汽车双层流HVAC的研究及应用
陈金卫 刘建国 陈丽
关键词：汽车;双层流;HVAC ;节能;
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，其中上部葉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）。
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）。
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）。
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）。
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。
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。
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