電動汽車余熱回收熱泵空調系統設計

馬小超

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著電動汽車熱管理技術的進步，應用熱泵空調逐漸成為冬季車輛制熱的重要節能措施[1]。熱泵空調通過吸收空氣中的熱量，減少使用一種正溫度系數的加熱器（Positive Temperature Coefficient, PTC）加熱，效率則可達200%左右。但熱泵空調系統也存在一定的不足。隨著電動汽車使用的地域范圍在不斷擴大，以北京為例，冬季最低氣溫能達到-20 ℃。目前產業化應用的熱泵空調系統主要采用與普通空調相同的R134a冷媒，一般僅能在-10 ℃以上的環境溫度取得較好的使用效果[2]。拓寬熱泵空調系統的低溫使用環境溫度范圍，進一步提升熱泵空調系統的熱效率，已成為行業的重要命題。

1 具備余熱回收功能的熱泵空調系統制熱工作原理

熱泵的理論基礎來源于熱力學逆卡諾循環，熱泵型空調系統的制冷和制熱，均采用專用的熱泵空調壓縮機驅動制冷或制熱循環[3]。因本文主要解決熱泵空調系統低溫使用環境的制熱效率問題，下文重點闡述熱泵空調系統低溫制熱及余熱回收工作原理，如圖1所示。

圖1 余熱回收熱泵空調系統制熱工作原理

熱泵空調系統低溫制熱工作原理：熱泵空調壓縮機將高溫低壓的氣態冷媒A，壓縮為高溫高壓的液態冷媒B；通過車內換熱器冷凝，與車內空氣熱交換，車內空氣溫度上升，冷媒溫度下降，成為低溫高壓的液態冷媒C；再通過單向閥1和電子膨脹閥1，成為低溫低壓的氣態冷媒D；通過車外換熱器，與車外氣體熱交換，車外空氣溫度降低，冷媒溫度升高，成為高溫低壓的氣態冷媒A，進入下一輪制熱循環。如此往復，實現車外熱量交換至車內制熱的效果。在滿足一定條件下，單向閥2、電子膨脹閥2打開，余熱回收換熱器通過冷媒與電池、電機熱交換，回收電池、電機工作時發出的余熱，提升低溫條件制熱性能。

2 余熱回收熱泵空調系統設計方案及制熱模式分析

2.1 設計方案

本文研究的某純電動汽車余熱回收熱泵空調系統，總體上由乘員艙內換熱部分、乘員艙外換熱部分、動力電池艙和電驅動艙換熱部分組成，有冷媒回路和冷卻液回路兩大回路。

主要部件包括：熱泵空調壓縮機；六個換熱器，即車外換熱器、余熱回收換熱器、車內換熱器、車內蒸發器、動力電池換熱器、車外散熱器；四個電磁閥；三個電子膨脹閥，即車外換熱器用電子膨脹閥、余熱換熱器用電子膨脹閥、動力電池用電子膨脹閥。具體設計方案的結構圖如圖2所示。

電池和驅動電機系統為液冷系統，工作時發出的余熱，可由冷卻液與通過動力電池換熱器的冷媒充分熱交換，供車內制熱使用，從而拓寬熱泵空調系統制熱功能的使用溫度范圍，并且通過控制車外換熱器電子膨脹閥和車內換熱器電子膨脹閥的開度，實現余熱回收利用最大化。

2.2 余熱回收制熱模式分析

有三種余熱回收制熱模式，包括余熱回收換熱器單獨回收電機余熱、余熱回收換熱器同時回收電機和電池余熱、余熱回收換熱器和車外換熱器同時回收空氣余熱。依據不同的環境溫度、提供余熱的電池、電機冷卻液溫度，控制系統自動決定具體采用哪種工作模式，如表1所示。其中，電池溫度≤10 ℃，無法提供電池余熱；電池溫度 ≥15 ℃，才可提供電池余熱。

圖2 某電動車余熱回收熱泵空調系統結構

表1 三種余熱回收制熱模式

2.2.1 余熱回收換熱器單獨回收電機余熱

回收電機余熱是提升熱泵空調系統性能重要方式，只要存在必要性，就應盡量回收利用。余熱回收換熱器單獨回收電機余熱模式的熱泵工作原理如圖3所示。

具體工作過程：熱泵空調壓縮機將冷媒壓縮為高溫高壓的液體，通過電磁閥1（打開），在車內換熱器處與車內低溫的空氣熱交換，車內溫度升高，冷媒成為高壓低溫狀態的氣體；接著通過單向閥2，之后通過余熱回收換熱器電子膨脹閥，在余熱回收換熱器處熱交換，充分吸收冷卻液回路輸送來的電機余熱，成為低壓高溫的氣體；接著通過電磁閥3（打開）和氣液分離器，最后進入熱泵空調壓縮機，進入下一個制熱循環。

冷卻液回路將電機余熱輸送到余熱回收換熱器的過程：冷卻液通過電子三通閥的V2-V1端口，接著通過五通閥的3水口和5水口，再通過余熱回收換熱器，最后回到驅動電機。

2.2.2 余熱回收換熱器同時回收電機和電池余熱

當動力電池包溫度較高時，電池作為一種熱容量較大的系統，可以為熱泵空調系統貢獻較多的余熱。同時回收電機和電池的余熱，可進一步提高熱泵空調系統的效率和使用環境溫度范圍。同時回收電機和電池余熱的熱泵工作原理如圖4所示。

具體工作過程：熱泵空調壓縮機將冷媒壓縮為高溫高壓的液體，通過電磁閥1（打開），在車內換熱器處與車內低溫的空氣熱交換，車內溫度升高，冷媒成為高壓低溫狀態的氣體；接著通過單向閥2，之后通過余熱回收換熱器電子膨脹閥，在余熱回收換熱器處熱交換，充分吸收冷卻液回路輸送來的電機和電池的余熱，成為低壓高溫的氣體；接著通過電磁閥3（打開）和氣液分離器，最后進入熱泵空調壓縮機，進入下一個制熱循環。

冷卻液回路將電機和電池余熱輸送到余熱回收換熱器的過程：冷卻液通過電子三通閥的V2-V1端口，接著通過五通閥的3水口和2水口，通過動力電池包，再通過1水口和5水口，通過余熱回收換熱器，最后回到驅動電機。

圖3 回收電機余熱進行制熱的工作原理

圖4 同時回收電機和電池余熱進行制熱的工作原理

2.2.3 余熱回收換熱器和車外換熱器同時回收空氣余熱

當環境溫度較低，而冷卻液回路溫度與空氣溫度相差很小時，此時電機和電池溫度已趨于穩定，無余熱供回收，熱泵空調系統制熱時主要回收空氣的余熱制熱。為了進一步提升該種工況下的能效，一般的車外換熱器和余熱回收換熱器共同回收空氣熱量。車外換熱器和余熱回收換熱器同時回收空氣余熱功能的熱泵工作原理如圖5所 示。

圖5 車外換熱器和余熱回收換熱器同時回收空氣余熱功能原理圖

具體工作過程為：熱泵空調壓縮機將冷媒壓縮為高溫高壓的液體，通過電磁閥1（打開），在車內換熱器處與車內低溫的空氣熱交換，車內溫度升高，冷媒成為高壓低溫狀態的氣體；接著通過單向閥2，之后通過余熱回收換熱器電子膨脹閥和車外換熱器電子膨脹閥，在余熱回收換熱器和車外換熱器處熱交換，充分吸收空氣中的余熱，成為低壓高溫的氣體；接著通過電磁閥3（打開）和氣液分離器，最后進入熱泵空調壓縮機，進入下一個制熱循環。此種模式冷卻液回路不參與制熱。

3 熱泵空調系統核心控制策略

3.1 電子膨脹閥開度的PID調節策略

前述的三種制熱工況，均需控制余熱回收換熱器或車外換熱器電子膨脹閥的開度，從而得到最優制熱性能。電子膨脹閥調節方式為基于排氣目標溫度的比例-積分-微分（Proportion Integral Differential, PID）調節，控制框圖如圖6所示，t為排氣溫度。

圖6 電子膨脹閥開度PID控制框圖

（1）采集排氣壓力、溫度數據：在熱泵空調壓縮機排氣管路出口上布置壓力溫度P&T傳感器，直接采集排氣壓力與溫度。

（2）確定熱泵空調壓縮機目標排氣溫度Tset。

Tset為熱泵空調壓縮機轉速、熱泵空調壓縮機吸氣狀態、熱泵空調壓縮機排氣狀態、環境溫度之間的關聯式。即

式中，Tset為熱泵空調壓縮機目標排氣溫度；Tc為熱泵空調壓縮機排氣壓力對應的飽和溫度；Te為熱泵空調壓縮機吸氣壓力對應的飽和溫度；n為熱泵空調壓縮機轉速；K1為熱泵空調壓縮機排氣狀態系數；K2為熱泵空調壓縮機吸氣狀態系數；K3為熱泵空調壓縮機轉速系數；K4為環境溫度系數。K1、K2、K3、K4為常數。通過試驗標定得出，K1=0.3；K2=0.5；K3=1.15/100。K4基于環境溫度-20℃～20℃，0～20線性差值變化。

調節系數為

式中，KP=0.3；Ki=0.05。

式中，△EEV為電子膨脹閥的目標調節開度。△EEV＞0，開度增加；△EEV＜0，開度減小。

車外換熱器和余熱回收換熱器同時回收空氣余熱制熱的模式，在車外換熱器電子膨脹閥開度PID調節的基礎上，增加對余熱回收換熱器電子膨脹閥開度的控制如下：

（1）先將車外換熱器電子膨脹閥打開，電子膨脹閥開度基于排氣目標溫度進行PID調節。調節1 min，1 min后熱泵空調壓縮機轉速、吸排氣壓力將相對穩定。

（2）記錄此時刻的吸氣壓力P1，開始調節余熱回收換熱器電子膨脹閥開度。余熱回收換熱器電子膨脹閥開度從5%開始調節，每10 s增加1%，吸氣壓力P1會隨開度增大而增大。吸氣壓力P1達到最大值時刻的電子膨脹閥開度即為最佳開度。

（3）熱泵空調壓縮機再運行1 min后，繼續對車外換熱器電子膨脹閥開度實施PID調節，如此循環動態調節。

（4）車外換熱器和余熱回收換熱器同時回收空氣余熱模式下，車外換熱器內的冷媒直接與空氣換熱，比通過余熱回收換熱器換熱的能力強，無論電子膨脹閥如何調節，余熱回收換熱器的電子膨脹開度始終確保控制為小于車外換熱器電子膨脹開度。

3.2 限定條件

為了防止異常情況，如傳感器失效，需對上述電子膨脹閥開度和熱泵空調壓縮機目標排氣溫度范圍做限制，防止出現功能喪失等情況。限定條件如下：

（1）余熱回收換熱器回收余熱（含電機余熱、電機+電池余熱）限定條件如表2所示。

表2 余熱回收換熱器回收電機、電池余熱限定條件

（2）車外換熱器和余熱回收換熱器同時回收空氣余熱

先按PID調節方法，調節車外換熱器電子膨脹閥，再調節余熱回收換熱器電子膨脹閥，如此循環調節。余熱回收換熱器電子膨脹閥開度比車外換熱器至少小2%。

4 熱泵空調系統節能效果

在相應溫度條件下，對比測試無余熱回收和有余熱回收功能的兩種熱泵空調系統的能耗、制熱量，計算能效比，對比節能效果如表3所示，節能效果最高達42.3%。

表3 熱泵空調系統性能對比測試

5 總結

為了拓寬熱泵空調系統的低溫使用環境溫度范圍，進一步提升熱泵空調系統的熱效率，本文基于公司某款純電動汽車，提出了一種具備余熱回收功能的熱泵空調系統，詳細分析了工作原理，設計了以一個熱泵空調壓縮機，六個換熱器，四個電磁閥，三個電子膨脹閥為主體的系統技術方案，重點說明了余熱回收換熱器單獨回收電機余熱、余熱回收換熱器同時回收電機和電池余熱、余熱回收換熱器和車外換熱器同時回收空氣余熱的三種重要工作模式。針對決定系統節能效果的核心部件電子膨脹閥，制定了基于排氣目標溫度的PID調節控制方法，并在此基礎上提出了車外換熱器和余熱回收換熱器同時回收空氣余熱制熱模式下的余熱回收換熱器電子膨脹閥開度的控制方法。最后實車在黑河試驗場冬季實地驗證了該系統節能效果，相比當前已量產的普通的無余熱回收的熱泵空調有40%以上的提升。本文提出的余熱回收熱泵空調系統的技術方案及其三種工作模式，為當前電動汽車領域較為創新的空調技術方案，可供業內參考。