电动汽车冬季乘员舱热环境分析

邓 昱，霍为炜，2，3，成亚仙，赵 理，2，3

（1.北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192；2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100192；3.新能源汽车北京实验室，北京 100192）

1 引言

里程焦虑是限制纯电动汽车发展的一个主要问题。相较于传统燃油汽车，纯电动汽车的空调系统主要能量来源于动力电池，作为动力电池的主要负载之一，空调系统使用所产生的能耗往往会导致电动汽车续驶里程降低（18～53.7）%[1]。随着计算机性能的提高以及仿真分析软件的开发，乘员舱的热仿真分析被越来越多的研究者用于指导高效节能的空调系统的开发，从而提高纯电动汽车的续驶里程，是目前纯电动汽车热管理的重要研究方向之一。车辆的乘员舱相对狭小封闭，乘坐的热舒适性直接取决于乘员舱的内部热环境。乘员舱内部热环境变化主要影响因素包括车身设计、环境温度、车身材料的隔热性、车窗材料的光学特性等。因此，国内外研究者从车身设计出发，对空调出风口布置、空调送风参数等做了许多研究，降低乘员舱内部热负荷，从而减轻空调系统的能耗。

文献[3]研究比较了太阳辐射和玻璃特性对乘员舱内气流和温度分布的影响，另外分析了不同模型的仿真差异性。文献[4]设计了十二种不同送风参数的模拟方案，通过对乘员舱内的温度分布、空气流速分布的分析，研究了不同送风温度、风量、角度对乘员舱内热流场、人体热舒适性以及空调冷负荷的影响，并以空调冷负荷作为节能型指标进行能耗对比。文献[5]结合现有空调送风口结构形式设计了三种汽车局部空调送风口结构，并与普通汽车空调工况中热舒适性较好的一种工况进行了对比。

结果表明，顶置送风口及侧置送风口组合供风的情况下，热舒适性以及经济性较好。文献[6]将人体视为均质热源，在考虑太阳辐射以及人体与环境传热的情况下，编写了UDF 对人体和乘员舱表面温度、空气流速、吹风感以及PMV−PDD 值的分布情况进行模拟，对比分析了不同边界条件设置对人体表面温度的影响。

文献[7]结合试验与仿真，得到乘员舱内温度、速度分布的不均匀度，基于stolwijk人体热调节模型，对比分析了两种送风方式下的人体热舒适性。文献[8]引用人体热条件模型，对不同送风温度，送风速度，送风角度的12种工况进行了仿真计算，分析了不同送风参数对轿车室内流场的影响规律。

基于CFD对乘员舱流畅进行仿真分析，得到乘员舱内部温度场，为了给仿真研究数据提供数据支撑，以某纯电动乘用车为试验车辆进行了试验，采集空间点的温度作为状态参考量。并在相同风速、送风温度的情况下，对比分析不同出风口角度对乘员舱热环境的影响。

2 试验设计

试验时间为11 月29 日中午12 点到16 点。试验车辆停放在水平路面。试验开始前应当检验车窗、车门是否处于密闭状态。

试验使用温度传感器对前排座椅、仪表盘、前挡风玻璃、后排座椅等多个空间点进行温度采集，使用XSR40−MS2V0无纸记录仪对传感器温度进行读取和采集，温度传感器布置，如图1所示。

图1 乘员舱内部温度传感器布置Fig.1 Arrangement of Temperature Sensors Inside the Passenger Compartment

试验流程如下：

（1）开启空调至乘员舱内气温达到20℃，关闭空调开始降温沉浸，由于室外气温较低，当温度传感器数值稳定且保持5min时，认为乘员舱达到热平衡状态；

（2）设置空调风速、温度及出风口角度等参数；

（3）开启空调进行升温试验，当温度传感器数值稳定且保持5min时，认为乘员舱达到热平衡状态，记录试验数据；

（4）试验结束后重复步骤一操作，当乘员舱再次沉浸后开始下一轮试验。

3 模型的建立

基于三维CFD对乘员舱内部流场进行仿真分析。经典CFD采用有限体积法，将流体区域离散处理成有限个具有一定体积的计算单元，整个流场空间内的计算单元构成仿真计算网格，然后根据设置的边界条件采用适当的数值计算方法对网格各个单元的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程进行数值求解，计算出各个单元上的流体温度、速度、压强等物理特征、最终以离散单元上的物理量表征整个连续流域的物理特性[9]。不同的边界条件设定、网格数量多少、网格质量高低对CFD仿真的结果都有十分重要的影响。

3.1 数值计算模型

当空气流速低于当地1/3声速时，流体可当作不可压缩流气体，因此本研究乘员舱内空气被认为是不可压缩流气体，比热容、粘性为定值。其传热跟流动过程受质量、动量、能量守恒方程控制。在笛卡尔坐标系下，车内流场控制方程以张量的形式可以描述为：

式中：U—流体速度；u、v、w—U在x、y、z方向上的速度分量；P—计算单元上的压强；r—空气的流动粘度；T、ρ、Cp—单元内的温度、密度和比热容；Q—流体内的能量源转化为内能的能量。

假设乘员舱内空气为理想气体，我们可以补充其状态方程进行求解：

式中：R—摩尔气体常数。

3.2 湍流模型

湍流是流体在流域内的一种极其复杂的空间瞬态不规则流动状态。当流体处于湍流状态时，将会随机地生成无数拥有不同方向尺寸的涡旋，从而导致流体速度、温度和压强等流场特征变量的脉动响应[11]。

动量方程被称为Navier−Stokes 方程（简称N−S方程），能准确对湍流流动细节进行描述，但是计算量过大。目前湍流数值求解方法常分为三类：直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，简称DNS）、大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称LES）、雷诺时均法（Reynolds Average Navier−Stokes，简称RANS）。

DNS和LES的方法计算压力相较于RANS要大得多，RANS采用时均的方法，计算压力较小且能满足实际应用的需求，因此RANS是目前常用的数值模拟方法。

选用RNG k−ε 模型对乘员舱内部流场及传热进行计算。RNG k−ε模型相比其他湍流模型在旋转流、分离流、模拟圆形射流、平面扩散速度以及带有方向的压强边界层计算等方面都更为准确。

3.3 三维模型的建立以及网格划分

以试验车辆尺寸为建立模型，为了保证网格质量，提高仿真精度，对乘员舱内部复杂特征进行了简化，保留乘员舱内主要部件特征。

将Creo建立模型导入ICEM CFD中进行网格划分。因为乘员舱内部特征较为复杂，因此网格划分方法采用四面体结构网格划分，考虑到计算量的问题，对速度入口、人体模型等重点检测部位进行网格加密，体网格数量为900083，如图2所示。网格划分后需要对边界条件进行设置，主要的边界条件有：入口边界、出口边界、固体壁面边界等。

图2 乘员舱网格模型Fig.2 Passenger Compartment Mesh Model

4 热沉浸过程稳态计算

本研究在不考虑太阳辐射的情况下对乘员舱热环境进行稳态求解。基于Fluent 软件模拟乘员舱内部流场瞬态响应过程。固体壁面的温度常设定为恒定值，根据实验所得数据对各固体壁面进行初始温度标定，空调入口不出风，当仿真过程中温度不再变化时认为此时乘员舱温度为沉浸状态。

空调出风口温度为27.5℃，风速6m/s情况下，试验结束后的采样点仿真与试验温度对比图，如图3（a）所示。图中可以看出，试验温度与仿真温度差距较小，最大温差点在后排座椅采样点为1.47℃，误差为7.35%。

图3 试验与仿真温度对比图Fig.3 Comparison Chart of Test and Simulation Temperature

空调出风口温度为25℃，风速6m/s情况下，试验结束后的采样点仿真与试验温度对比图，如图3（b）所示。

图中可以看出，试验温度与仿真温度差距较小，最大温差点在驾驶员座椅采样点为1.18℃，误差为5.9%。由此可见，在冬季条件下，模型具有较好的普适性。

5 结果分析

仿真过程中乘员舱Y方向驾驶员平面温度分布，如图4 所示。采样时间分别为0s，50s，100s，200s，400s，800s，1200s，1800s。

图4 乘员舱Y方向驾驶员截面温度分布云图Fig.4 Temperature Distribution Nephogram of Driver Section in Y−Direction of Passenger Compartment

开启空调后30min，车内气温从初始设定温度12℃开始升温。在升温过程中，乘员舱各区域温度分布存在明显的非均匀性。

空调工作50s后，乘员舱靠近出风口的区域出现明显的温度上升，但是后排部分受影响较小。

空调工作100s后，后排部分也开始有温度的上升，在空调工作400s后，乘员舱整体有了明显的温度提升，工作800s后，乘员舱基本上整体达到舒适温度，且往后温度不再有明显的温升，其均匀性随空调的工作进一步提高，逐渐达到热平衡。

5.1 热舒适性主观评价理论基础

目前应用最为广泛的热舒适性评价指标是丹麦学者Fanger教授提出的PMV−PPD（Predicted Mean Vote Predicted Percent‐age Dissatisfied，即平均投票预测和不满意百分比）热舒适性评价方法[12]。

PMV 评价指标参考变量包括环境温度、平均辐射温度、相对湿度、平均风速、着衣量、着衣量。将人体热感觉分为7个阶段。

表1 PMV热感觉评价指标Tab.1 PMV Thermal Sensory Evaluation Index

根据ISO7730 标准对PMV 的推荐值为−0.5

PMV表达式如下：

式中：M—体表的代谢率；W—人体所做机械功；H—体表面对流、辐射热损失；Ee—皮肤上的散热和出汗散热量；Cres—呼吸中的显热损失量；Eres—呼吸中的潜热损失量。

PMV忽略了人群个体差异，在某些大部分人觉得属实的热环境中储存在小部分人感觉不满意，因此Fanger 教授又提出了PPD指标[14]，其表达式如下：

5.2 温度分布对比分析

在保证其他仿真参数一致的情况下，将吹风口角度进行调整，分别设置为−30°、0°、30°、60°。

选取乘员舱驾驶员中心平面作为参考，对多种出风口角度下温度分布进行对比分析，如图5所示。

图5 各出风口角度乘员舱驾驶员平面温度分布云图Fig.5 Temperature Distribution Nephogram of Driver Section of Passenger Compartment at Various Air Outlet Angles

由图可知，出风口角度为0°、30°、60°时乘员舱整体沉浸温度相近，而当出风口角度为−30°时，后排乘坐空间沉浸温度较低。当吹风角度为30°、60°时在驾驶员头部到乘员舱顶部空间形成高温区域，出风口角度为−30°时在驾驶员腹部形成高温区域，在出风口角度为0°时，整体温度分布相较于其他三种情况较为均匀。

将乘员舱分成六个区域，分别为驾驶舱区域，副驾驶区域，乘员舱顶部区域，副驾驶后排乘客区域、驾驶舱后排乘客区域，后排中间乘客区域。在相应区域取多个采样点并求得相关区域平均温度。各出风口角度各区域平均温度对比，如图6所示。

图6 乘员舱各出风口角度各区域温度对比图Fig.6 Comparison Chart of the Temperature of Each Air Outlet Angle of Passenger Compartment

由图可知，当吹风口角度为0°和−30°各区域温度分布较为均匀，但是吹风口角度为0°时乘员舱整体温度高，最高温差出现在驾驶舱后排乘客区域，最大温差达2.96℃。吹风口角度为30°和60°时，驾驶舱及驾驶员头部到乘员舱顶部区域温度远高于其他两种情况。吹风角度为60°时温度分布均匀性最差，最大温差达到7.7℃。

5.3 空气流速对比分析

空气流速也是评价驾驶员舒适性的重要指标。通过对乘员舱驾驶员平面空气流速的比较，对两种情况下乘员舱温度分布出现差异性的原因进行进一步分析，不同出风口角度下，空气流速分布云图，如图7所示。

图7 各出风口角度乘员舱驾驶员平面空气流速云图Fig.7 Air velocity Nephogram of Driver Section of Passenger Compartment at Various Air Outlet Angles

出风口角度为0°和−30°时，乘员舱整体空气流速表现为较低的速度，空气流速较高的区域主要集中在驾驶员的胸腹部，而出风口角度为30°和60°情况下，在驾驶员头部以及头部到乘员舱顶部区域形成了空气流速较高的区域。

空气流速也是乘员舱舒适性的重要影响因素，因此同样将乘员舱分为多个区域并进行采样，求各区域平均空气流速。各出风口角度各区域平均空气流速对比，如图8所示。

图8 乘员舱各出风口角度各区域平均空气流速对比图Fig.8 Comparison Chart of the Temperature of Each Air Outlet Angle of Passenger Compartment

由图可知，当出风口角度与水平夹角为−30°时，高空气流速主要出现在副驾驶区域，出风口角度与水平夹角为30°跟60°时，驾驶员区域跟驾驶员头顶到乘员舱顶部区域空气流速远高于其他两种情况，当出风口角度与水平夹角为0°时，在后排中间乘客区域出现最高平均风速，为1.1。

结合以上温度分布以及空气流速，根据PMV−PPD评价指标对乘员舱内热舒适性进行评估，并对不同出风口角度下乘员舱热舒适性进行对比分析。乘员舱各出风口角度各区域PMV值，如表2所示，PPD值，如表3所示。

表2 乘员舱各出风口角度各区域PMV值Tab.2 PMV Value in Each Area of Each Air Outlet Angle

表3 乘员舱各出风口角度各区域PPD值Tab.3 PPD Value in Each Area of Each Air Outlet Angle

当出风口角度为−30°和60°时，二者在副驾驶区PMV值高于0.5，不满足ISO标准。

出风口角度为0°跟30°时，二者PMV值较为接近，但是由于30°时驾驶员面部风速较大，超过2m/s，出风口角度为0°时，驾驶员面部风速仅有0.3m/s，而人在风速为0.25m/s 时舒适性最高，因此认为当出风口角度为0°时拥有较高的舒适性。

6 结论

（1）进行实车试验，获取乘员舱采样点温度数据，验证乘员舱仿真模型的有效性。

（2）在不考虑太阳辐射的情况下，对乘员舱热环境进行CFD数值模拟。

模拟得到乘员舱的温度分布以及空气流速并对其进行对比分析，发现空气流速越快的区域沉浸温度越高。

（3）不同出风口的出风角度对乘员舱热舒适性有较大的影响。

对比四种出风口角度下的温度分布以及空气流速，吹风口角度为0°和30°都拥有较高的热舒适性，由于出风口角度30°时驾驶员面部风速过高，因此认为出风口角度为0°时舒适性最高。