電動汽車空調制熱系統設計及研究

張海 張宸瑜 郭木生

摘?? 要：針對純電動汽車空調系統制熱功耗高且低溫環境工況下制熱效果差的問題，提出一種通過回收電機余熱為乘客艙制熱來減少制熱功耗的空調系統. 運用AMESim軟件建立了電機余熱循環系統模型并通過電機余熱制熱試驗驗證了該模型的準確性，建立了熱泵空調制熱系統模型并通過熱泵空調制熱試驗驗證了該模型的準確性，結合兩個系統建立了帶有電機余熱回收的熱泵空調系統仿真模型，分析了電機余熱制熱性能和電機余熱輔助熱泵空調制熱性能. 試驗結果表明，電機余熱單獨制熱在中等車速、環境溫度高于10 ℃的工況下能夠滿足制熱需求;電機余熱輔助熱泵空調制熱能夠有效提高制熱效率，在電機轉速為3 000 r/min、壓縮機轉速為4 000 r/min、環境溫度為-5 ℃的工況下，等效制熱能效比能夠達到3.4，比同工況下熱泵空調單獨制熱模式的能效比提高了約48%. 該系統可以有效提高純電動汽車的能源利用率，改善空調系統的制熱性能.

關鍵詞：電動汽車;熱泵系統;空調;余熱利用;低溫制熱

中圖分類號：U463.85;U469.72?????????????????????? 文獻標志碼：A

Design and Research of Air Conditioning

Heating System for Electric Vehicles

ZHANG Hai，ZHANG Chenyu?，GUO Musheng

（ School of Mechanical and Electrical Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang? 330013，China）

Abstract：To address the problems of high heating power consumption and poor heating effect in a low-temperature environment， an air conditioning system of the electric vehicle is proposed to reduce the heating power consumption by recycling motor waste heat for passenger cabin heating. Th motor waste heat circulation system model is established by AMESim software and the accuracy of the model is verified by the motor waste heat heating experiment. Then， the heat pump air conditioning heating system model is established and the accuracy of the model is checked by the heat pump air conditioning heating experiment. Finally， the simulation model of a heat pump air conditioning system with motor waste heat recovery is established， and the performance of motor waste heat and motor waste heat auxiliary heat pump air conditioning is analyzed. The experimental results show that the motor waste heat alone can meet the heating demand under the working condition of medium vehicle speed and ambient temperature above 10 ℃. The motor waste heat-assisted heat pump air conditioner heating can effectively improve the heating efficiency. And the equivalent heating energy efficiency ratio can reach 3.4 under the working conditions of the motor speed of 3 000 r/min， compressor speed of 4 000 r/min and ambient temperature of -5 ℃. Under the same working condition， the equivalent energy efficiency ratio is 48% higher than the energy efficiency ratio of the heat pump air conditioner alone. This system can effectively improve the energy utilization rate of the electric vehicle and the heating performance of the air conditioning system.

????Key words：electric automobiles;heat pump systems;air conditioning;waste heat utilization;low temperature? heating

在冬季，純電動汽車由于沒有發動機提供足夠的制熱熱源，所以需要額外的輔助熱源進行制熱[1]. 目前在市場應用中普遍使用PTC（Positive Temperature Coefficient heater）加熱器為純電動汽車制熱，但是其制熱能效比（Coefficient of Performance，COP）不可能大于1，只能達到0.8～0.95[2]，對純電動汽車的續航里程影響很大. 熱泵空調比PTC加熱器具有更高的制熱能效比，可以提高純電動汽車的冬季低溫續航能力，因此，熱泵空調成為了純電動汽車制熱空調更好的選擇[3].

許多學者對純電動汽車熱泵系統性能進行了研究[4-6]，但大部分針對單空氣熱源熱泵系統以及混合動力汽車熱泵系統，沒有考慮到其他熱源的利用. 純電動汽車熱泵空調雖然制熱能效比較高，但還是在消耗動力電池的能量，若能加入電機余熱輔助制熱，將會有效減少動力電池的能量消耗，提高續航里程. 李萍等[7]研究了廢熱回收的熱泵空調系統，采用兩個分回路吸收電池和電機產生的廢熱以達到冬季惡劣條件下的制熱要求. 該系統雖然可以有效改善熱泵空調的制熱性能，但并未考慮到低溫高濕環境下車外換熱器的結霜問題. 熱泵空調雖然十分適合作為純電動汽車的制熱空調，但在使用熱泵空調時還會遇到一些問題. 熱泵空調的車外換熱器在冬季低溫潮濕環境下運行時發生結霜而影響空調系統制熱性能是使用熱泵空調系統所需要解決的一個難題. 車外換熱器在低溫潮濕環境下結霜后會導致壓縮機單位功耗增加，降低系統性能，嚴重時甚至會造成停機現象[8-10].為了提高熱泵系統在冬季的工作效率，需要采用帶有車外換熱器除霜功能的熱泵空調系統. 許多學者對熱氣旁通和逆循環除霜方案進行了研究[11-13]，雖然它們可以迅速有效地實現除霜功能，但是它們除霜的最終能量來源都是動力電池的額外供能，這將在一定程度上縮減純電動車的續航里程，如果能夠合理利用純電動汽車的電機余熱進行輔助除霜，將有效提高熱泵空調系統性能的同時減小對續航里程的影響.

綜合當前研究現狀，本文針對純電動汽車的熱泵空調系統，從純電動汽車的電機余熱出發，提出一種帶有電機余熱回收功能的純電動車用熱泵空調制熱系統，并建立該制熱空調系統的AMESim仿真模型，通過試驗對仿真模型進行驗證.

1?? 系統構成原理及其功能分析

1.1?? 空調系統構成原理

本文設計的帶有電機余熱功能的制熱空調系統如圖1所示，該系統主要分為熱泵空調的制冷劑循環部分和電機余熱的水循環部分. 對于熱泵空調制冷劑循環部分，由于本文主要研究空調的制熱性能，因此只考慮了制冷劑的制熱循環，不考慮制冷劑的制冷循環. 熱泵空調主要由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器和氣液分離器等部件組成，當熱泵空調開啟制熱時，制冷劑被壓縮機壓縮成高溫高壓的氣態，之后流經冷凝器大部分變成液態，同時將熱量傳遞到乘客艙內實現制熱，然后制冷劑在膨脹閥中節流，變成了低溫低壓的液態，在經過室外蒸發器時蒸發成為氣態同時吸收車室外空氣的熱量，最后其中少部分未蒸發的液態制冷劑留在了氣液分離器中，大部分氣態制冷劑流回壓縮機中進行下一個制熱循環. 電機余熱水循環部分如圖1粗箭頭所示，主要由電機、水泵、水壺、水PTC、三通水閥、暖風芯體和散熱器等部件構成，可以實現乘客艙制熱、電機散熱和蒸發器除霜等功能.

1.2?? 空調系統功能分析

本文設計的帶有電機余熱功能的制熱空調系統主要有3種制熱工作模式，分別為電機余熱單獨制熱、電機余熱輔助熱泵空調制熱和電機余熱輔助PTC制熱. 除了3種制熱工作模式外，還有電機散熱和車外蒸發器除霜兩種獨立控制的功能.

電機余熱單獨制熱工作模式下，熱泵空調不運行，電機冷卻水按圖2所示水循環流動. 在電機余熱單獨制熱時，水PTC不開啟，水泵推動電機冷卻液流經暖風芯體，將電機余熱傳遞至乘客艙內，實現乘客艙的制熱;同時，三通水閥可以在電機溫度過高時控制冷卻水循環流經車室外散熱器將多余的熱量散發，保證電機溫度不會過高. 該模式和傳統燃油汽車制熱原理一樣，動力電池不需要額外耗能，制熱的同時不會影響續航里程，但是該模式的缺點也很明顯，在車外環境溫度較低，車內制熱需求量較大時，無法滿足乘客艙制熱要求.

?????電機余熱輔助熱泵空調制熱工作模式下，熱泵空調制冷劑循環和電機冷卻水循環同時運行，如圖1所示. 熱泵空調通過冷凝器給乘客艙制熱，同時電機余熱通過暖風芯體給乘客艙制熱，而水PTC和三通水閥控制的散熱器回路會在車室外蒸發器需要除霜時開啟，通過風扇將散熱器的熱量傳到蒸發器上進行融霜，解決熱泵空調在冬季低溫潮濕環境下因車外蒸發器結霜而影響制熱性能的難題. 該模式在電機余熱單獨制熱性能不足時開啟，以電機余熱輔助制熱能效比較高的熱泵空調給乘客艙制熱，同時利用了電機余熱配合水PTC給車室外蒸發器進行除霜，在確保制熱性能的前提下提高了能源利用率.

在電機余熱輔助PTC制熱工作模式下，熱泵空調不運行，水PTC開啟，三通水閥控制關閉冷卻水的散熱器流向，冷卻水循環如圖3所示. 此時水循環有電機余熱和水PTC制熱兩個熱源，可以在電機余熱單獨制熱性能不足和熱泵空調超低溫環境下無法制熱時通過暖風芯體給乘客艙制熱. 該模式雖然回收利用了電機余熱進行制熱，但主要還是利用PTC加熱器制熱，和現在市場中純電動汽車普遍使用的制熱方式一樣，耗能較高，一般只在極端惡劣工況下使用.

2?? 子系統模型的建立及其試驗驗證

由于根據該制熱系統搭建完整的試驗平臺成本較大，所以本文將系統模型分為電機余熱循環系統和熱泵空調制熱系統兩個子系統，利用AMESim軟件分別建立子系統的模型，并設計相應的試驗對子系統模型進行驗證，最后根據驗證后的子模型建立完整的系統模型進行仿真分析.

2.1?? 電機余熱循環系統模型

純電動汽車中的余熱主要集中在動力電池和電機上，而動力電池在冬季不僅需要散熱還需要加熱，所以動力電池余熱的利用比較復雜，因此本文只對電機余熱進行設計分析.

2.1.1?? 電機余熱模型建立

針對電機的產熱模型，忽略其機械損耗和其他附件產熱，只計算電機的產熱功率，可以表示為：

P = Rs（I2

sd + I2

sq）????? （1）

式中：P為電機產熱功率，單位W;Rs為繞組隨溫度變化的電阻值，單位Ω;Isd和Isq為兩相旋轉坐標系下（dq坐標系）的繞組電流，單位A.

Rs會隨著溫度變化進行修正，其計算可表示為：

Rs = RS0（1 + αRS（T - T0））?????? （2）

式中：RS0為電樞電阻，單位Ω;αRS為溫度修正系數;T為實際溫度，單位℃;T0為參考溫度，一般為25 ℃.

電機產生的熱量與電機冷卻液發生熱對流，由冷卻液帶走，之后由散熱器或者暖風芯體把熱量傳遞出去，如此反復循環. 對流換熱公式為：

? = AhΔT???? （3）

式中：?為電機冷卻液帶走的熱量，單位W;A為接觸面積，單位m2;h為傳熱系數，單位W/（m2·K）;ΔT為平均溫差，單位K.

利用AMESim軟件建立一個不帶控制部分的電機余熱循環系統模型，如圖4所示.

2.1.2?? 電機余熱模型試驗驗證

為了驗證所建立的電機模型的熱仿真性能是否符合實際電機系統的熱循環規律，借助江西江鈴集團新能源汽車有限公司的試驗設備對電機余熱進行試驗測試，試驗在環境模擬實驗室進行，如圖5所示.

試驗中的電機余熱循環系統各部件安裝在整車上，整車放置在環境模擬實驗室中，電機冷卻回路只通過暖風芯體給乘客艙制熱，不經過散熱器等其他回路，試驗中通過溫度傳感器測量乘客艙出風口溫度，空調開啟吹臉模式. 溫度傳感器分別布置在主駕左側出風口、主駕右側出風口、副駕左側出風口和副駕右側出風口共4個位置. 將溫度傳感器的平均值作為乘客艙出風口溫度，所有溫度傳感器采樣間隔為1 min. 試驗一共進行了6次，實驗室中的環境溫度分別設置在5 ℃、10 ℃和15 ℃，試驗時電機轉速分別控制在6 000 r/min和8 000 r/min，每次試驗前先通過浸車使汽車乘客艙溫度達到試驗工況溫度，再進行試驗.

試驗中電機由實驗室外的控制設備控制，模擬不同環境溫度和不同電機轉速工況下電機余熱的制熱情況. 試驗結果與仿真結果對比分別如圖6和圖7所示.

從圖6和圖7可以看出，環境溫度越高、電機轉速越大，電機余熱制熱下乘客艙能夠達到的溫度就越高，并且不同轉速和不同環境溫度電機余熱循環制熱下乘客艙溫度變化的仿真曲線與試驗曲線變化趨勢相符，溫度變化誤差在3 ℃之內.

2.2?? 熱泵空調制熱系統模型

2.2.1?? 熱泵空調制熱模型建立

壓縮機模型采用直流電機驅動定排量壓縮機，轉速設置為手動輸入變量. 壓縮機的質量流量為：

qm =??????? （4）

式中：qm為質量流量，單位kg/s;ηv為容積效率;ρs為吸入制冷劑密度，單位kg/m3;n為壓縮機轉速，單位r/min;Vdisp為壓縮機排量，單位cm3.

壓縮機的輸出轉矩為：

T =????????? （5）

式中：hinc為壓縮機質量焓，單位J/kg;ηm為機械效率;T為壓縮機轉矩，單位N·m.

熱泵空調的換熱器模型包括蒸發器模型和冷凝器模型. 蒸發器采用微通道平行流換熱器，冷凝器采用U形管板翅式換熱器，雖然它們采用了不同的結構形式，但是它們的換熱原理是一樣的，因此建模時統一稱為換熱器模型. 在換熱器中制冷劑與換熱器壁面之間的對流換熱量為：

?1 = h1 A1（Tre - Twall）??????? （6）

式中：h1為傳熱系數，單位W/（m2·K）;A1為換熱面積，單位m2;Tre為制冷劑溫度;Twall為壁面溫度，單位K. 其中傳熱系數h1的計算公式為：

????h1 =????????? （7）

式中：λ為制冷劑導熱系數，單位W/（m·K）;Nu為努賽爾數;dh為制冷劑側水力直徑，單位m.

空氣側與換熱器壁面之間的對流換熱量為：

?2 = h2 A2（Ta - Twall）??????? （8）

式中：h2為傳熱系數，單位W/（m2·K）;A2為換熱面積，單位m2;Ta為制冷劑溫度;Twall為壁面溫度，單位K. 其中傳熱系數h2的計算公式為：

h2 =????????? （9）

式中：λa為濕空氣導熱系數，單位W/（m·K）;dha為空氣側水力直徑，單位m.

利用AMESim軟件建立的熱泵空調制熱系統模型，如圖8所示.

2.2.2?? 熱泵空調制熱模型試驗驗證

試驗中的熱泵空調等部件安裝在整車上，整車放置在汽車空調環境模擬實驗室中. 由于乘客艙空間較大，溫度分布不均，所以分別在主駕左側呼吸點、主駕右側呼吸點、主駕左膝部、主駕右膝部、主駕左腳面、主駕右腳面和其他3個座位的相應部位一共24個位置布置溫度傳感器，將這24個溫度傳感器的平均值作為車內溫度，所有溫度傳感器采樣頻率均為1 s. 試驗環境溫度0 ℃，空調開啟外循環，控制壓縮機以固定轉速3 000 r/min運行，試驗結果與仿真結果對比如圖9所示.

從圖9可以看出，在0 ℃的環境溫度下，熱泵空調制熱下乘客艙溫度變化的仿真曲線與試驗曲線變化趨勢相符，溫度變化誤差在2 ℃之內.

3?? 系統性能仿真分析

將兩個子系統相結合，利用AMESim軟件建立帶有電機余熱循環的空調系統仿真模型，如圖10所示.

3.1?? 電機余熱制熱性能仿真

將仿真環境溫度分別設置為15 ℃、10 ℃、5 ℃、0 ℃和-10 ℃，電機冷卻液、制冷劑以及各部件初始溫度設置與環境溫度相同，其他固定參數設置如表1所示. 在這5個不同的環境溫度工況下設置不同的電機轉速，且壓縮轉速都設置為0，對電機余熱制熱性能進行仿真分析.

當電機轉速為1 000 r/min時，仿真運行30 min得到的駕駛艙溫度變化如圖11所示. 從圖11中可以看出，當電機以1 000 r/min的轉速運行時，電機余熱制熱模式下乘客艙的溫度升高不大，基本在5 ℃左右，即使在環境溫度為15 ℃時，駕駛艙溫度穩定后也無法達到20 ℃，難以滿足制熱需求.

當電機轉速為3 000 r/min時，仿真運行30 min得到的駕駛艙溫度變化如圖12所示. 從圖12中可以看出，當電機以3 000 r/min的轉速運行時，電機余熱制熱模式下乘客艙的溫度能升高10 ℃左右，在環境溫度為15 ℃時，駕駛艙溫度穩定后能達到25 ℃以上，基本能夠滿足乘客艙的制熱需求;但是在環境溫度為5 ℃以下時，駕駛艙溫度穩定后無法達到20 ℃，不能滿足制熱需求.

??當電機轉速為6 000 r/min時，仿真運行30 min得到的駕駛艙溫度變化如圖13所示. 從圖13中可以看出，當電機以6 000 r/min的轉速運行時，電機余熱制熱模式下乘客艙的溫度能升高15 ℃以上，在環境溫度為15 ℃時，駕駛艙溫度穩定后能達到32 ℃以上，完全能夠滿足乘客艙的制熱需求;但是在環境溫度為0 ℃以下時，駕駛艙溫度穩定后無法達到20 ℃，無法滿足制熱需求.

從仿真結果可以看出，當電機以較低轉速運行時，電機余熱無法滿足乘客艙的制熱需求;當電機以中等轉速運行，環境溫度在10 ℃以上時，電機余熱可以滿足乘客艙的制熱需求;當電機以較高轉速運行，環境溫度在5 ℃以上時，電機余熱可以滿足乘客艙的制熱需求.

3.2?? 電機余熱輔助熱泵空調制熱性能仿真

?????從電機余熱單獨制熱仿真結果可以看出，在環境溫度較低的工況下單獨的電機余熱制熱無法滿足乘客艙的制熱需求，需要額外開啟熱泵空調進行制熱.

因為單獨的電機余熱在5 ℃以下無法滿足制熱需求，而單級壓縮機的熱泵空調在-5 ℃以下制熱效果衰減嚴重，在-10 ℃時基本無法正常工作[14]，需要開啟PTC制熱，所以將仿真模型中的環境溫度設置為-5 ℃，電機冷卻液、制冷劑以及各部件初始溫度設置為與環境溫度相同. 因為初始溫度和環境溫度較低，故壓縮機轉速設置為4 000 r/min不變，分別對電機轉速為0和3 000 r/min兩種工況進行仿真，研究熱泵單獨制熱與電機余熱輔助熱泵空調制熱的性能差異.

在環境溫度為-5 ℃以下時，熱泵空調單獨制熱和電機余熱輔助熱泵空調制熱的乘客艙溫度變化如圖14所示. 從圖14中可以看出，在該工況下熱泵空調單獨制熱能力不足，乘客艙溫度穩定后只能達到15 ℃左右，無法滿足乘客艙的制熱需求;而電機余熱輔助熱泵空調制熱的模式下，乘客艙溫度能穩定在25 ℃以上，具有足夠的制熱能力.

在環境溫度為-5 ℃以下時，熱泵空調單獨制熱和電機余熱輔助熱泵空調制熱的制熱能效比對比如圖15所示. 其中電機余熱輔助熱泵空調制熱模式對應的曲線為等效制熱能效比，此處用ηcop來表示等效制熱能效比. 其計算公式為：

ηcop =???????????????? （10）

式中：W1為電機余熱制熱量，單位J;W2為熱泵空調制熱量，單位J;P為壓縮機功耗，單位J.

從圖15中可以看出，在壓縮機轉速為4 000 r/min，電機轉速為3 000 r/min，環境溫度為-5 ℃的工況下，熱泵空調單獨制熱模式的制熱能效比最高只能達到2.3左右，而電機余熱輔助熱泵空調制熱模式的等效制熱能效比ηcop最高能達到3.4以上，比同工況下熱泵空調單獨制熱模式的能效比提高了約48%，能夠有效減少動力電池能量的消耗. 由于仿真中制冷劑和各部件殼體設置的初始溫度與環境溫度一致，所以仿真開始后空調制熱的能量會被吸收，造成制熱量較小，形成制熱能效比逐漸增大的情況.

4?? 總?? 結

本文為了進一步提高純電動汽車熱泵空調系統的制熱性能，減少電機熱量直接散失到環境中造成的能量浪費，設計了一種帶有余熱回收功能的純電動車用熱泵空調制熱系統，并對該系統的性能進行仿真分析. 仿真結果表明：電機余熱單獨制熱模式能夠在中等車速環境溫度高于10 ℃的工況下滿足制熱需求;電機余熱輔助熱泵空調制熱模式在電機轉速為3 000 r/min、壓縮機轉速為4 000 r/min、環境溫度為-5 ℃的工況下，等效制熱能效比能夠達到3.4，比同工況下熱泵空調單獨制熱模式的能效比提高了約48%，能夠有效增加熱泵空調在較低環境溫度工況下的制熱能力.

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收稿日期：2021-04-01

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51865009），National Natural Science Foundation of China（51865009）;江西省自然科學基金資助項目（20192BAB206022），Natural Science Foundation of Jiangxi Province（20192BAB206022）

作者簡介：張海（1978—），男，江西吉安人，華東交通大學副教授，博士

通信聯系人，E-mail：511032261@qq.com