9月20-21日，由中國人才研究會汽車人才專業(yè)委員會指導(dǎo)，專家汽車組及蓋世汽車主辦的"2019（第七屆）汽車與環(huán)境創(chuàng)新論壇"隆重舉辦，論壇以一個主論壇加四個平行論壇的形式，攜百名行業(yè)權(quán)威嘉賓，共同探討中國汽車產(chǎn)業(yè)在轉(zhuǎn)型升級的新形勢和新常態(tài)下，整車廠與零部件企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新、升級做強(qiáng)、共同應(yīng)對嚴(yán)峻市場和產(chǎn)業(yè)變革挑戰(zhàn)之發(fā)展路徑。以下為上海交通大學(xué)王丹東博士(導(dǎo)師：陳江平教授)演講內(nèi)容實錄：

上海交通大學(xué)王丹東博士

各位嘉賓大家上午好！我今天的報告主要圍繞整車熱管理系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)和前瞻性技術(shù)展開。

首先我們需要考慮，電氣化下的整車熱管理究竟面臨著哪些挑戰(zhàn)？從100多年前汽油車的發(fā)展開始，傳統(tǒng)的整車熱管理系統(tǒng)主要考慮發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)，以及余熱回收系統(tǒng)。從20多年前，普瑞斯的混合動力汽車開始一直到未來的自動駕駛汽車，電氣化的整車熱管理還包括了電子器件的散熱、電池燃料電池的熱管理、以及主機(jī)芯片的散熱，的范疇逐步的提升?？梢钥吹?，整車熱管理的重要性、復(fù)雜性、集成性呈現(xiàn)不斷升級的趨勢。

對傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，整車熱管理技術(shù)主要圍繞著考慮輕量化、低油耗、智能化的方向發(fā)展。而對于新能源汽車，我們更多的需要從熱管理系統(tǒng)的電動化、對續(xù)航里程的影響、對于整車安全性的影響、與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系等方面考慮。

我們來看純電動汽車中空調(diào)系統(tǒng)對于續(xù)航里程的影響。美國汽車協(xié)會發(fā)布了2019年最新的測試報告，選取了5款在美國的在售的電動汽車，在零下6.7度的環(huán)境下進(jìn)行測試，開空調(diào)和不開空調(diào)對比，開空調(diào)能夠降低續(xù)航里程平均達(dá)到40%以上。我國最新的2019年EV-TEST三款電動汽車在基于CLTP-C工況的零下7度的續(xù)航里程測試，在低溫環(huán)境的下降率也都超過40%，跟美國汽車協(xié)會得到的結(jié)論相似。由此可以總結(jié)空調(diào)系統(tǒng)在低溫下的續(xù)航里程對續(xù)航里程的影響不容忽視，未來如何降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，提升低溫續(xù)航里程是整車熱系統(tǒng)面臨巨大的挑戰(zhàn)之一。

另外在整車熱管理系統(tǒng)當(dāng)中，我們還要考慮熱系統(tǒng)對于環(huán)境的影響。汽車空調(diào)HFC-134a制冷劑排放占到HFC制冷劑總排放的1/3左右，造成全球每年千萬噸的二氧化碳當(dāng)量排放。根據(jù)基加利協(xié)議以及歐洲的車用制冷劑的法規(guī)要求，低GWP制冷劑替代已迫在眉睫。對于電動汽車，除了考慮制冷劑的制冷性能以外，更要考慮制冷劑的熱泵低溫制熱的性能，這給了CO2、R290等制冷劑帶來了新的應(yīng)用契機(jī)。因此，如何選擇開發(fā)對環(huán)境友好且具有優(yōu)異的制冷制熱性能也是整車熱管理系統(tǒng)面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。

我們梳理了汽車熱管理系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展路線，不管對燃油汽車還是新能源汽車，熱管理系統(tǒng)的節(jié)能高效、對環(huán)境友好將是未來技術(shù)發(fā)展的重要方向。另外，智能網(wǎng)聯(lián)汽車中，通過熱管理系統(tǒng)為電動化汽車提供健康、舒適、個性化的空間，也是未來技術(shù)發(fā)展的主要方向。

接下來我將分享課題組在電動汽車低溫?zé)岜眉夹g(shù)方面的一些研究，熱泵化的制熱系統(tǒng)已經(jīng)成為重要趨勢，包括量產(chǎn)的熱泵系統(tǒng)包括普銳斯、寶馬i3、上汽Ei5等。雖然熱泵系統(tǒng)能提升系統(tǒng)制熱能效，但是熱泵系統(tǒng)其實還仍然有非常多的挑戰(zhàn)。我們課題組首先對于R134a、R1234yf補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)做了詳細(xì)研究，通過優(yōu)化系統(tǒng)匹配和補(bǔ)氣壓力，在零下20度環(huán)境下R1234yf補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)提高制熱量超過25%以上。但是R1234yf制冷劑的成本遠(yuǎn)高于R134a制冷劑，是目前面臨的應(yīng)用挑戰(zhàn)之一。此外，我們研制了基于R290制冷劑的車用熱泵系統(tǒng)。采用二次回路規(guī)避制冷劑的安全性風(fēng)險，同時提出了新型的二次回路熱泵架構(gòu)，通過該架構(gòu)顯著提升R290的低溫制熱成效，在零下20度全新風(fēng)的環(huán)境下，R290的二次回路系統(tǒng)能夠達(dá)到4.7kw的制熱量和2.26的COP，可以總結(jié)得到R290系統(tǒng)無論是在制冷能效、制熱能效、環(huán)保效應(yīng)還是經(jīng)濟(jì)性方面都具有顯著的優(yōu)勢，目前也跟合作單位推進(jìn)R290熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

此外，2017奔馳奧迪推出了采用搭載CO2空調(diào)汽車的量產(chǎn)車。我們課題組從2003年開始一直持續(xù)研究CO2車用空調(diào)和車用熱泵系統(tǒng)。與常規(guī)的R134a、R1234yf相比，CO2跨臨界系統(tǒng)存在高運行壓力、高排氣溫度在PAG與制冷劑分離擬臨界區(qū)物性突變等方面的特殊性，由此將零部件開發(fā)、系統(tǒng)匹配設(shè)計等方面帶來重大挑戰(zhàn)。在我們的研究中創(chuàng)造性的提出了串聯(lián)式熱泵系統(tǒng)新架構(gòu)提升系統(tǒng)的低溫制熱性能。另外我們觀測了低壓儲液器內(nèi)部潤滑油、液相制冷劑和氣相制冷劑的三相流動行為，明確了在不同充注量條件下制冷劑遷移行為，由此解決了變工況下潤滑油遷移、系統(tǒng)高壓控制的技術(shù)難點。在此基礎(chǔ)上與合作單位共同開發(fā)了國內(nèi)首款CO2電動壓縮機(jī)、CO2車用電子膨脹閥、CO2換熱器。改進(jìn)后的零部件以及系統(tǒng)在低溫環(huán)境下面進(jìn)行了實驗測試，在最高轉(zhuǎn)速下零下20度全新風(fēng)工況下，出風(fēng)溫度超過40度，COP超過1.8，可以完全取代PTC加熱。與R134a補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)相比，CO2系統(tǒng)的出風(fēng)溫度將高出20度，制熱量將高出50%。由此說明串聯(lián)式CO2車用熱泵在低溫制熱環(huán)境下面的制熱性能非常優(yōu)異?；谀Ｐ鸵苍u估了現(xiàn)有PTC制熱、R134a系統(tǒng)、CO2熱泵系統(tǒng)對于低溫續(xù)航里程的影響，與PTC的制熱相比CO2系統(tǒng)在零下20度工況提升續(xù)航里程超過43%；與R134a補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)相比，CO2提升綜合COP超過30%，在補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可以繼續(xù)提高低溫續(xù)航里程達(dá)8%-17%。除了環(huán)保高效的車用熱泵系統(tǒng)研究以外，我們也深入研究了低溫?zé)岜眯蜏u旋壓縮機(jī)。自主開發(fā)了變節(jié)距型線的幾何模型、熱力學(xué)模型、系統(tǒng)仿真模型等，由此進(jìn)行了正向和逆向的型線設(shè)計，優(yōu)化了壁厚、公轉(zhuǎn)半徑等關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計。優(yōu)化后的熱泵壓縮機(jī)總等熵效率提升了3個百分點。

接下來我分享混合動力汽車余熱回收技術(shù)方面的進(jìn)展，有機(jī)朗肯循環(huán)是提升發(fā)動機(jī)熱效率的重要技術(shù)之一。前面在郭博士的分享當(dāng)中看到，發(fā)動機(jī)的熱效率在不斷的提升。電氣化下的發(fā)動機(jī)將更有可能在更穩(wěn)定的負(fù)荷與轉(zhuǎn)速下運行，越穩(wěn)定的工況，ORC的余熱回收技術(shù)更適用。我們課題組一直在做ORC的余熱回收朗肯循環(huán)，右邊是我們搭建的ORC的測試實驗臺。我們研究了替代現(xiàn)有R245fa工質(zhì)的新型替代工質(zhì)對系統(tǒng)循環(huán)效率的影響，我們也與合作單位共同測試了新一代的ORC的膨脹機(jī)，該膨脹機(jī)的等熵效率最高達(dá)到0.75，該效率也將意味著ORC系統(tǒng)能夠產(chǎn)生非常高的發(fā)電效率。

針對燃料電池汽車熱系統(tǒng)的研究，氫燃料電池的大容量散熱以及低溫環(huán)境下的冷啟動問題是目前氫燃料汽車熱管理面臨的主要挑戰(zhàn)。課題組在冷板的設(shè)計、以及室外換熱器、前端模塊集成、前艙流場對于散熱系統(tǒng)的影響特性等方面做了大量的仿真以及實驗研究工作。目前我們將改進(jìn)的系統(tǒng)安裝在一款氫燃料電池汽車上面進(jìn)行實車驗證測試。針對純電動汽車，超級快充帶來的大幅度散熱增加是未來電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)面臨的重要挑戰(zhàn)之一。極速快充熱管理散熱量將增加3-5倍，這會造成整車熱管理系統(tǒng)的全新變革。目前課題組也在這方面開展前瞻性的研究。對于無人駕駛汽車，芯片的散熱量非常高，目前課題組也在研究如何解決該芯片散熱造成的微型散熱器設(shè)計、系統(tǒng)匹配優(yōu)化等難題。

接下來我將分享我們在智能網(wǎng)聯(lián)汽車AI熱管理技術(shù)方面的研究，人工智能技術(shù)對系統(tǒng)節(jié)能控制、個性化的舒適性控制、熱管理的預(yù)測診斷將發(fā)揮巨大的作用。目前我們課題組成功研制了基于人工智能的熱系統(tǒng)的節(jié)能控制技術(shù)，包括車用熱泵目標(biāo)出風(fēng)溫度和過冷度最優(yōu)控制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、聯(lián)合天氣預(yù)報與溫濕度感知的人工智能控制系統(tǒng)、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的熱泵空調(diào)瞬態(tài)建模方法、基于敏感性分析的車用熱系統(tǒng)的標(biāo)定方法，未來這些技術(shù)將有可能被應(yīng)用在整車系統(tǒng)中。電氣化下整車對于個性化的熱舒適性方面也提出了更高的要求，我們開發(fā)了人工智能的算法來實現(xiàn)個性化的熱舒適性控制。我們想象電動汽車當(dāng)中將未來將具有一個熱大腦，這個熱大腦實時感知外部環(huán)境、從云端獲得歷史與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)通過熱大腦再做出一些利于節(jié)能個性化舒適性控制的目標(biāo)參數(shù)決策，由此來實現(xiàn)系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)和系統(tǒng)性能的提升。

除了上述的這些技術(shù)以外，我也將分享我們在其他噴射技術(shù)、固態(tài)制冷技術(shù)方面的探索。目前電子膨脹閥得到了規(guī)模性的應(yīng)用，若采用電子式的噴射器替代現(xiàn)有的電子膨脹閥是可以有效的回收在節(jié)流過程當(dāng)中的膨脹損失，從而提升制冷能效。目前我們研制的CO2制冷劑噴射器，能夠?qū)崿F(xiàn)COP 8%-14%的提升。未來在電氣化的熱管理系統(tǒng)中，噴射器將具有非常大的應(yīng)用潛能。另外團(tuán)隊在電卡制冷技術(shù)的最新研究作為封面文章成果發(fā)表在Joule雜志，電卡制冷技術(shù)采用電卡材料，通過加電場和去電場達(dá)到溫度變化。電卡制冷系統(tǒng)將有望達(dá)到非常高的COP水平，并實現(xiàn)真正的零排放。

最后我做一個總結(jié)，電氣化下的熱管理系統(tǒng)無論在重要性、復(fù)雜性、系統(tǒng)集成性等方面都得到非常大的提升，未來車用低溫?zé)岜眉夹g(shù)、ORC技術(shù)、噴射技術(shù)、人工智能技術(shù)以及固態(tài)制冷劑技術(shù)方面都將驅(qū)動整車熱管理系統(tǒng)的升級和發(fā)展。

我的報告到此結(jié)束，謝謝大家！

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