采用余熱型熱泵的整車制熱系統設計與仿真

胡遠志，黃 馳

(重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室， 重慶 400054)

0 引言

隨著國家政策的推動和新能源汽車市場的大力發展，我國的電動汽車銷售量逐年上漲，消費者進行購買時考慮最多的問題便是電動車的續航問題[1]。在影響電動車續駛里程的眾多因素中，空調系統占了較大比重。通?？照{系統的能耗占輔助系統能耗的三分之二，一旦開啟，將會對續航產生非常大的影響，甚至在冬季能縮短30%左右的行駛里程[2]。由于電動車和燃油車的驅動形式不同，燃油車可將發動機熱量供給乘員艙，而大部分電動車采用的是PTC(positive temperature coefficient)熱敏電阻電加熱器，其耗電量較大，且制熱效率COP(coefficient of performance)小于1，開啟后將嚴重降低電動車續航里程[3]。為了解決電動車冬季制熱耗能大的問題，眾多學者將車載熱泵空調作為研究的重點方向[4-5]。

熱泵空調相較于普通空調的差異在于通過一個四通閥調節冷媒的流向，從而達到制冷模式與制熱模式的切換，文獻[6]設計了一套四通閥雙換熱器熱泵空調系統，在制冷、制熱方面均有良好表現。為了滿足冬季車窗玻璃除霜除霧的要求，文獻[7]設計了一套三換熱器熱泵空調，車內既有冷凝器，也有蒸發器，冷空氣經蒸發器除濕后再經過冷凝器加熱，從而達到除霜除霧的效果。當熱泵空調能滿足基本的需求后，學者們為了增強其性能，從壓縮機、換熱器和膨脹閥開展了研究。文獻[8]研究表明較高的壓縮機轉速和大的車外換熱器進風量能有效地提高熱泵性能，但較高的壓縮機轉速會導致系統能耗的增加。文獻[9]研究表明通過增大或減小膨脹閥開度能有效調節換熱器中冷媒的過冷度，從而調節車內出風口風溫。文獻[10]研究表明在環境溫度過低時，熱泵空調由于車外換熱器結霜從而導致換熱量減少，系統制熱量減少和制熱效率降低。文獻[11]設計了一款可回收耗電設備熱量的熱泵空調系統，并在低溫下測試了其性能，結果表明當環境溫度降低時，其制熱效率仍能達到3。總體來說，熱泵空調在冬季制熱性能較差，提高其冬季的制熱效率具有一定的工程應用價值。

車載鋰電池作為電動車的唯一能量來源，它對車輛的性能起著非常大的影響。低溫狀態下，鋰電池活性降低、放電量減少，從而導致車輛性能下降，甚至溫度過低時無法啟動。因此，眾多學者對鋰電池的低溫加熱展開了研究[12-13]。目前，車載鋰電池的主要加熱方法有電加熱膜加熱和PTC加熱，但其耗能較大，經濟性較低[14]。

為了解決純電動汽車在低溫下熱泵空調制熱能力差和鋰電池加熱能耗較大的問題，本文設計了一套利用電機余熱增強乘員艙制熱性能同時加熱電池的制熱系統。通過對設計的余熱型熱泵空調制熱系統和傳統熱泵系統進行仿真分析，發現新設計的余熱型熱泵空調制熱系統在制熱能力和能耗方面都具有良好的表現。

1 余熱型熱泵空調制熱系統設計

目前，純電動車使用的電機大多為永磁同步電機，其功率密度高，動態性能好，結構緊湊，運行可靠。在車輛運行時電機會因一些損耗而產生大量的熱，這些多余的熱量可以通過板式換熱器與冷媒換熱，在較低溫度下減緩車外換熱器負荷，增大制熱效率；由于乙二醇溶液可做為電機冷卻液和電池冷卻液，通過串聯兩個系統可以在低溫下利用余熱對電池進行加熱。本文設計的余熱型熱泵空調制熱系統原理如圖1所示。

1.壓縮機；2.車內換熱器；3、6.三通閥；4、9.電子膨脹閥a、b；5.車外換熱器；7.儲液瓶；10.板式換熱器；11、15.冷卻水泵；12.電機；13.四通換向閥；14.電池包

余熱型熱泵空調制熱系統的工作原理如下：冷媒經過壓縮機壓縮后變為高溫高壓的氣態工質，通過車內冷凝器與空氣進行換熱，加熱即將進入車內的空氣。冷媒通過車內冷凝器后變為中溫高壓的過冷液態，然后由三通閥分為兩路，一路經電子膨脹閥a后變為低溫低壓的霧狀，并在車外換熱器內吸收外部環境熱量，變成低溫低壓的過熱氣態。當電機冷卻液吸收電機熱量后溫度高于外部環境溫度時，打開電磁閥，冷媒通過膨脹閥b后在板式換熱器中與電機冷卻液進行換熱從而變為過熱氣態，再通過三通閥進行匯合。當電機冷卻液溫度高于電池時，通過四通閥將電池冷卻回路與電機冷卻回路串聯，從而對電池進行加熱。當電池升至15℃時控制四通閥將電機冷卻回路與電池冷卻回路斷開。

2 乘員艙熱負荷模型

在低溫下為滿足舒適性要求需要向車內補充熱量，這時向車內補充的熱量稱之為乘員艙制熱時的熱負荷。通過探究影響乘員艙溫度的主要因素，建立簡化的乘員艙熱負荷模型[15]。

乘員艙熱負荷為：

Q=Qb+Qs+Ql+Qp+Qd

(1)

式中：Q為整車熱負荷；Qb為車身熱負荷；Qs為太陽輻射的熱量；Ql為冷空氣滲透的熱負荷；Qp為乘員散熱量；Qd為除霜除霧耗熱量。

2.1 車身熱負荷

車身主要是由車頂、車玻璃、車側面和車底面組合而成的。由于車內車外存在溫差，車外冷空氣會與車身進行對流換熱，即車身熱負荷的計算公式為：

Qb=∑KiSiΔt

(2)

式中:Ki為車身各部分傳熱系數，因材質不同故傳熱系數不同；Si為車身各部分的傳熱面積；Δt為車內車外的溫度差，因其為低溫環境下的制熱模式，故Δt=tin-tout。

2.2 太陽輻射熱量

太陽主要是通過照射在玻璃上透過玻璃進行輻射傳熱以及照射在車頂上通過車頂與車內流動的空氣進行換熱。其傳熱公式[16]為：

(3)

式中：η為玻璃的輻射透入系數；ρg為玻璃的輻射吸收系數；αin為車頂內表面與車內空氣的對流換熱系數；αout為車身表面與車外空氣的對流換熱系數；J為太陽的輻射強度；C為玻璃遮陽的修正系數；Sg為玻璃的面積。

2.3 冷空氣滲透的熱負荷

冷空氣帶來的熱負荷主要是由供風系統中的新風和車身縫隙處所帶來的。其公式為：

Ql=0.28NGlρcΔt

(4)

式中：N為車內人員數；Gl為新風風量與車身縫隙處泄露風量之和；ρ為當前環境溫度下空氣密度；c為當前環境溫度下空氣比熱；Δt為車內車外的溫度差。

2.4 乘員散熱量

乘員散熱量主要由經驗公式來進行計算,其公式如下:

Qp=116Nn*

(5)

式中：116為經驗系數；N為車內人員數；n*為群集系數，一般取0.9。

2.5 除霜除霧熱負荷

在環境溫度較低時車內溫度高于車外溫度，車窗上會形成霜和霧，阻礙行車視線，為了保障安全需用空調進行除霜除霧處理，其熱負荷公式為：

Qd=0.28GdρcΔt

(6)

式中:Gd為除霜除霧時空調系統所需提供的風量；ρ為當前環境溫度下空氣密度；c為當前環境溫度下空氣比熱；Δt為車內車外的溫度差。

3 電機和電池生熱模型

3.1 電機生熱特性

電機生熱主要是由于電機運行時的損耗產生的，這些損耗主要包括繞組損耗、鐵芯損耗、機械損耗。

繞組損耗又被叫做銅損耗，其計算公式如下：

Pcu=mI2R

(7)

式中:m為永磁電機的相數；I為電機運行時的電流；R為繞組的電阻。

鐵芯損耗主要是由3部分組成，分別為磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗，可采用Berttotti提出的理論模型進行計算，計算公式如下：

(8)

式中，kh、ke和kc分別為磁滯損耗系數、渦流損耗系數和異常損耗系數；f為電磁場變化的頻率；Bm為磁場密度幅值；a為常系數。

機械損耗主要是由電機運轉過程中轉子軸承的摩擦和內部風磨造成的損耗，計算公式如下：

PZ=kmGRn·10-3

(9)

(10)

式中：PZ和PF分別為摩擦損耗功率和風磨損耗功率；km為摩擦因數；GR、DR和lR分別為電機轉子的重量、直徑和長度；n為電機轉子的轉速。

永磁電機產生的熱量最主要的來源是繞組損耗和鐵芯損耗。

3.2 電池生熱特性

車載電池一般都為鋰離子電池，鋰離子電池在充放電時會發生一個可逆的化學反應，其反應式如下：

(11)

在鋰離子電池發生化學反應的同時，會伴隨著一定熱量的產生，其生熱主要是由反應熱qr、副反應熱qs、焦耳熱qj和極化熱qp組成，但副反應所產生的熱量相對較少，通常忽略不計，所以鋰電池生熱公式如下：

(12)

式中：Tli為車輛行駛中鋰電池的溫度；ΔS為熵值變化量；IB為車輛行駛過程中電池放電的電流；Rj為電池的歐姆內阻；Rp為電池的極化內阻。

在鋰電池生熱計算中通常采用的是Bernadi所提出的生熱理論模型，其公式如下：

(13)

4 AMESim建模與仿真分析

本文通過AMESim2020軟件進行整車制熱系統建模與仿真分析。仿真中車輛參數及熱泵空調關鍵零部件參數如表1、2所示。

表1 車輛仿真參數

4.1 仿真工況建模

為了獲得更加精確的仿真結果，本文采用的是世界輕型汽車測試循環工況(world light vehicle test cycle)，簡稱WLTC。WLTC工況相比NEDC工況擁有了更多急加速、急減速的測試路段，且考慮了車內負載的影響，對實際因素的考慮更加嚴格，純電動車采用WLTC工況測試也更為準確。

為了使仿真能夠覆蓋更多的工況，本文設置了3種車外環境溫度工況：0、-10和-20 ℃。車外空氣濕度為40%，空氣壓力為1.013×105Pa，太陽輻射功率為1 000 W/m2。冬季乘員艙內舒適溫度為16～26 ℃，本文將乘員艙目標溫度設為20 ℃，仿真時間為1個WLTC工況。

4.2 AMESim軟件建模

利用電機余熱的整車制熱系統模型如圖2所示。主要包含熱泵模型、乘員艙模型、電機冷卻模型、仿真工況模型和電池冷卻模型。模型中零部件的參數按表1和表2及相關理論計算所得結果進行設置。熱泵系統中壓縮機轉速控制采用的是PID控制，能較好地滿足控制要求。電子膨脹閥采用的是AMESim軟件中的狀態機進行控制，其控制器如圖3所示，圖中Superheat表示冷媒過熱度，V表示狀態機調節步長的大小，D表示調節的方向。本文將過熱度控制為5 ℃，通過監測車外換熱器和板式換熱器中冷媒過熱度來對電子膨脹閥進行調節，當過熱度偏大時，增大電子膨脹閥開度；偏小時減小電子膨脹閥開度。

表2 熱泵空調關鍵零部件參數

圖2 余熱型熱泵空調制熱系統模型示意圖

圖3 電子膨脹閥控制器示意圖

通過仿真得到在WLTC工況下的電機余熱功率，如圖4所示，其均值為1 600 W左右。電機冷卻液與熱泵空調系統通過板式換熱器進行換熱，降低車外換熱器的負荷。同時電機側冷卻液溫度高于電池側冷卻液溫度，通過四通閥將兩個冷卻回路串聯，對電池進行加熱。

4.3 仿真結果分析

余熱型熱泵空調對于乘員艙的制熱效果如圖5所示。從乘員艙溫升圖可以看出，在環境溫度分別為0、-10和-20 ℃，車外空氣濕度為40%，空氣壓力為1.013×105Pa，太陽輻射功率為1 000 W/m2，風速0 m/s的條件下，乘員艙溫度分別經過240、470和760 s達到穩定狀態，且最終穩定溫度分別為20.1、19.7和20.3 ℃，與預設溫度20 ℃誤差均在0.5 ℃以內，滿足乘員艙制熱的性能要求。

圖5 乘員艙溫度變化曲線

圖6為熱泵空調壓縮機轉速變化曲線。由圖6可以看出，壓縮機轉速采用PID控制，當系統啟動時，壓縮機以最大功率運行，當乘員艙溫度升高后，壓縮機轉速降低。乘員艙溫度達到預設溫度后，空調系統主要消耗來源于車輛運行時與外界空氣的對流換熱，由于WLTC工況后期車速較快，車外環境溫度越低，車內外對流換熱越大，為了維持乘員艙的目標溫度會導致壓縮機轉速有一定的升高。當環境溫度降低時，車外換熱器換熱效率降低，壓縮機進氣壓力變小，為了滿足乘員艙制熱需求，壓縮機轉速將會增大。圖7、圖8展示了板式換熱器側膨脹閥b開度及冷媒過熱度。隨著車輛速度的增加，電機冷卻回路所吸收的電機余熱也相應增加，冷媒側與冷卻液側換熱量發生變化，為了使冷媒過熱度控制在5 ℃，此時會調節膨脹閥開度。圖8表明不同環境溫度下過熱度都能較好地控制在5 ℃左右，滿足要求。

圖6 壓縮機轉速變化曲線

圖7 板式換熱器側膨脹閥b開度

圖8 冷媒過熱度變化曲線

圖9展示了空調系統在不同環境溫度下的平均制熱效率COP。從圖中可以看出，隨著車外空氣溫度的降低，系統制熱效率嚴重下降。當環境溫度為0 ℃時，車外換熱器中冷媒吸熱量充足，余熱型熱泵空調的平均制熱效率COP達到3.28；當環境溫度下降至-20 ℃后，車外換熱器換熱量嚴重降低，為了維持乘員艙供暖，需增大壓縮機功率，在利用電機余熱后，該系統COP為1.72。

圖9 COP隨環境溫度的變化曲線

本系統在不同環境溫度下電池加熱溫升變化如圖10所示。由圖可知在1個WLTC工況下，利用電機冷卻液與電池冷卻液串聯加熱電池，電池分別從0、-10和-20 ℃升至25.8、19.3和13.5 ℃。在環境溫度為-20 ℃時，電池溫度升高度數大于0 ℃和-10 ℃是由于電池在低溫下內阻增大導致放電時自身發熱增大，且當電池溫度達到15 ℃后電機余熱不再用于電池加熱，電池溫升放緩。

圖10 電池加熱溫度變化曲線

為了驗證本文設計的余熱型熱泵空調制熱系統對于降低能耗和提高制熱效率的有效性，在環境溫度為-20 ℃，其余條件不變情況下與傳統熱泵空調進行對比。由圖11可以看出，余熱型熱泵空調與傳統熱泵空調達到預設溫度所需時間分別為760和980 s，余熱型熱泵空調能縮短大約22.4%的制熱時間，提高了乘員艙舒適性。圖12、圖13分別為壓縮機吸氣壓力變化曲線和壓縮機功耗變化曲線，相比傳統熱泵空調，利用電機余熱后壓縮機的吸氣壓力因冷媒溫度的升高而增大了35.4%、壓縮機功耗平均減少24.6%。

圖11 乘員艙溫度變化曲線

圖12 壓縮機吸氣壓力變化曲線

圖13 壓縮機功耗變化曲線

圖14和圖15分別為電池溫度變化曲線和電池SOC(state of charge)變化曲線。由圖可知，當電機冷卻回路與電池冷卻回路串聯后，電池溫升遠高于傳統靠電池自發熱帶來的溫升。在電池依靠自身發熱的情況下，1個WLTC工況仿真結束后電池溫度為-1.3 ℃，而采用電機余熱加熱電池，電池溫度能達到13.6℃。由于在低溫條件下鋰電池放電量下降、放電效率降低，加熱后的電池SOC優于未經加熱電池，最終電池SOC分別為89.58%和87.49%。

圖14 電池溫度變化曲線

圖15 電池SOC變化曲線

表3為本系統與傳統熱泵制熱系統的平均制熱性能參數。由表3可知，在環境溫度為-20 ℃時，余熱型熱泵空調制熱系統相比傳統熱泵空調制熱系統的乘員艙制熱效率COP提升了27.4%，電池加熱效果提高了79.7%，整車電能消耗減少了16.7%。

表3 系統平均制熱性能參數

5 結論

設計了一套利用電機余熱的整車制熱系統。通過AMESim軟件進行系統建模與仿真分析，在3種不同的溫度下驗證了該系統更加節能和高效。但本文未考慮更低溫度下該新系統的性能，以及熱量分配的問題，需繼續進行研究。

在環境溫度為-20 ℃，車輛運行1個WLTC工況下，與傳統熱泵空調相比乘員艙制熱時間縮短了22.4%，乘員艙制熱效率提高了27.4%，電池加熱效果提高了79.7%，整車電能消耗減少了16.7%。

利用電機余熱能有效提升低溫下整車的制熱效果，降低制熱能耗，為后續車輛制熱性能提升和控制策略開發提供了一種思路。