混合動力汽車高速工況下制冷性能影響分析

摘 要：參考《QCT 658-2000汽車空調整車降溫性能試驗方法》國家法規評價標準，運用KULI軟件搭建了混合動力汽車的空調系統冷媒回路仿真模型及電池包冷卻回路仿真模型。通過仿真試驗曲線，混合動力汽車運行車速為100km/h高速穩態工況下，在壓縮機轉速2000～7000rpm區間，隨著轉速升高，吹面出風溫度逐漸降低，而主駕頭部溫度降溫不明顯；壓縮機優先推薦轉速6000rpm，7000rpm作為第二選擇。

關鍵詞：混合動力汽車 空調壓縮機 制冷性能

混合動力汽車的空調系統需要同時滿足汽車的長續航要求、乘員艙內的熱舒適性需求以及動力電池熱安全性要求，因此其空調系統的制冷性能及其匹配受到廣泛關注[1-2]。

國內外目前對于混合動力汽車的空調系統的核心問題主要集中在乘員艙空氣調節性能要求層面[3-4]。但是對于混合動力汽車來說主要停留在發動機冷卻系統部分[5-6]，主要關注點在冷卻性能達標層面，空調系統的研究停留在系統層級[7-8]；沒有進一步深入從整車各系統匹配角度分析制冷性能及其節能潛力[9-10]。因此，對混合動力汽車空調系統的性能匹配以及空調系統節能降耗的潛力進行研究具有重要的現實意義[11]。

1 典型混合動力汽車空調系統建模

某混合動力車型空調系統主要包括乘員艙降溫及電池包冷卻的冷媒回路（圖1）和電池包冷卻液回路（圖2）。在一維數值模擬平臺KULI軟件中對壓縮機、冷凝器、熱力膨脹閥、蒸發器、chiller、電子膨脹閥等零部件子模塊按照混合動力汽車空調系統的工作特性及熱管理架構進行連接，分別搭建乘員艙冷媒回路如圖3所示，搭建電池包冷卻回路如圖4所示，空氣側回路如圖5所示。

仿真工況如表所示1所示。經開展整車環境模擬降溫性能試驗，乘員艙頭部溫度仿真結果與試驗結果誤差小于±0.5℃范圍內，符合工程應用要求。試驗結果如圖6所示。

2 壓縮機有效轉速對汽車高速工況制冷性能影響分析

基于《QCT 658-2000汽車空調整車降溫性能試驗方法》國家標準中的評價要求，為確保電池包工作在最佳工作溫度范圍內，采用主駕頭部溫度、空調箱吹面出風溫度及電池包出水溫度三個參數作為汽車空調系統制冷性能的客觀評價指標監測參數。

混合動力汽車的電子壓縮機常用的轉速范圍為2000rpm～8000rpm。本次仿真工況保持汽車車速為100km/h高速穩態工況，鼓風機風量為450m3/h，冷凝器進風量為0.85kg/s。根據前面所述評價指標，得到主駕頭部溫度、空調箱出風溫度、蒸發器出風溫度的變化曲線如圖7～圖9所示。

圖7中壓縮機轉速為2000rpm時系統高壓壓力過低，使壓縮機易出現液擊；壓縮機轉速7000rpm時在330s空調系統出現不平衡情況，8000rpm和9000rpm時系統無法保持平衡狀態穩定工作。所有轉速下電池包出水溫度在15～45℃最佳工作溫度區間內，滿足電池包制冷需求。

從圖8可以看出，壓縮機轉速在2000～7000rpm中隨著壓縮機轉速升高，蒸發器出風溫度、空調箱出風口溫度與主駕頭部溫度均逐漸降低，制冷性能逐漸增強。8000rpm、9000rpm時由于系統不能穩定工作，導致主駕頭部溫度等參數不符合變化趨勢。

從圖9可以看出，壓縮機轉速在2000～7000rpm范圍內，隨著轉速升高，吹面出風溫度逐漸降低，且每增加1000rpm對降低溫度的貢獻量逐漸減小，因此在滿足制冷需求的情況下應盡量選擇較低的轉速。根據參考溫度13±0.5℃，達到要求的最低轉速范圍為6000 ～7000rpm。

對主駕頭部溫度而言，當壓縮機轉速在6000～7000rpm范圍內均滿足達到25±0.5℃及以下的制冷需求，2000～7000rpm范圍內，隨轉速升高對降溫性能帶來的貢獻量逐漸減小，因此繼續增加轉速對性能提高意義不大，應盡量選擇較小的壓縮機轉速。

綜合以上分析，100km/h時，優先選擇壓縮機轉速6000rpm，第二選擇為7000rpm。

3 結論

通過仿真試驗曲線，混合動力汽車運行車速為100km/h高速穩態工況下：

壓縮機轉速為2000rpm時系統高壓壓力過低，使壓縮機易出現液擊；壓縮機轉速在8000rpm以上系統無法保持平衡狀態穩定工作。

在壓縮機轉速2000～7000rpm區間，隨著轉速升高，吹面出風溫度逐漸降低；主駕頭部溫度降溫不明顯。

汽車在高速工況100km/h時，壓縮機優先推薦轉速6000rpm，7000rpm作為第二選擇。

基金項目：2022年汽車核心軟件研發重大專項“新能源汽車先進動力系統設計與高效集成控制關鍵工具鏈研究”，項目編號：0001KTSJ20230961-01。

參考文獻：

[1] Zhang Z，Wang J，Feng X，et al.The solutions to electric vehicle air conditioning systems：A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2018，91：443-463.

[2]覃峰，黃國強.乘用車的高效空調技術及其效果評估[J].制冷與空調.2018，18（05）：62-68.

[3]黃國強.汽車空調行業與技術發展趨勢解析[J].制冷與空調.2018，18（08）：12-15.

[4]徐青，陳夏，汪衛東，等.基于能耗分析的車廂熱舒適性綜合研究[J].華東交通大學學報，2011，28（06）：80-86.

[5]Weckerle C，Nasri M，Hegner R，et al.A metal hydride air-conditioning system for fuel cell vehicles – Functional demonstration[J].Applied Energy，2020，259：114187.

[6]朱向東，許樹學，馬國遠，等.電動車空調用壓縮機的性能測試[J].制冷與空調，2019，19（02）：90-94.

[7]朱向東，許樹學，馬國遠，等.電動車空調用壓縮機的性能測試[J].制冷與空調，2019，19（02）：90-94.

[8] Zhang Z，Wang J，Feng X，et al.The solutions to electric vehicle air conditioning systems：A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2018，91：443-463.

[9]Li C，Brewer E，Pham L，et al.Reducing Mobile Air Conditioner（MAC）Power Consumption Using Active Cabin-Air-Recirculation in A Plug-In Hybrid Electric Vehicle （PHEV）[J].World Electric Vehicle Journal，2018，9（4）：51.

[10]Pan L，Liu C，Zhang Z，et al.Energy-saving effect of utilizing recirculated air in electric vehicle air conditioning system[J].International Journal of Refrigeration，2019，102：122-129.

[11]Ng K C，Shahzad M W， Burhan M et al.Approaches to Energy Efficiency in Air conditioning：Innovative processes and thermodynamics[J].Energy Procedia，2019，158：1455-1460.