電動(dòng)汽車余熱回收熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬小超

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著電動(dòng)汽車熱管理技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)用熱泵空調(diào)逐漸成為冬季車輛制熱的重要節(jié)能措施[1]。熱泵空調(diào)通過吸收空氣中的熱量，減少使用一種正溫度系數(shù)的加熱器（Positive Temperature Coefficient, PTC）加熱，效率則可達(dá)200%左右。但熱泵空調(diào)系統(tǒng)也存在一定的不足。隨著電動(dòng)汽車使用的地域范圍在不斷擴(kuò)大，以北京為例，冬季最低氣溫能達(dá)到-20 ℃。目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要采用與普通空調(diào)相同的R134a冷媒，一般僅能在-10 ℃以上的環(huán)境溫度取得較好的使用效果[2]。拓寬熱泵空調(diào)系統(tǒng)的低溫使用環(huán)境溫度范圍，進(jìn)一步提升熱泵空調(diào)系統(tǒng)的熱效率，已成為行業(yè)的重要命題。

1 具備余熱回收功能的熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱工作原理

熱泵的理論基礎(chǔ)來源于熱力學(xué)逆卡諾循環(huán)，熱泵型空調(diào)系統(tǒng)的制冷和制熱，均采用專用的熱泵空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷或制熱循環(huán)[3]。因本文主要解決熱泵空調(diào)系統(tǒng)低溫使用環(huán)境的制熱效率問題，下文重點(diǎn)闡述熱泵空調(diào)系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)制熱工作原理

熱泵空調(diào)系統(tǒng)低溫制熱工作原理：熱泵空調(diào)壓縮機(jī)將高溫低壓的氣態(tài)冷媒A，壓縮為高溫高壓的液態(tài)冷媒B；通過車內(nèi)換熱器冷凝，與車內(nèi)空氣熱交換，車內(nèi)空氣溫度上升，冷媒溫度下降，成為低溫高壓的液態(tài)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(tài)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(tài)冷媒A，進(jìn)入下一輪制熱循環(huán)。如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)車外熱量交換至車內(nèi)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(jī)熱交換，回收電池、電機(jī)工作時(shí)發(fā)出的余熱，提升低溫條件制熱性能。

2 余熱回收熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及制熱模式分析

2.1 設(shè)計(jì)方案

本文研究的某純電動(dòng)汽車余熱回收熱泵空調(diào)系統(tǒng)，總體上由乘員艙內(nèi)換熱部分、乘員艙外換熱部分、動(dòng)力電池艙和電驅(qū)動(dòng)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(diào)壓縮機(jī)；六個(gè)換熱器，即車外換熱器、余熱回收換熱器、車內(nèi)換熱器、車內(nèi)蒸發(fā)器、動(dòng)力電池?fù)Q熱器、車外散熱器；四個(gè)電磁閥；三個(gè)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(dòng)力電池用電子膨脹閥。具體設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)為液冷系統(tǒng)，工作時(shí)發(fā)出的余熱，可由冷卻液與通過動(dòng)力電池?fù)Q熱器的冷媒充分熱交換，供車內(nèi)制熱使用，從而拓寬熱泵空調(diào)系統(tǒng)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(nèi)換熱器電子膨脹閥的開度，實(shí)現(xiàn)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(dú)回收電機(jī)余熱、余熱回收換熱器同時(shí)回收電機(jī)和電池余熱、余熱回收換熱器和車外換熱器同時(shí)回收空氣余熱。依據(jù)不同的環(huán)境溫度、提供余熱的電池、電機(jī)冷卻液溫度，控制系統(tǒng)自動(dòng)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(dòng)車余熱回收熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 三種余熱回收制熱模式

2.2.1 余熱回收換熱器單獨(dú)回收電機(jī)余熱

回收電機(jī)余熱是提升熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能重要方式，只要存在必要性，就應(yīng)盡量回收利用。余熱回收換熱器單獨(dú)回收電機(jī)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(diào)壓縮機(jī)將冷媒壓縮為高溫高壓的液體，通過電磁閥1（打開），在車內(nèi)換熱器處與車內(nèi)低溫的空氣熱交換，車內(nèi)溫度升高，冷媒成為高壓低溫狀態(tài)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(jī)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(jìn)入熱泵空調(diào)壓縮機(jī)，進(jìn)入下一個(gè)制熱循環(huán)。

冷卻液回路將電機(jī)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(qū)動(dòng)電機(jī)。

2.2.2 余熱回收換熱器同時(shí)回收電機(jī)和電池余熱

當(dāng)動(dòng)力電池包溫度較高時(shí)，電池作為一種熱容量較大的系統(tǒng)，可以為熱泵空調(diào)系統(tǒng)貢獻(xiàn)較多的余熱。同時(shí)回收電機(jī)和電池的余熱，可進(jìn)一步提高熱泵空調(diào)系統(tǒng)的效率和使用環(huán)境溫度范圍。同時(shí)回收電機(jī)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(diào)壓縮機(jī)將冷媒壓縮為高溫高壓的液體，通過電磁閥1（打開），在車內(nèi)換熱器處與車內(nèi)低溫的空氣熱交換，車內(nèi)溫度升高，冷媒成為高壓低溫狀態(tài)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(jī)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(jìn)入熱泵空調(diào)壓縮機(jī)，進(jìn)入下一個(gè)制熱循環(huán)。

冷卻液回路將電機(jī)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(dòng)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(qū)動(dòng)電機(jī)。

圖3 回收電機(jī)余熱進(jìn)行制熱的工作原理

圖4 同時(shí)回收電機(jī)和電池余熱進(jìn)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(shí)回收空氣余熱

當(dāng)環(huán)境溫度較低，而冷卻液回路溫度與空氣溫度相差很小時(shí)，此時(shí)電機(jī)和電池溫度已趨于穩(wěn)定，無余熱供回收，熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱時(shí)主要回收空氣的余熱制熱。為了進(jìn)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(shí)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(shí)回收空氣余熱功能原理圖

具體工作過程為：熱泵空調(diào)壓縮機(jī)將冷媒壓縮為高溫高壓的液體，通過電磁閥1（打開），在車內(nèi)換熱器處與車內(nèi)低溫的空氣熱交換，車內(nèi)溫度升高，冷媒成為高壓低溫狀態(tài)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(jìn)入熱泵空調(diào)壓縮機(jī)，進(jìn)入下一個(gè)制熱循環(huán)。此種模式冷卻液回路不參與制熱。

3 熱泵空調(diào)系統(tǒng)核心控制策略

3.1 電子膨脹閥開度的PID調(diào)節(jié)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(yōu)制熱性能。電子膨脹閥調(diào)節(jié)方式為基于排氣目標(biāo)溫度的比例-積分-微分（Proportion Integral Differential, PID）調(diào)節(jié)，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(shù)據(jù)：在熱泵空調(diào)壓縮機(jī)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(diào)壓縮機(jī)目標(biāo)排氣溫度Tset。

Tset為熱泵空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、熱泵空調(diào)壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)、熱泵空調(diào)壓縮機(jī)排氣狀態(tài)、環(huán)境溫度之間的關(guān)聯(lián)式。即

式中，Tset為熱泵空調(diào)壓縮機(jī)目標(biāo)排氣溫度；Tc為熱泵空調(diào)壓縮機(jī)排氣壓力對應(yīng)的飽和溫度；Te為熱泵空調(diào)壓縮機(jī)吸氣壓力對應(yīng)的飽和溫度；n為熱泵空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；K1為熱泵空調(diào)壓縮機(jī)排氣狀態(tài)系數(shù)；K2為熱泵空調(diào)壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)系數(shù)；K3為熱泵空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速系數(shù)；K4為環(huán)境溫度系數(shù)。K1、K2、K3、K4為常數(shù)。通過試驗(yàn)標(biāo)定得出，K1=0.3；K2=0.5；K3=1.15/100。K4基于環(huán)境溫度-20℃～20℃，0～20線性差值變化。

調(diào)節(jié)系數(shù)為

式中，KP=0.3；Ki=0.05。

式中，△EEV為電子膨脹閥的目標(biāo)調(diào)節(jié)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(shí)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(diào)節(jié)的基礎(chǔ)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(biāo)溫度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)1 min，1 min后熱泵空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、吸排氣壓力將相對穩(wěn)定。

（2）記錄此時(shí)刻的吸氣壓力P1，開始調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)，每10 s增加1%，吸氣壓力P1會(huì)隨開度增大而增大。吸氣壓力P1達(dá)到最大值時(shí)刻的電子膨脹閥開度即為最佳開度。

（3）熱泵空調(diào)壓縮機(jī)再運(yùn)行1 min后，繼續(xù)對車外換熱器電子膨脹閥開度實(shí)施PID調(diào)節(jié)，如此循環(huán)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

（4）車外換熱器和余熱回收換熱器同時(shí)回收空氣余熱模式下，車外換熱器內(nèi)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(qiáng)，無論電子膨脹閥如何調(diào)節(jié)，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(diào)壓縮機(jī)目標(biāo)排氣溫度范圍做限制，防止出現(xiàn)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(jī)余熱、電機(jī)+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(jī)、電池余熱限定條件

（2）車外換熱器和余熱回收換熱器同時(shí)回收空氣余熱

先按PID調(diào)節(jié)方法，調(diào)節(jié)車外換熱器電子膨脹閥，再調(diào)節(jié)余熱回收換熱器電子膨脹閥，如此循環(huán)調(diào)節(jié)。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(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果

在相應(yīng)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(diào)系統(tǒng)的能耗、制熱量，計(jì)算能效比，對比節(jié)能效果如表3所示，節(jié)能效果最高達(dá)42.3%。

表3 熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能對比測試

5 總結(jié)

為了拓寬熱泵空調(diào)系統(tǒng)的低溫使用環(huán)境溫度范圍，進(jìn)一步提升熱泵空調(diào)系統(tǒng)的熱效率，本文基于公司某款純電動(dòng)汽車，提出了一種具備余熱回收功能的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，詳細(xì)分析了工作原理，設(shè)計(jì)了以一個(gè)熱泵空調(diào)壓縮機(jī)，六個(gè)換熱器，四個(gè)電磁閥，三個(gè)電子膨脹閥為主體的系統(tǒng)技術(shù)方案，重點(diǎn)說明了余熱回收換熱器單獨(dú)回收電機(jī)余熱、余熱回收換熱器同時(shí)回收電機(jī)和電池余熱、余熱回收換熱器和車外換熱器同時(shí)回收空氣余熱的三種重要工作模式。針對決定系統(tǒng)節(jié)能效果的核心部件電子膨脹閥，制定了基于排氣目標(biāo)溫度的PID調(diào)節(jié)控制方法，并在此基礎(chǔ)上提出了車外換熱器和余熱回收換熱器同時(shí)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(shí)車在黑河試驗(yàn)場冬季實(shí)地驗(yàn)證了該系統(tǒng)節(jié)能效果，相比當(dāng)前已量產(chǎn)的普通的無余熱回收的熱泵空調(diào)有40%以上的提升。本文提出的余熱回收熱泵空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)方案及其三種工作模式，為當(dāng)前電動(dòng)汽車領(lǐng)域較為創(chuàng)新的空調(diào)技術(shù)方案，可供業(yè)內(nèi)參考。