基于AMESim和Matlab的純電動汽車雙熱源熱泵建模與仿真研究*

夏彬彬　田鎮　楊林　谷波

（1.上海交通大學汽車電子技術研究所，上海　201100；2.上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海　201100）

基于AMESim和Matlab的純電動汽車雙熱源熱泵建模與仿真研究*

夏彬彬1田鎮2楊林1谷波2

（1.上海交通大學汽車電子技術研究所，上海201100；2.上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海201100）

針對現有純電動汽車驅動系統廢熱品位低，難于直接用于車內制熱的問題，提出一種基于空氣和驅動電機廢熱的雙熱源熱泵系統。利用AMESim和Matlab聯合仿真技術建立了純電動汽車雙熱源熱泵系統動態仿真模型，在仿真模型的基礎上，對制熱工況下系統性能以及控制策略進行研究。結果表明，該熱泵系統可有效回收驅動電機的廢熱，減輕車外換熱器的負荷；與空氣源熱泵相比，系統的制熱性能有所提高；同時建立的仿真模型能夠較準確地模擬系統實際的動態性能，從而縮短系統開發周期。

主題詞：純電動汽車雙熱源熱泵系統控制策略

1　前言

與傳統燃油汽車相比，純電動汽車在冬季沒有足夠的余熱供車內采暖，目前一般采用PTC（Positive Temperature Coefficient）電加熱的方式進行制熱，但因其能效比小于1，制熱消耗的電能嚴重降低了整車的續駛里程。由于熱泵空調制熱效率高、應用范圍廣等特點，使得其在純電動汽車上的應用研究受到越來越多學者的關注［1～4］。但目前的研究主要是針對單一空氣源熱泵系統，而這類系統在制熱工況下，車外換熱器負荷大，長時間運行易結霜，大大削弱了系統的制熱性能［4］，同時未能有效回收電驅動系統的廢熱來進一步解決純電動汽車冬季運行時的“續駛里程焦慮”問題。

針對上述問題提出了一種基于空氣熱源和驅動電機冷卻液廢熱源的雙熱源熱泵系統，并在試驗的基礎上，利用AMESim和Matlab聯合仿真技術建立了動態仿真模型，結合城市道路循環工況UDDS對系統性能和控制策略進行了研究。

2　純電動汽車雙熱源熱泵系統

純電動汽車雙熱源熱泵系統（下稱雙熱源熱泵系統）結構如圖1所示。雙熱源熱泵系統內的制冷劑通過板式換熱器與驅動電機側冷卻液進行熱量交換，實現驅動電機系統的廢熱回收。考慮到空氣側和冷卻液側的蒸發背壓不同，選用電子膨脹閥A和電子膨脹閥B分別做板式換熱器和車外換熱器的膨脹裝置。

圖1　雙熱源熱泵系統結構示意

雙熱源熱泵系統關鍵部件參數如表1所列。

表1　關鍵部件參數

雙熱源熱泵系統運行時的工作模式如下。

a.在制冷工況下，通過打開電磁閥D，關閉電磁閥B、A、C，制冷劑依次經過壓縮機→四通閥→車外換熱器→電子膨脹閥B→干燥器→車內換熱器→四通閥→氣液分離器→壓縮機，驅動電機系統的冷卻液依次經過水泵→驅動電機系統→驅動電機冷卻液換熱器→水泵，從而實現車內的制冷和驅動電機的熱管理。

b.在制熱工況下，通過打開電磁閥A、C，關閉電磁閥B，制冷劑依次經過壓縮機→四通閥→車內換熱器→干燥器，并根據電子膨脹閥A、B的開度，分別經過電子膨脹閥B→車外換熱器和電子膨脹閥A→板式換熱器，最后經過四通閥→氣液分離器→壓縮機。驅動電機系統的冷卻液依次經過水泵→驅動電機系統→板式換熱器→水泵，從而動態地回收利用驅動電機系統的廢熱。

3　雙熱源熱泵系統仿真模型

利用Matlab和AMESim聯合仿真技術［5，6］搭建了雙熱源熱泵系統仿真模型，如圖2所示。

圖2　Matlab和AMESim聯合仿真模型架構

該模型中，雙熱源熱泵物理模型在AMESim環境下搭建，并通過編譯生成S函數的方式嵌入到Simulink模型中，從而實現聯合仿真［7］。熱泵物理模型根據工況模型和策略模型的輸出，求解出雙熱源熱泵系統各部件的狀態參數，并反饋給控制模型作為系統控制策略的控制依據。

3.1工況模型

在車輛運行過程中，影響雙熱源熱泵系統工作的參數包括車速和驅動電機的廢熱功率。在工況模型中，通過查詢工況數據表確定車輛運行的速度和驅動電機廢熱功率，工況數據表是通過汽車仿真軟件Advisor［8］計算獲取。Advisor仿真計算中的車輛仿真參數如表2所列，驅動電機特性曲線如圖3所示。

表2　車輛仿真參數

圖3　驅動電機特性曲線

3.2物理模型

利用AMESim軟件提供的空調模塊庫搭建的雙熱源熱泵系統物理仿真模型如圖4所示，其中各模塊的參數按表1進行配置，本文側重于制熱工況下的研究，因此對模型進行適當的簡化來加快求解速度。

圖4　雙熱源熱泵系統物理仿真模型

簡化內容如下：

a.忽略各部件間以及連接管路間的熱交換；

b.將制冷劑在壓縮機的壓縮簡化為絕熱壓縮；

c.將制冷劑在電子膨脹閥的膨脹簡化為絕熱膨脹；

d.將四通換向閥、電磁閥簡化為一段有壓降的管路；

e.將驅動電機冷卻液回路簡化為等效熱容；

f.將板式換熱器簡化為換熱能力相當的換熱肋片；

g.將風機的進風量和電耗功率簡化為線性函數，其函數關系為：

式中，Wfan為風機電耗功率；mair為空氣流量；α為線性擬合系數。

3.3控制策略模型

雙熱源熱泵系統在原理上與變制冷劑流量多聯式（Variable Refrigerant Volume，VRV）空調系統相似，根據文獻［9］～文獻［12］中關于VRV空調系統的研究，壓縮機轉速的調節目標是維持車內的設定溫度，電子膨脹閥的調節目標是維持蒸發器的過熱度，依據此設計了壓縮機轉速和電子膨脹閥控制策略模型，如圖5所示。

圖5　壓縮機轉速和電磁閥開度控制模型

車內風機由駕駛員調節，模型中設定始終以最大風速工作；車外風機的控制模型如圖6所示，由于驅動電機冷卻液散熱器和車外換熱器均安裝在車輛前端，故車外風機的控制根據當前是否需要散熱以及車速共同決定。

圖6　車外風機控制模型

當需要散熱時，車外風機需求比率εfan按照車輛速度進行修正，其函數關系為：

式中，Vspeed為車速；ρair為空氣密度；A為車輛前端進風面積；mair_speed、mair_target、mfan_max分別為車輛運動產生的空氣質量流量、目標空氣質量流量和風機最大質量流量。

驅動電機可承受的最高溫度為120℃［13］，考慮到驅動電機安全高效運行以及傳熱溫差的影響，將驅動電機冷卻液溫度控制在80℃以內。驅動電機冷卻液換熱器的控制采用二位控制，其控制規則為：當電機冷卻液溫度大于70℃時開啟；當電機冷卻液溫度小于60℃時關閉。

4　模型驗證

為了驗證模型的動態仿真精度，在環境艙內進行熱泵系統啟動工況下的性能試驗，試驗中控制模擬車速為40 km/h，環境溫度為2℃，濕度為50%，輻射強度為0，蒸發器出口過熱度為5℃，廢熱功率為0。考慮到負荷和舒適性，采用20%新風和80%回風。環境艙的結構如圖7所示，環境艙的溫度和風速分別由空氣處理單元和風機控制，光照由白熾燈模擬。

圖7　環境艙結構示意

圖8～圖11為2℃環境溫度下，壓縮機轉速為4 000 r/min、車內外風機全開、系統啟動后1 200 s壓縮機吸排氣壓力以及換熱器進出口溫度變化曲線。由圖可看出，雖然各參數仿真值與試驗值還存在一定偏差，但變化趨勢基本保持一致，能夠體現制冷系統實際的動態反應。通過分析可知，由于制冷劑在壓縮機中并不是理想的絕熱壓縮，從而導致壓縮機的吸、排氣壓力偏小，而車外換熱器由于運行過程中溫度低于0℃，表面會結霜，使得其換熱效率下降，從而導致其出口溫度有緩慢下降的趨勢。

圖8　壓縮機吸氣壓力變化曲線

圖9　壓縮機排氣壓力變化曲線

5　仿真結果分析

選取UDDS城市道路循環工況進行路況仿真，由于車內溫度調節及冷卻液溫度的變化需要較長時間，因此在2℃的環境溫度下循環仿真3 600 s，該仿真循環中車速和驅動電機廢熱功率隨時間的變化曲線如圖12和圖13所示。其中，驅動電機廢熱功率曲線中的尖峰是由于驅動電機短時間內處于過載區且電機運行功率大、效率低所導致。

圖10　車內換熱器入口溫度變化曲線

圖11　車外換熱器出口溫度變化曲線

圖12　車速變化曲線

圖13　廢熱功率變化曲線

為了直觀地分析雙熱源熱泵系統的性能，引入空氣源熱泵進行對比仿真試驗。空氣源熱泵仿真試驗中，將電子膨脹閥A關閉，并將驅動電機的廢熱功率設為0。

5.1雙熱源熱泵動態性能分析

圖14和圖15為PI控制器對車內溫度的控制效果曲線。開機前90 s壓縮機以最大轉速進行工作，使車內溫度迅速達到設定值。整個循環工況中，由于車速的變化，駕駛艙與空氣之間的對流換熱量不斷波動，但PI控制器能夠動態地調節壓縮機的轉速，從而維持車內溫度的恒定。

圖14　車內溫度變化曲線

圖15　壓縮機轉速變化曲線

圖16為電機冷卻液溫度變化曲線，圖17為蒸發器過熱度的控制效果，圖18為膨脹閥開度變化曲線，圖19為制冷劑流量變化曲線。從圖中可看出，蒸發器出口的過熱度受到電機冷卻液溫度的影響發生波動，但PI控制器能夠動態地調節膨脹閥的開度，從而將過熱度控制到預期目標。

圖16　電機冷卻液溫度變化曲線

圖17　過熱度變化曲線

圖18　膨脹閥開度變化曲線

圖19　制冷劑流量變化曲線

由圖18和圖19可看出，電子膨脹閥的開度變化直接影響到車外換熱器和板式換熱器的流量分配，從而實現驅動電機冷卻液廢熱的動態回收。

5.2雙熱源熱泵與空氣源熱泵對比分析

由圖20和圖21可看出，與空氣源熱泵相比，由于雙熱源熱泵回收利用了驅動電機廢熱，因此其壓縮機吸氣壓力相對較高，電耗相對較小；圖22為車外換熱器負荷變化曲線，其中某些時刻車外換熱器負荷為負，是由于系統壓力波動過程中，部分制冷劑回流導致的；由圖22和圖23可看出，與空氣源熱泵相比，車外換熱器回路上的電子膨脹閥的開度相對較小，從而減小車外換熱器的工作負荷，減緩車外換熱器的結霜過程，提高熱泵系統的制熱性能。

圖20　壓縮機吸氣壓力變化曲線

圖21　壓縮機電耗功率變化曲線

圖22　車外換熱器負荷變化曲線

圖23　電子膨脹閥B開度變化曲線

通過分析循環工況中雙熱源熱泵和空氣源熱泵系統的制熱性能，得到系統運行過程中的平均制熱性能參數如表3所列。由表3可知，與空氣源熱泵系統相比，雙熱源熱泵系統車外換熱器負荷減少了82.85%，制熱能效比提高了8.97%。

表3　系統平均制熱性能參數

6　結束語

本文提出了純電動汽車雙熱源熱泵系統，構建了基于AMESim和Matlab的雙熱源熱泵系統動態仿真模型，并利用試驗數據對該仿真模型進行了驗證。在此基礎上，在2℃環境溫度、UDDS循環工況下，對雙熱源熱泵系統的制熱性能和控制策略進行了仿真分析，得到如下結果：

a.雙熱源熱泵系統能夠回收利用驅動電機的廢熱，提升系統的制熱性能，其制熱能效比可達3.16，比單一空氣源熱泵系統提高了8.97%；

b.雙熱源熱泵系統能夠減小車外換熱器負荷，從而減緩車外換熱器的結霜過程，其車外換熱器負荷比單一空氣源熱泵系統減少了82.85%；

c.搭建的雙熱源熱泵系統仿真模型能夠較準確地模擬雙熱源熱泵系統實際的動態性能，可為雙熱源熱泵系統及其控制策略的設計優化提供理論依據。

1謝卓，陳江平，陳芝久.電動車熱泵空調系統的設計分析.汽車工程，2006，28（8）：763～765.

2L Wang，W Bai.Development and simulation of electric vehicle based on ADVISOR.Journal of Southeast University （English dition），2006，22（2）：196～199.

3鐘會球，電動汽車空調系統仿真與試驗研究：［學位論文］.杭州：浙江大學，2012.

4歐陽光.熱泵型電動汽車空調系統性能試驗研究：［學位論文］.廣州：華南理工大學，2011.

5秦家升，游善蘭.AMESim軟件的特征及其應用.工程機械，2005，35（12）：6～8.

6陶晶.跨臨界CO_2汽車空調系統仿真及性能控制分析：［學位論文］.長春：吉林大學，2011.

7李謹，鄧衛華.AMESim與MATLAB/Simulink聯合仿真技術及應用.指揮控制與仿真，2004，26（5）：61～64.

8張翔，趙韓，錢立軍，等.電動汽車仿真軟件ADVISOR.輕型汽車技術，2003（8）：15～17.

9邵雙全，石文星，李先庭，等.VRV空調系統特性與控制策略研究（一）——電子膨脹閥-蒸發器聯合調節特性與控制策略，第十屆全國冷（熱）水機組與熱泵技術研討會. 2001.

10石文星，邵雙全，彭曉峰，等.熱回收型多元變制冷劑流量空調系統控制策略仿真研究.暖通空調，2003，33（1）：12～17.

11薛勍，顧中平，黃國強，等.電子膨脹閥在小型中央空調系統中的應用研究.制冷與空調，2005，2（02）：30～33.

12陳文勇，陳芝久，朱瑞琪，等.制冷系統啟動過程電子膨脹閥的控制.上海交通大學學報，2002，36（2）：210～213.

13王健，許思傳，陳黎.基于AMESim的純電動汽車熱管理系統的優化設計.佳木斯大學學報：自然科學版，2011，29（5）：656～660.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年4月1日。

Modeling and Simulation Research of Dual Source Heat Pump in Electric Vehicles Based on AMESim and Matlab

Xia Binbin1，Tian Zhen2，Yang Lin1，Gu Bo2
（1.Institute of Automotive Electronics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 201100；2.Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 201100）

The electronic vehicles produce low-grade waste heat which makes it difficult to heat cabin directly.To solve this problem，we put forward a dual-source heat pump system that can absorb heat from driving motor and air.A dynamics simulation is established based on AMESim and Matlab.The performance and control strategy of the dual-source heat pump are studied as well.The results demonstrate that，the dual-source heat pump could recycle the waste heat from the driving motor effectively and reduce the load of the external heat exchanger.Therefore，the heating performance is improved compared with the air-source heat pump.The proposed simulation model could simulate accurately the dynamic performance of the dual-source heat pump，thus shorten the design cycle.

Electric vehicles,Dual-source heat pump,Control strategy

U469.72

A

1000-3703（2016）09-0057-06

純電動汽車熱管理系統與電氣集成設計技術（編號2013BAG03B01）。