張歡歡

（安徽江淮汽車集團股份有限公司 新能源乘用車公司 新能源汽車研究院，安徽 合肥230601）

一、引言

絕大多數(shù)電動汽車都配置電動空調(diào)系統(tǒng)，在各種氣候環(huán)境條件下，調(diào)節(jié)車內(nèi)的溫度、濕度、空氣清潔度及空氣流動性，以提供舒適的駕駛和乘坐環(huán)境。與傳統(tǒng)燃油汽車不同，電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)主要采用電動空調(diào)壓縮機制冷，PTC電制熱，兩者都是大功率系統(tǒng)，一般1.5kW-3.5kW。電動空調(diào)系統(tǒng)開啟后，整車續(xù)駛里程降低。特別是冬季制熱，PTC能耗較高，影響整車續(xù)駛里程高達30-40%，甚至更多。為解決該矛盾，必須研究適合電動汽車使用的新型高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，目前熱泵空調(diào)系統(tǒng)正逐漸成為可行的解決方案[1]。熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷、制熱效率高，在-l0℃～40℃的環(huán)境溫度下，均能以較高的效率為電動汽車提供舒適的駕乘環(huán)境[2]。

二、熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理

熱泵的理論基礎來源于熱力學逆卡諾循環(huán)，熱泵型空調(diào)系統(tǒng)的制冷和制熱，均采用專用的電動空調(diào)壓縮機驅(qū)動制冷或制熱循環(huán)，其中冬季制熱時除了電動空調(diào)壓縮機驅(qū)動外，一般還輔以一個較小功率的PTC輔助制熱[3]。目前量產(chǎn)的熱泵空調(diào)多以R134a冷媒?作為制冷劑。

熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷原理，如圖1所示。電動空調(diào)壓縮機將高溫低壓的氣態(tài)冷媒A，壓縮為高溫高壓的液態(tài)冷媒B；通過車外換熱器冷凝后，成為低溫高壓的液態(tài)冷媒C；再通過電子膨脹閥，成為低溫低壓的氣態(tài)冷媒D；通過車內(nèi)蒸發(fā)器，與車內(nèi)氣體熱交換，車內(nèi)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，進入下一輪制冷循環(huán)。如此往復，實現(xiàn)車內(nèi)熱量交換至車外，車內(nèi)制冷的效果。

圖1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷工作原理

熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱原理，如圖2所示。電動空調(diào)壓縮機將高溫低壓的氣態(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；再通過電子膨脹閥，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，進入下一輪制冷循環(huán)。如此往復，實現(xiàn)車外熱量交換至車內(nèi)，車內(nèi)制熱的效果。

圖2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱工作原理

此類熱泵空調(diào)系統(tǒng)，制冷過程，車外換熱器起冷凝作用，車內(nèi)蒸發(fā)器起蒸發(fā)作用，車內(nèi)換熱器不參與工作，僅起冷媒通道的作用。制熱過程，車外換熱器起蒸發(fā)作用，車內(nèi)換熱器起冷凝作用，車內(nèi)蒸發(fā)器不參與工作，僅起冷媒通道的作用。

三、某純電動汽車及其熱泵空調(diào)系統(tǒng)的總體設計方案

本文研究的熱泵空調(diào)系統(tǒng)就是上述的三換熱器空調(diào)系統(tǒng)。主要由電動空調(diào)壓縮機、車外換熱器、車內(nèi)換熱器、車內(nèi)蒸發(fā)器、若干電子膨脹閥、節(jié)流短管、氣液分離器、管路、傳感器、輔助PTC等部件組成，三換熱器即為車外換熱器、車內(nèi)換熱器和車內(nèi)蒸發(fā)器的總稱。具體設計方案的結(jié)構(gòu)圖見圖3所示。

圖3 本文研究的某電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的某電動汽車，電池系統(tǒng)為液冷系統(tǒng)，其冷卻液也需空調(diào)給予制冷。該車輛的熱泵空調(diào)系統(tǒng)總體分為車外、車內(nèi)和電池系統(tǒng)三個區(qū)域。主要有車內(nèi)制冷、電池制冷、車內(nèi)制熱三種工作模式。

四、熱泵空調(diào)系統(tǒng)計算

以本公司開發(fā)的某純電動車為例，通過冷、熱負荷估算，車輛在外循環(huán)情況下，極限工況是車內(nèi)和電池同時需求制冷，車內(nèi)制冷量最大需求約4kW，電池制冷量最大需求約6kW?；诔杀竞蜔岜每照{(diào)系統(tǒng)用的電動空調(diào)壓縮機產(chǎn)業(yè)成熟度考慮，選擇了一款成熟的、功率4.5kW，最大制冷量約7kW的電動空調(diào)壓縮機，通過制定合理的電池系統(tǒng)的電子膨脹閥控制策略，實現(xiàn)車內(nèi)制冷和電池制冷需求的協(xié)調(diào)平衡。

車內(nèi)制熱量需求約4.5kW，從成本、性能及部件成熟度角度考慮，選擇了功率3.6kW的輔助PTC，在環(huán)境溫度≤-10℃、熱泵空調(diào)效率較低需PTC單獨制熱的工況，評價后乘員艙舒適性基本滿足需求。

五、熱泵空調(diào)系統(tǒng)模式切換控制策略

本文研究的某純電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)有12種工作模式，模式名稱見表1。

表1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作模式及模式切換控制策略

模式的轉(zhuǎn)換主要是通過控制三個電磁閥的開閉、調(diào)節(jié)電子膨脹閥的開度實現(xiàn)。控制策略遵循以下系統(tǒng)限定條件：

（1）當電動空調(diào)壓縮機處于制冷狀態(tài)時，電動空調(diào)壓縮機排氣溫度不超過120℃，排氣壓力不超過2.2MPa.。

①當管路壓力超過2.2MPa，電動空調(diào)壓縮機最高轉(zhuǎn)速限制為5100rpm；

②電動空調(diào)壓縮機制冷時，轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍1000～7000rpm；

（2）當電動空調(diào)壓縮機處于制熱狀態(tài)時，電動空調(diào)壓縮機排氣溫度不超過120℃：

①電動空調(diào)壓縮機圍繞1.9MPa做PID調(diào)節(jié)；

②電動空調(diào)壓縮機制熱時，轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍0～4500rpm；

③從熱泵制熱轉(zhuǎn)到自然風模式時，先關閉電動空調(diào)壓縮機，電磁閥動作延遲300s后，切換到目標模式狀態(tài)；如果從熱泵制熱轉(zhuǎn)到關閉空調(diào)，電磁閥動作延遲300s，從熱泵制冷狀態(tài)轉(zhuǎn)到其他模式（包括制冷，除濕，熱管理）時，電磁閥延遲50s，冷凝風扇不關閉。

（3）從制冷模式轉(zhuǎn)至其他模式（熱泵制熱或關閉）時，直接切換到相應的模式狀態(tài)。

（4）空調(diào)由制冷狀態(tài)到空調(diào)關閉狀態(tài)或直接下電，電磁閥3關閉，電子膨脹閥開度100%，30s后恢復。如果在30s內(nèi)又到了空調(diào)非關閉狀態(tài)，需要立即恢復。

（5）高壓上電未完成時，PTC，電動空調(diào)壓縮機、風機、冷凝風扇不允許工作。

圖4為電動空調(diào)壓縮機吸氣壓力Ps=0.2MPa.，電動空調(diào)壓縮機吸氣溫度Ts=5～10℃工況時的不同排氣壓力對應允許的電動空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速范圍(與電壓亦有關)，電動空調(diào)壓縮機在多邊形內(nèi)的轉(zhuǎn)速運行。

圖4 不同排氣壓力對應允許的電動空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速范圍

六、熱泵空調(diào)系統(tǒng)舒適性標定

通過采集車內(nèi)溫度、車外溫度、出風口溫度、空調(diào)管內(nèi)冷媒溫度及壓力等多個信息，自動控制電動空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速、電磁閥狀態(tài)、電子膨脹閥開度、鼓風機風量、散熱風扇風量、循環(huán)風門開度等，保證用戶體驗舒適。

通過冬季、夏季、春秋季共180多個工況、70項參數(shù)標定，環(huán)境溫度-10℃時單獨熱泵空調(diào)制熱舒適性比輔助PTC制熱略差，環(huán)境溫度0℃時單獨熱泵空調(diào)制熱舒適性優(yōu)于輔助PTC單獨制熱。制熱速率為5分鐘內(nèi)頭部溫度達到20℃。車內(nèi)溫度跟隨設定溫度差值＜1℃、超調(diào)量2℃以內(nèi)。以上均為較優(yōu)秀的舒適性水平，具體見圖5-圖8。

圖5 環(huán)境溫度8℃時的溫度跟隨性

圖6 熱泵系統(tǒng)制熱工況曲線圖

圖7 車內(nèi)溫度跟隨設定溫度下降曲線圖

圖8 車內(nèi)溫度跟隨設定溫度上升曲線圖

七、熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能性能測試

普通的電動空調(diào)系統(tǒng)，車內(nèi)制熱，主要是通過PTC加熱來實現(xiàn)。本質(zhì)都是直接將電能通過PTC轉(zhuǎn)化為熱能，能效比最大0.92。而本文研究的電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在環(huán)境溫度-10℃以上，總體處于高效區(qū)，可發(fā)揮最大制熱量。基于實車試驗測試驗證，在環(huán)境溫度-5℃的車內(nèi)制熱工況下，熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比PTC，節(jié)能40%以上，熱泵空調(diào)能效比達到1.9。見表2、圖9所示。

圖9 某電動車城郊工況百公里能耗對比

表2 不同環(huán)境溫度車內(nèi)制熱性能及能耗對比表

八、總結(jié)

本文分析了一種三換熱器熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理，基于公司某款純電動汽車，設計了三換熱器熱泵空調(diào)系統(tǒng)。詳細說明了系統(tǒng)性能計算、12種工作模式切換策略、系統(tǒng)舒適性標定及節(jié)能效果。展示了當下基于R134a冷媒可批量產(chǎn)業(yè)化的三換熱器熱泵空調(diào)系統(tǒng)的完整設計方案，供業(yè)內(nèi)參考。