平台06CO2车车用用热泵热泵系系统总结统总结020104CO2换热器设计开发03050631CO2车车用用热泵热泵系系统统开开发发总结总结新能源汽新能源汽车车逐逐渐渐演演进进成成为为生生态态系系统统平台，提升用平台，提升用车车体体验验和价和价值值的核心理念的核心理念驱动热驱动热管理系管理系统统技技术术的不断的不断颠颠覆、迭代、升覆、迭代、升级级。面向面向电动车电动车的的CO2热热管管理技理技术术有助于降低制冷有助于降低制冷剂剂碳排放、延碳排放、延长长冬季冬季续续航里程，航里程，正面正面临临着前所未有的着前所未有的发发展机遇；展机遇；课题组历经课题组历经15年研年研发积发积累累CO2热泵热泵技技术术，克服了能效提升、系，克服了能效提升、系统统最最优优控制控制等技等技术难术难点，成功点，成功应应用于乘用用于乘用车车、客、客车车、列、列车车等等CO2车用热泵系统开发总结新能源汽车逐渐演进成为生态系统平台32