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整车余热回收与热量统筹利用

大纲的完整展开版——讲师授课蓝本 / 学员自学材料

N4-01 整车余热回收与热量统筹利用

N4-01 整车余热回收与热量统筹利用

课程代码 N4-01 · 板块 N 能量管理与集成 / N4 余热回收与能量综合 时长 约 4.0 小时(9 讲) 前置 B3-06 余热回收与多热源采暖架构;A1-04 / A1-05 热力学与循环基础;B4-03 决策矩阵方法;B3-07 平台族的热管理架构衍生 本讲义定位 讲师授课蓝本 / 学员自学讲义,是 N4-01 课题的完整展开版


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你手上的事 直接看 还要配
给全车热源排一张「谁更值钱」的序 第 1 讲:Ex_Q 与卡诺因子、变温流股为什么必须换式子、排位表为什么必须绑工况点 第 2 讲 2.1/2.2——尺子要套在一个没漏类的热源全集上
审一份余热回收方案,判这条路径该不该加 第 7 讲:㶲收益×复杂度代价四象限、三条收手线、每条被否路径的留痕格式 第 5 讲(六项代价)+第 6 讲(三条收益口径)
定一版多热源抢同一个热汇的仲裁逻辑 第 3 讲:五层默认分层、冲突对与让位规则、优先级表要三样一起交 第 4 讲(落地三档与「工况族 × 冲突对」用例矩阵)
核一个续航收益数字能不能进评审 第 6 讲:ΔRange 只用功率折算口径 A、必须写明工况谱、PTC 降容那条硬前提 第 1 讲 1.7(每个搬来的量都要写清含什么、不含什么)
写一份交给 EMS 与控制团队的接口规格 第 8 讲:向上交的是约束⛔ 不是请求功率数、统筹层越界的三种症状 第 9 讲(交付物清单六样)+第 3 讲 3.4(职责边界)
图1 左右并列两幅横条形图。左幅「按能量排序」三根等宽横条自上而下为环境空气(最长,右端开口箭头并标「功率不限」)、发动机排气(中等)、电驱回路冷却液(最短),幅下注明刻度为能量口径相对量。右幅「按㶲排序」同样三根条而次序完全颠倒:发动机排气最长、电驱回路次之、环境空气缩成贴近零的一道细线并旁注「贴近零」。两幅之间三条交叉连线把同一热源的两根条连起来,交叉处标「顺序反转」。右幅下方标「参考态 T₀=环境温度」并注明 T₀ 随季节移动、同一股热的㶲会跟着变。两幅纵向刻度不通约,本图为量级示意图,⛔ 不得据图取值
图1 该读出一个判断:同一份热源清单换一把尺子排序会整体反转 ⇒「先回收哪一股」在指定尺子之前根本没有答案。图上三个量各有独立文字标签——每根条的热源名、两幅各自的刻度口径名(能量/㶲)、交叉连线旁的「顺序反转」。两幅纵向刻度不通约,本图为量级示意图,⛔ 不得据图取值。

⛔ 本课不覆盖:

【栏一 · 不讲哪些题目】电驱/电控余热怎么接进冬季采暖回路的具体方案 → B3-06 余热回收与多热源采暖架构(电机/电控/环境热)、C3-03 多热源热泵:电机/电控余热 + 环境热吸收(本课只往上抽一层,不重复它们的接入方案);热泵型整车架构与多通阀一体化 → B3-04 热泵型整车热管理架构(多通阀一体化方案);排气热电与热泵联合回收的器件级取舍 → F2-04 排气余热回收与热电利用、N4-02 热电(TEG)与热泵联合能量回收;蓄热体选型与容量/功率定容判据 → N4-03 车载蓄热与热量时移:蓄热体全集、容量/功率解耦定容与「加不加硬件」判据(本课把蓄热体列进热汇全集,但⛔ 不定容);部件级的㶲损分解(哪一级毁掉了多少做功能力)→ A5-07 热力学第二定律与㶲分析:熵产、三类不可逆的定量与部件级㶲损分解;平台族的拓扑冻结点与架构衍生方法 → B3-07 平台族的热管理架构衍生:拓扑冻结点、模式集增量与分市场变型;除霜除雾的法规与性能设计 → C5-01 前风窗除霜除雾法规与性能设计;某个阀具体怎么开、门限设在哪、怎么标定 → 架构与控制团队(K3-04 热泵与多通阀协调控制)与本企业规范;换热器夹点温差 ΔT_pp 本身怎么取 → 换热器那条线与你平台的台架实测(本课只要求把它显式扣掉);电驱链冷却液出口工作温度带(工作点随工况移动的那条带)的口径 → B3-06 余热回收与多热源采暖架构(电机/电控/环境热)(本课⛔ 不再给一次,给了就是第二个口径源)。⚠ 它与本课第 1 讲口径表里那一行「冷却液温度上限」⛔ 不是同一个量:上限由电机温升限值与功率器件结温降额反算而来、是一条不许越过的边界,本课给它;工作温度带是这条回路实际跑在哪一段,本课⛔ 不给。

【栏二 · ⛔ 真正不给的数】① 未取得原文的标准条款限值与等级号:GB/T 18386.1 与 ISO 26262 两条线本课未逐条核对原文,只写它们各自在本课语境下管什么与去向,⛔ 不写条款内容、不写限值、不写等级号、不钉死年份 → 以现行有效目录为准,引用前须自行核原文。② 本项目自己的验收阈值:仲裁权重 w_j 的数值、复杂度计分 C_cx 的权重系数、第 7 讲收手线的具体位置,本课一个都不给(本课只给相对关系、翻转规则与计分口径)→ 去向是本企业热管理规范与本平台的评审基线。③ 教学假设之外的具体产品参数:减速器油路占电驱链余热的比例、单条回收路径的续航收益、PTC 降容功率、新增失效模式条数——这四个量本课未取得可信的公开区间,⛔ 不编数 → 去向是正文各处给出的反算路径逐工况点估,再由台架与实车实测校核。⚠ 其余平台相关量本课在正文里给典型区间与常见值锚点,⛔ 不在本栏之列——它们是典型值、⛔ 不是验收依据,你的平台须实测确认。


引言:同一份热源清单,换一把尺子排序会整体反转

架构评审桌上最常出现的一句话是「这股热品位高」。它听起来像结论,其实是形容词:说的人心里有一个排序,听的人心里有另一个,而两个排序可以完全相反——本课第一张图画的就是这件事:同一份热源清单,按能量排一遍、按㶲排一遍,三根条的次序整体翻过来。「先回收哪一股」这个问题,在你指定用哪把尺子之前没有答案。

这门课要做的,是把这句形容词换成一个带单位的数,再把这个数放回它该待的位置上——它只回答一问,不回答另外两问。

钉子 A:品位是可以算的,而且只有一把统一的尺。热流㶲 Ex_Q=Q̇·(1−T₀/T),括号里是卡诺因子,代表这股热在当前环境下最多能榨出的功率份额。有了它,排气、冷却液、电堆废热、环境空气第一次能放进同一张表里通约。⇒ 你今天就能做的那个动作很具体:把每一股热的跨界温度 T 与当前工况的参考态 T₀ 都写出来,当场算一遍卡诺因子,并把工况点写在表头。卡诺因子对 T₀ 的敏感超出多数人的直觉——同一股 50 ℃ 的余热,35 ℃ 环境下卡诺因子约 0.05,−10 ℃ 环境下约 0.19(⚠ 这是由定义式 1−T₀/T 直接算出的可复算量,⛔ 不是实测值、⛔ 不对应任何平台;三个输入是 T=323.15 K、T₀=308.15 K 与 263.15 K,你可以自己代一遍。口径承接 B4-01 整车能量流与热量流协同分析 讲㶲的那一节)。环境越冷,同一股余热的㶲越大,而冬季恰恰最需要它。⇒ 由此还得到一条全课纪律:㶲不是挂在热源上的物性,它随 T₀ 移动,报任何一个㶲值都必须同时报出 T₀ 与控制体边界切在哪,否则两份㶲报告不可通约。

钉子 B:㶲回答「值多少」,⛔ 不回答「该不该回收」。这是全课最重的一条纪律,也是本课与它上游那门课的分工所在。该不该回收要过三关——温位(源温位减掉夹点温差之后,还够不够送到那个汇去)、同时性(源与需求在时间轴上碰不碰得上)、路径成本(这条边要付的六项代价)。㶲只回答其中「值多少」那一问。㶲小只说明这股热做功能力弱,它照样可以是热泵蒸发侧的好热源(判据在那里变成 T_源 > T_sink + ΔT_pp,与 T₀ 在哪无关)。

钉子 C:热量统筹层交付的是优先级、权重关系、让位规则与约束,⛔ 不是阀位与门限数值。这条边界一旦越过,一份统筹方案会当场退化成一份写不完、也验不动的控制规格:门限要随平台、随标定、随软件版本改,而你这一层本来是要给下游一个稳定的判断依据。⇒ 判自己有没有越界,第 8 讲给了三个可自查的症状(写了门限、写了阀位、写出了可以直接编码的语句)。

最容易被读反的一条,现在就点破:「㶲小 ⇒ 不值得回收」。⛔ 这是反的。学会㶲之后的第一反应,几乎都是拿它给全车热源排一遍序,然后把㶲近乎为零的环境空气与低温位余热整条划掉。读反之后你会做错一个非常具体的动作:砍掉环境热与低温位余热这条路,转而去追排气热电这类量小、代价高、在纯电平台上根本不存在的路径——而被你砍掉的那条,恰恰是纯电平台冬季续航唯一能大幅省电的主力路线(B3-06 余热回收与多热源采暖架构(电机/电控/环境热) 与 C3-03 多热源热泵:电机/电控余热 + 环境热吸收 两门课整门在讲的东西)。真因是㶲与温位是两把尺,回答两个不同的问题:「这股热最多能榨出多少功」与「它的温位够不够送到那个热汇去」,两者的答案可以完全相反。第 1 讲 1.6 会把这两面同时摆出来,并给出一张四行的选尺表(⚠ 它是选尺表,⛔ 不是优先级表)。

与它同源、同样常被读反的还有两条,一并点破:① 「余热统筹=把热源清单列得更全」——清单只是原料。统筹的产出是三样:热源—热汇矩阵、仲裁逻辑、复杂度—收益账。少一样,你交出去的仍然是一份清单,下游没法照它做任何决定。② 「夏季热多,所以夏季统筹空间最大」——夏季热确实多,但热汇是制冷需求,余热在夏季是负担不是资源。按「热多=机会多」去铺路径,方向同样是做反的。

本课的射程与去向:本课止于方法与约束——怎么用统一的尺给热源排位、怎么把整车画成一张热源—热汇图、怎么设计仲裁的分层与让位规则、怎么把复杂度代价和收益放进同一本账、什么时候该收手。至于具体电路怎么接、阀怎么布、门限怎么标定,归 B3-06 余热回收与多热源采暖架构(电机/电控/环境热)、C3-03 多热源热泵:电机/电控余热 + 环境热吸收 与架构控制团队;蓄热体怎么选型定容,归 N4-03 车载蓄热与热量时移:蓄热体全集、容量/功率解耦定容与「加不加硬件」判据;部件级的㶲损分解归 A5-07 热力学第二定律与㶲分析:熵产、三类不可逆的定量与部件级㶲损分解;热电与联合回收的器件级取舍归 F2-04 排气余热回收与热电利用 与 N4-02 热电(TEG)与热泵联合能量回收。本课对它们是上游方法层,⛔ 不越界抢答。

全课九讲的走法:第 1 讲立尺子——㶲的定义与参考态、变温流股为什么不能把进口温度代进卡诺因子、T 低于 T₀ 时怎么换式子、㶲效率的分子由交付界面定,以及「含什么、不含什么」那套跨课引用纪律;第 2 讲铺场地——热源全集(一族基座加三族增量)、热汇全集九类、品位阶梯五级、把整车抽象成一张边上挂着三个属性的 source-sink 图,并做跨动力形式的矩阵对比;第 3 讲设计仲裁——五层默认分层、多热源抢一个热汇的冲突对与让位规则、季节与工况带来的整体翻转、与架构层的职责边界;第 4 讲把仲裁落地——静态表/分族静态表加切换/实时仲裁三档,以及可测试性与降级路径;第 5 讲算代价——一条路径要付的六项,以及标定与验证量为什么随路径数组合增长;第 6 讲算收益——三条收益口径、ΔRange 的口径 A 与工况谱、PTC 降容那条硬前提;第 7 讲做决策——四象限、三条收手线、平台族里硬件按哪一族定、被否路径怎么留痕,并走一遍三动力形式共平台的案例;第 8 讲划上边界——与 EMS/VCU 的分工、向上交约束而不是功率数、预测与在线再优化的接口和退路;第 9 讲补第三个维度——时间维(矩阵上画得通,不等于热量真的接得上),并给出交付物清单与评审自查。

学完的验收标准很朴素:给你一份三动力形式共平台的热源清单,你能算出一张带工况点表头的㶲排位表,画出一张边上挂着温位、时间、代价三个属性的矩阵,写出一版分层与让位规则,并说得出你这版方案在哪一条判据上该收手。

第 1 讲 为什么焓不够用:㶲分析入门

本讲开头先把符号与口径立住,后面的推导不再中断。

  • 温度:凡代进式子的温度一律用绝对温度 K;行文里为了好读会写摄氏度,但只要出现在公式里就是 K。
  • T₀ = 参考态(环境)绝对温度,本课全程取该工况点的环境空气干球温度,⛔ 不取 25 ℃ 常数、⛔ 不取座舱温度。
  • T = 热量跨界处的热源绝对温度(恒温源假设下的那一个温度);T₁ / T₂ = 变温流股的进口 / 出口绝对温度。T 与 T₁/T₂ 是两组量,⛔ 不可互相代入。
  • Q̇ = 热流率 [kW],全课一律带点,⛔ 不与热量 Q [J] 混写。
  • 控制体边界:本课一律切在热量离开源部件外壳、或流股出口法兰的那一面(即「可供统筹调度的那一份」),⛔ 不切在部件内部发热点。
  • 报任何一个㶲值,必须同时报出 T₀ 与控制体边界切在哪;两者缺一,两份㶲报告不可通约。

本讲交付给你的是四样可以直接拿走的东西:一把能把「品位高」变成数的尺子(1.2)、一条防止系统性高估的算法纪律(1.3)、一张决定什么时候不能用这把尺的选尺表(1.6)、一份跨课引用量的交付模板(1.7)。

1.1 能量守恒是一条记账恒等式,它对能量的「质」一无所知

热力学第一定律说能量守恒。放到整车热管理上,它是一条记账恒等式:进去多少、出来多少、存了多少,三者必须对得上。B4-01 整车能量流与热量流协同分析 整门课做的就是这本账,而这本账有一个它自己承认的局限——它对能量的「质」一无所知。

一台车上同时存在温位截然不同的四类热(数值口径统一放在 1.7,此处只给量级感):

  • 内燃机排气:涡后温度在几百摄氏度量级,且随负荷大幅移动;
  • 电驱回路冷却液:几十摄氏度量级,数值口径见 B3-06 余热回收与多热源采暖架构(电机/电控/环境热) 讲余热账口径的那一节;
  • 电池:允许工作窗口通常在几十摄氏度以内,上下都有边界;
  • 环境空气:它就是 T₀ 本身。

在第一定律的账本上,这四类热只有一个属性——多少千瓦。账上 1 kW 排气与 1 kW 环境热完全等价。而工程上任何人都知道,把几百摄氏度的排气和环境空气当成同一种东西去排优先级,一定会出事。

差别在于「能从它身上拿走多少做功能力」,而这件事第一定律不管,第二定律才管。

⚠ 这里有一个反复出现的易错点:把「能量账闭合了」当成「排位表对了」。这是两件互不相干的事——账闭合说明你没漏项、没算重,它一个字都没说这几股热谁更值钱。⇒ 今天就能用的动作:看到一张余热清单,先问它有没有温度栏。只有功率栏没有温度栏的清单,它只是一本闭合的账,⛔ 还不是一张排位表。

1.2 㶲的定义与卡诺因子:把「品位高」变成一个带单位的数

热流㶲:

Ex_Q = Q̇ · (1 − T₀/T)

括号内的 (1 − T₀/T) 叫卡诺因子,它代表这股热在给定环境下最多能榨出的功率份额。乘上热流率,得到的就是这股热的做功能力上限,单位仍是 kW。

它的价值在于通约:在评审桌上,「这股热品位高」是一个形容词,谁都可以说、谁也驳不倒;卡诺因子把它变成一个带单位的数,于是排气、冷却液、电堆废热、环境空气第一次可以放进同一张表里比较。

两个教学锚点(承接 B4-01 整车能量流与热量流协同分析 讲㶲的那一节,本课沿用其口径):同一股 50 ℃ 的余热,

  • 在 35 ℃ 的夏季环境下,卡诺因子约 0.05;
  • 在 −10 ℃ 的冬季环境下,卡诺因子约 0.19。

⚠ 这两个数是由定义式直接算出的可复算量,⛔ 不是实测值、⛔ 不对应任何平台。复算需要的三个输入全在这里:T = 323.15 K,T₀ = 308.15 K(夏)与 263.15 K(冬),代进 1 − T₀/T 即得。⇒ 结论是一个反直觉但极其有用的事实:环境越冷,同一股余热的㶲越大——而冬季恰恰是最需要它的季节。

卡诺因子随热源温度变化的两条曲线,分别对应夏季与冬季参考态;曲线各自在自己的 T₀ 处穿过零线并换号,零线以下标注为取冷侧须换公式;图上另有电池窗口、电驱冷却液、燃料电池电堆、发动机排气四条可沿轴平移的典型带。本图典型带部分为示意,⛔ 不得据图取值。
图2 该读出三件事:卡诺因子在 T₀ 处过零并换号;冬季那条整体在上,说明同一股余热冬天的㶲更大;四条典型带之间的间距说明排气与冷却液的品位差是数量级差。⚠ 四条典型带可沿轴平移、⛔ 非门槛线,⛔ 不得据图读取任何平台的温度或㶲值。

㶲不是物性。这是本课全程遵守的一条纪律。物性(比热、导热系数)挂在物质上,换个环境不变;㶲挂在「这股热 + 这个环境 + 这条边界」这三者上,T₀ 一动它就动。所以报任何㶲值,必须同时报 T₀ 与控制体边界。

边界这一半尤其容易被忽略。同一台电驱总成,边界切在内部发热点、切在外壳出口、切在送进热汇的换热器出口,算出来的㶲依次递减,三个数都对,但它们回答的不是同一个问题。本课一律取中间那一面(部件外壳/流股出口法兰),理由是统筹层能调度的就是这一份;切在内部发热点会把部件自己已经毁掉的那部分㶲损(Ex_d)算进来,而那一份统筹层根本调度不到(部件级㶲损分解见 A5-07 热力学第二定律与㶲分析:熵产、三类不可逆的定量与部件级㶲损分解 讲部件级㶲损分解的那一部分,本课只引用、⛔ 不展开)。

一个热源部件的剖面示意,图上画出三条不同位置的虚线控制体边界——切在部件内部发热点、切在部件外壳或流股出口法兰面、切在送进热汇的换热器出口,每条边界旁标注该边界下㶲值含什么与不含什么,右侧标出三处递减的原因。本图不含任何数值,⛔ 不得据图取值。
图3 该读出的判断是:㶲值不是热源的属性,而是「边界+T₀」的函数 ⇒ 交付一个㶲值必须同时交付边界切在哪一面。本图不含任何数值,⛔ 不得据图取值。

㶲排位表必须绑定工况点。第 i 个热源在当前工况点上的㶲功率记作 Ėx_i,它是工况量、⛔ 不是铭牌量。T₀ 与源温会同时移动,排位表可以整体翻转——上面那两个卡诺因子锚点已经直接说明了这件事:同一股 50 ℃ 余热,冬夏两个工况点的㶲差了将近四倍。

工况点的最小声明集是四件,一件都不能少:

  1. 环境温度(即 T₀);
  2. 车速或功率点;
  3. 动力形式(BEV / HEV / REEV / FCEV);
  4. 季节或工况族。

⚠ 易错点:拿一张没有表头工况点的㶲排位表进架构评审。它看上去和一张合格的排位表一模一样,下游据它冻结了拓扑,换个季节结论就不成立,而那时已经没人说得出这张表当初的依据是什么。⇒ 今天就能用的判据:一张㶲排位表如果表头上找不齐这四件,它不是「不够完整」,它是无效交付物,退回去重做。

1.3 变温流股必须用流股㶲,拿进口温度代进卡诺因子必然高估

Ex_Q = Q̇·(1 − T₀/T) 有一个隐含前提:热量在同一个温度 T 上跨界。而整车上几乎没有哪股余热满足它——排气从涡后降到尾管、冷却液从出水降到回水、冷凝排风从进风升到出风,全都是变温流股。

变温流股的㶲要用流股式:

Ex_流 = ṁ · c_p · [(T₁ − T₂) − T₀ · ln(T₁/T₂)]

它有一个等价写法,而这个写法更容易记住它在干什么——把卡诺因子里的 T 换成热力学平均温度:

T_m = (T₁ − T₂) / ln(T₁/T₂) ⇒ Ex_流 = Q̇ · (1 − T₀/T_m),其中 Q̇ = ṁ·c_p·(T₁ − T₂)

⚠ 适用前提:定压、单相、c_p 在该温区内按常数处理(本课一律如此并在此声明该近似)。涉及相变时不适用,需回到一般式,去向见 A5-07 热力学第二定律与㶲分析:熵产、三类不可逆的定量与部件级㶲损分解 讲㶲一般式的那一部分。

教学算例(⚠ 教学算例、⛔ 不对应任何平台、⛔ 不得取用)。五个输入全部写在这里,请自己复算一遍:

输入 取值
ṁ 0.05 kg/s
c_p 1.10 kJ/(kg·K)
T₁ 773.15 K(500 ℃)
T₂ 423.15 K(150 ℃)
T₀ 298.15 K(25 ℃)
  • 热流率:Q̇ = ṁ·c_p·(T₁ − T₂) = 0.05 × 1.10 × 350 = 19.25 kW
  • 错法(把进口温度代进卡诺因子):Ex = 19.25 × (1 − 298.15/773.15) = 11.83 kW
  • 正法:T_m = 350 / ln(773.15/423.15) = 350 / 0.6028 = 580.7 K(307.5 ℃);Ex_流 = 19.25 × (1 − 298.15/580.7) = 9.37 kW
  • 差额 = 2.46 kW,即以流股㶲为分母高估了 26.3%。

⛔ 这个 26.3% 只是这一算例的复算结果,⛔ 不得写成「变温流股一般高估 X%」这类全称——高估幅度强依赖 T₁/T₂ 之比与 T₀,换一组输入就是另一个数。

上半幅为流股温度沿程曲线,自进口温度单调降到出口温度,图上用三条水平参考线标出进口温度、热力学平均温度与出口温度并写出平均温度的定义式;下半幅为三根并列竖条的拆账,分别是用进口温度算得的㶲、用流股㶲式算得的㶲、以及两者的差额,百分比旁用引线标出分母,图下写出该算例的五个输入。本图为教学算例,⛔ 不得据图取值。
图4 该读出两件事:热力学平均温度一定落在进出口温度之间且更靠近出口一侧,所以用进口温度算必然高估;第三根条给出这一算例里高估的绝对值与占比,占比的分母已在图上用引线标出。⚠ 教学算例,⛔ 不对应任何平台,⛔ 不得把这里的百分比外推成一般结论。

两个易错点,第二个更贵。

① 用算术平均温度代替 T_m。两者不等,温降越大差越远。仍用上面那组输入:算术平均是 (773.15 + 423.15)/2 = 598.15 K(325.0 ℃),而 T_m 是 580.7 K,算术平均高 17.45 K,约 3.0%(⚠ 全课统一:这个百分比的分母取 T_m=580.7 K,因为它衡量的是「拿算术平均去代 T_m」相对于正确值的高估幅度;若改用算术平均作分母则是 2.9%,⛔ 本课不用这一种,⛔ 也不许两种混写);对这一算例来说它比错法一小得多,但它是一个随温降比单调增大的误差——温降比越大,它越不可接受。

② 只对排气用流股㶲,对冷却液仍拿出水温度当 T。冷却液温降小,算出来的偏差确实不大,所以这条错误几乎从不被抓到。但它做的是同一件错事:用一个流股根本没有停留过的温度去代表整条流股。⚠ 而统筹层的排位表是把几股热放在一起比的——一股用正法、一股用错法,比出来的次序就是由方法决定的,不是由热源决定的。

横轴为进出口绝对温度之比,纵轴为热力学平均温度与算术平均温度之差占算术平均温度的比例,一条实线随温降比单调上升,曲线上用两个空心圆标出小温降与大温降两个落点并各带文字说明。本图为数学关系的精确解,不含任何平台量。;本图为定性示意,不代表任何具体平台的实测值,不得据图取数
图5 该读出的判断是:用算术平均温度代替热力学平均温度的误差随温降比单调增大 ⇒ 对排气这类大温降流股绝不能用算术平均;而对冷却液这类小温降流股,误差虽小,做的仍是同一件错事。⚠ 本图为数学关系的精确解,⛔ 不含任何平台量,⛔ 不得据图取任何平台的温度。

⇒ 今天就能用的动作:拿到任何一份余热排位表,先问一句「这几股热的㶲都是怎么算的」。只要有一股是拿进口温度代进卡诺因子来的,这张表的次序就不作数——⛔ 不是偏一点,是次序本身不成立。

1.4 T < T₀ 时卡诺因子换号,制冷侧必须换用取冷㶲

卡诺因子 (1 − T₀/T) 在 T = T₀ 处过零,并在 T < T₀ 时变成负数。而整车上工作在 T₀ 以下的热汇不是少数——夏季蒸发侧、电池降温、快充散热,三类都在这一侧,量还都不小。

直接把 Q̇·(1 − T₀/T) 套上去,会算出负的有用㶲与负的㶲效率。正确的做法是换一条式子:

Ex_cool = Q̇_e · (T₀/T − 1)

其中 Q̇_e 是取冷侧从低温热汇吸走的热流率 [kW]。这样算出来的值为正,而它的物理含义与热侧那个正值方向相反:热侧的正值是「可供输出的做功能力」,取冷侧的正值是「把这份热搬到 T₀ 以上所需的最小功」。一个是收获,一个是花费。

⚠ 最常见的错误对策是:算出负值之后取绝对值了事。取绝对值会让数值「看起来对」——它的量级、单位、正负都正常,任何一道表格检查都抓不到。但它丢掉了「这是在花功制冷、⛔ 不是在收获余热」这条方向信息,后果是排位表上的制冷需求会被当成热源排进去,而统筹逻辑正是照那张表去分配的。

自上而下的判定链:手上有一股热流要算它的㶲,先判断跨界温度与参考态温度哪个大,分出三条分支——大于用热流㶲式、等于则卡诺因子为零、小于则换用取冷㶲式,每条分支下接各自的结论框;左侧一个粗边框警示框用带叉的连线指向取冷分支,写明不许对热流㶲取绝对值了事。本图不含任何数值。;本图为定性示意,不代表任何具体平台的实测值,不得据图取数
图6 该读出的判断是:算㶲之前先比源温与参考态温度,三条分支各有各的式子与各自的物理含义;取冷侧的正值与热侧的正值含义相反,一个是收获、一个是花费。本图不含任何数值,⛔ 不得据图取值。

⇒ 今天就能用的判据:在㶲排位表上给每一行加一栏「T 与 T₀ 谁大」。这一栏一填,制冷需求就再也混不进热源清单——它比事后核对数值便宜得多。

1.5 㶲效率的分子取决于交付界面,统筹层一律用整车级口径

η_ex = Ex_有用 / Ex_输入

分母清楚:这股热在控制体边界上带进来的㶲。分子却由「你认为交付在哪一面」决定——同一条回收路径,算到部件出口是一个数,算到换热器出口是另一个数,算到真正送进热汇又是第三个数。三个数都对,但它们互不可比。

本课的口径:统筹层一律取整车级交付界面上的有用㶲,即真正送进热汇的那一份,⛔ 不取部件出口界面。理由与 1.2 的边界口径同源——统筹层要为整车结果负责,中间每一段的损失(换热温差损失、管路散热、泵功输入)都是这条路径的真实成本,不能挪到界面外面去。

⚠ 本课不给 η_ex 的典型值:它随界面与工况变化太大,本课未取得可信的公开区间。这不是回避——反算的路是清楚的:把这条路径在你自己平台上的 Ex_输入 与送达热汇处的 Ex_有用 各算一次即可,两个量的算法本讲已经给全。

一条回收路径的链式示意:热源、换热器、管路与泵、热汇四个方块自左向右排开,链上用三条竖直虚线标出部件出口、换热器出口、送进热汇处三个界面,每条界面下方写明在此取分子时㶲效率含什么与不含什么,链下方一条横向色带标出换热温差损失、管路散热、泵功输入三处㶲损的位置。本图不含任何数值。
图8 该读出的判断是:同一条路径在三个界面上算出三个不同的㶲效率,三个都对但互不可比 ⇒ 交付㶲效率必须写明界面切在哪一面。本图不含任何数值,⛔ 不得据图取值。

⚠ 易错点是一种组织性的错误,不是算术错误:两个团队各按自己习惯的界面报 η_ex,放进同一张对比表,于是「哪条路径更好」这个结论由界面选择决定,而不是由方案决定。而表上看不出这件事——两栏都写着 η_ex,都是无量纲数。

只按能量排序会在两个方向上同时出错。这两类错法有同一个根:把「有多少热」当成了「值多少」。

  • 错法一:漏掉「量小但品位高」的热源。排气在功率栏上未必起眼,但它的卡诺因子远高于车上任何一股常规余热 ⇒ 按功率排序它会被排到后面,而它恰恰是唯一有资格去做功的那一股。
  • 错法二:高估「量大但品位低」的热源。环境空气的功率栏常常干脆写「不限」,账面上压过一切,而它的 T ≈ T₀ ⇒ 㶲近乎为零。

⚠ 错法二后面还跟着一个更贵的连锁反应:把「从空气取热」记成白得的余热。它不是余热,它是花电买来的热——取热要靠热泵,热泵要耗压缩机电功。记成白得的,整车能耗账当场对不上,而对不上的那一笔通常最后被记到别的分项上。

⇒ 今天就能用的动作:给排位表加两栏——「㶲 [kW]」与「界面切在哪」。第一栏治错法一和错法二,第二栏治上面那种组织性错误。两栏都是填空题,⛔ 不需要新的仿真。

1.6 㶲回答「值多少」,⛔ 不回答「该不该回收」——全课最重的一条纪律

这是本课最容易被读反的一条,也是唯一一条读反之后方向会做反的。

误区:学会㶲之后,拿它给全车热源排一遍序,把㶲近乎为零的环境空气与低温位余热整条划掉,理由是「㶲小 ⇒ 不值得回收」。

⛔ 照这条错读去做,他砍掉的恰恰是纯电平台冬季续航的主力路线(B3-06 余热回收与多热源采暖架构(电机/电控/环境热) 与 C3-03 多热源热泵:电机/电控余热 + 环境热吸收 两门课整门在讲的就是这条路),转而去追排气热电这类量小、代价高、在纯电平台上根本不存在的路径。

真因是:㶲与温位是两把尺,回答的是两个不同的问题。

  • 㶲问:「这股热最多能榨出多少功?」
  • 温位问:「它的温度够不够把热送到那个热汇去?」

两者的答案可以完全相反。当热汇本身就是低温位需求时(座舱送风、电池加热窗口都只要几十摄氏度),判据是源温位是否高于汇的需求温位并留够换热器夹点温差——写成式子就是 T_源 > T_sink + ΔT_pp(T_sink = 汇要求的送达温度,ΔT_pp = 夹点温差,两者的口径与取值归第 2 讲讲热汇全集与需求温位带的那一节)。这个判据里没有 T₀ ⇒ 它与㶲大小无关。㶲小 ≠ 没用。

「该不该回收」要过三关(口径承接 B4-01 整车能量流与热量流协同分析 三闸判定那一讲):温位、同时性、路径成本。㶲只回答其中一部分「值多少」,它没有一票否决权。

⚠ 还要防一种把两门课读成分歧的读法:B4-01 整车能量流与热量流协同分析 说「㶲不是供热价值的尺子」,本课说「用㶲给热源排位」。这不是分歧,是同一件事的两半——B4-01 整车能量流与热量流协同分析 问「这股热可不可用」,本课问「这几股热谁更值钱」。⛔ 谁也不许拿其中一半去推翻另一半。

㶲排位表的三个正确用法,一个都不是一票否决:

  1. 防止高品位热被降级使用——比如拦住「拿排气直接吹暖风」这种做法;
  2. 在多条路径抢同一股热时排序——同一股排气,热电、有机朗肯、直接供暖三条路都想要,㶲效率给出可比口径;
  3. 给「仲裁时牺牲谁」提供依据——这是第 3 讲要用的输入。

三个用法都发生在「已经决定要回收」之后,⛔ 都不在「要不要回收」这一步上行使否决权。⚠ 其中用法③还有一条附加约束:⛔ 不许读成「㶲小的需求可以随便牺牲」——牺牲谁要先过优先级分层,安全与法规层不因㶲小让位(第 3 讲给分层规则)。

选尺表:四行,本课最常被翻的一页。

你要判的问题 用哪把尺 判据 典型落点
这股热能不能拿去做功/发电 㶲 Ex_Q 或 Ex_流,再比 η_ex 排气热电、有机朗肯
直接供热够不够 温位 T_源 > T_sink + ΔT_pp 电驱余热直供暖风芯体
抬品位后供热划不划算 温位 + COP 增益 这股热能把蒸发温度抬高多少 电驱余热与环境热喂热泵蒸发侧(纯电平台冬季主力)
值不值得为它加这条硬件 三关 + 净价值 温位、同时性、路径成本三关全过,再算净价值(本课记作 V_net,六项代价的构成与 0/1/2 计分在第 5 讲给出,V_net 的判据表达式在第 7 讲给出) 决策矩阵那一讲

⚠ 这是一张选尺表,⛔ 不是优先级表——它一个字都没说谁先谁后,它只说你手上这个问题该用哪把尺。第三行是纯电平台冬季的主力路线,也正是被㶲误杀得最多的一行。

自上而下的判定链:手上有一股余热,先问打算拿它去做什么,分出做功或发电、直接供热、抬品位后供热三条分支,每条分支给出各自的尺子与判据式并接到各自的结论框;三条分支汇合到一个横贯全宽的长条框写明三关全过才算余热可用,右端引出最终框写再算净价值决定加不加硬件;左侧一个粗边框警示框用带叉的连线指向㶲那一框。本图不含任何数值。;本图为定性示意,不代表任何具体平台的实测值,不得据图取数
图7 该读出的判断是:先问「要拿去做什么」再挑尺子;三条分支各有各的判据,㶲这把尺没有权力否决中间与右边两条分支;三关与净价值是所有分支共同的最后两道门。本图不含任何数值,⛔ 不得据图取值。

⇒ 今天就能用的动作:下次有人在评审上说「这股热㶲太小,不值得做」,把这张表翻出来问一句——你要拿它去做什么?如果答案是「喂热泵蒸发侧」或「直接供热」,那么㶲这把尺此刻不成立,该问的是温位够不够、以及夹点温差扣掉之后还剩多少。

1.7 口径纪律:每个跨课引用的量都必须写明「含什么、不含什么」

统筹层的工作有一个结构性特点:它用的数几乎全是别人给的。电驱余热来自电驱那条线,座舱采暖需求来自舱内热负荷那条线,COP 来自热泵那条线。于是跨课比较失效的机制也就固定成一种:两个数字都叫同一个名字,而边界不同,放进同一张表就变成了两个量。

纪律:把一个量从别的课搬过来用之前,先写清它的边界——

  • 含不含化霜损失?
  • 含不含风机与泵功?
  • 含不含测量误差?
  • 它是上限还是工作点?

本课涉及这条纪律的量至少七个:电驱余热、座舱采暖需求、冷却液温度上限、域控发热、余热建立时间、系统级 COP、电堆出口温度。⚠ 最常见的一种是最后那一问读错——把「上限」读成「工作点」。上限是一条不许越过的线,工作点是多数时间待着的地方,两者可以差十几度,而它们在表格里长得一模一样。

顺带把本课的第三个 COP 口径立在这里,因为它正是这条纪律的典型:COP_sys = 系统级 COP,分母是整车热管理侧的总电功,含风机、泵与化霜损失,⛔ 与只把压缩机电功当分母的 COP_hp 不可互换(第三个 COP——吸附式的 COP_ads——在第 2 讲讲驱动制冷那一节立)。

平台相关量的交付写法:三段式,四样都要写全。

一张交付模板的样式图,五列表头分别为量、怎么反算、典型区间与锚点、何时须重算、含什么与不含什么,表内填三行示例行,数值位置一律用可平移的典型带图形表示;表右侧一列纵向注释逐条指向表头各列说明该列为什么不能省,表下方一个粗边框警示框写明拿不到同口径来源时该栏该怎么写。表内不含任何具体数值。;本图为定性示意,不代表任何具体平台的实测值,不得据图取数
图9 该读出的判断是:一个平台相关量只有把三段加「含什么/不含什么」四样都写全,接收方才能用;② 栏空着并说明理由是合格的,编一个数才是不合格的。⚠ 图内典型带为图形示意,表内不含任何具体数值,⛔ 不得据图取值。

下面这张表就是照这个模板填的,它同时是本讲之后所有数值的口径源。

量 ① 怎么反算 ② 典型区间与锚点 ③ 何时必须重算 含什么/不含什么
电驱回路冷却液温度上限 由电机温升限值与功率器件结温降额反算(去向:E1 线讲电机温升限值的那几门、E2 线讲功率器件结温降额的那几门) 55~70 ℃,常见值锚点约 65 ℃(⚠ 典型值、⛔ 不是验收依据,须实测确认;口径承接 B3-06 余热回收与多热源采暖架构(电机/电控/环境热)) 换电机或逆变器供应商、改冷却液配方、改水泵扬程或散热器面积 读作上限,⛔ 不是工作点;⛔ 与 B3-06 余热回收与多热源采暖架构(电机/电控/环境热) 的出口工作温度带不是同一个量,⛔ 不许互相代入
低温城市低速巡航的电驱链余热功率 由 P_in×(1−η) 逐工况点算,效率图与折减口径承接 B3-06 余热回收与多热源采暖架构(电机/电控/环境热) 讲余热账的那一节 0.3~1.5 kW,锚点约 0.7 kW(⚠ 典型值、⛔ 不是验收依据,须实测确认) 换电驱总成、改工况谱、改减速器油—水换热配置 含不含油路那一份须写明
同工况的座舱稳态采暖需求 由热负荷谱逐项取值+环境舱实测(去向:B1、C1、L3 三条线) 2~5 kW,锚点约 3 kW(⚠ 典型值、⛔ 不是验收依据) 改玻璃配置、改保温、改新风比例、改目标体感 含不含新风加热、含不含座椅方向盘
座舱拉温阶段的峰值采暖需求 同上并含填坑项,口径承接 B3-06 余热回收与多热源采暖架构(电机/电控/环境热) 讲 PTC 与峰值缺口的那一节 5~8 kW(⚠ 典型值、随平台移动、⛔ 不是验收依据) 改冷存温度条件或拉温时间目标 ★ 这是 PTC 降容判据的分母侧,⛔ 不许用稳态值代替
电驱余热建立的时间常数 环境舱冷存后实测水温曲线取时间常数(去向:L3、L4 两条线),口径承接 B3-06 余热回收与多热源采暖架构(电机/电控/环境热) 5~20 min,锚点约 10 min 量级(⚠ 典型值、⛔ 不是验收依据) 改回路水容积、改水泵策略、改电驱热容或加装蓄热体 从什么起点计时须写明(符号与降容判据在第 6 讲给出)
域控/中央计算平台的全时发热 由散热设计输入(去向:E5 线)+本平台静置功耗实测 50~500 W,常见量级 100~200 W(⚠ 典型值、⛔ 不是验收依据) 换算力平台、改自动驾驶等级、改静置唤醒策略 含不含静置唤醒;★ 量小但全时在线,静置与低速工况下占比会升上来
极低温含化霜的系统级 COP_sys 由热泵循环计算+本平台环境舱实测(去向:C3 线) 1.5~2.5,锚点约 2(⚠ 典型值、⛔ 不是验收依据;强依赖湿度与化霜策略) 改化霜策略、改换热器、改工质、改湿度工况定义 分母是热管理侧总电功(含风机、泵、化霜损失),⛔ 与 COP_hp 不可互换
燃料电池电堆冷却液出口温度 由电堆效率与散热需求算,但受水管理(膜含水量、阴极出口相对湿度)约束 ⇒ ⛔ 不能只按散热需求定(去向:O1 线) 60~85 ℃,常见 70~80 ℃(⚠ 典型值、⛔ 不是验收依据) 换电堆、改增湿方案、改功率等级 含不含 BOP 侧的热
内燃机涡后排气温度 由发动机万有特性与后处理起燃要求联合确定(去向:F2 线) 几百摄氏度量级,⚠ 随负荷大幅移动 ⇒ ⛔ 本课不给单值锚点——它随工况移动的幅度比本表任何一行都大,给锚点会被当成设计点 改标定、改后处理方案、改增压器匹配 涡前还是涡后必须写明
减速器油路那一份占电驱链余热的比例 按减速器效率与输入功率逐工况点估,再由油温实测校核 ⚠ 本课未取得可信的公开区间,⛔ 不编数 改速比、改润滑方式、改油—水换热配置 含不含轴承与搅油损失

⚠ 两条关于这张表的边界声明:

  • 电驱链冷却液出口工作温度带,本课⛔ 不给。那个口径的属主是 B3-06 余热回收与多热源采暖架构(电机/电控/环境热) 讲余热账口径的那一节,本课再给一次就会制造第二个口径源。本课在第 2 讲只保留「电驱链是纯电平台上品位最高的一段常规余热」这条判断,凡需要工作点数值一律去查那一节。⚠ ⛔ 别把它与上表第一行混成一个量:上表给的是由电机温升限值与结温降额反算出来的上限(一条边界),本课给;出口工作温度带是这条回路实际跑在哪一段(一条工作带),本课不给。两者一个是边界、一个是工作点,⛔ 不可互相代入。
  • ② 栏拿不到同口径来源时,逐字写明「本课未取得可信的公开区间」就是合格答案,⛔ 不编数。上表最后一行就是这样写的。不给数会让读者去外面找一个更不可靠的数,所以① 与③ 两段无条件必须给——反算路径和重算触发条件在手,读者自己就能在自己的平台上把② 栏填出来。

⇒ 今天就能用的产物规格:把这张表复制成你自己平台的模板,五列一列都不删。它的验收标准很硬——任意一行,接收方不追问就能用,才算写完。

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