電動汽車空調(diào)制熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究

張海 張宸瑜 郭木生

摘?? 要：針對純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)制熱功耗高且低溫環(huán)境工況下制熱效果差的問題，提出一種通過回收電機(jī)余熱為乘客艙制熱來減少制熱功耗的空調(diào)系統(tǒng). 運(yùn)用AMESim軟件建立了電機(jī)余熱循環(huán)系統(tǒng)模型并通過電機(jī)余熱制熱試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性，建立了熱泵空調(diào)制熱系統(tǒng)模型并通過熱泵空調(diào)制熱試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性，結(jié)合兩個系統(tǒng)建立了帶有電機(jī)余熱回收的熱泵空調(diào)系統(tǒng)仿真模型，分析了電機(jī)余熱制熱性能和電機(jī)余熱輔助熱泵空調(diào)制熱性能. 試驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)余熱單獨(dú)制熱在中等車速、環(huán)境溫度高于10 ℃的工況下能夠滿足制熱需求;電機(jī)余熱輔助熱泵空調(diào)制熱能夠有效提高制熱效率，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min、環(huán)境溫度為-5 ℃的工況下，等效制熱能效比能夠達(dá)到3.4，比同工況下熱泵空調(diào)單獨(dú)制熱模式的能效比提高了約48%. 該系統(tǒng)可以有效提高純電動汽車的能源利用率，改善空調(diào)系統(tǒng)的制熱性能.

關(guān)鍵詞：電動汽車;熱泵系統(tǒng);空調(diào);余熱利用;低溫制熱

中圖分類號：U463.85;U469.72?????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design and Research of Air Conditioning

Heating System for Electric Vehicles

ZHANG Hai，ZHANG Chenyu?，GUO Musheng

（ School of Mechanical and Electrical Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang? 330013，China）

Abstract：To address the problems of high heating power consumption and poor heating effect in a low-temperature environment， an air conditioning system of the electric vehicle is proposed to reduce the heating power consumption by recycling motor waste heat for passenger cabin heating. Th motor waste heat circulation system model is established by AMESim software and the accuracy of the model is verified by the motor waste heat heating experiment. Then， the heat pump air conditioning heating system model is established and the accuracy of the model is checked by the heat pump air conditioning heating experiment. Finally， the simulation model of a heat pump air conditioning system with motor waste heat recovery is established， and the performance of motor waste heat and motor waste heat auxiliary heat pump air conditioning is analyzed. The experimental results show that the motor waste heat alone can meet the heating demand under the working condition of medium vehicle speed and ambient temperature above 10 ℃. The motor waste heat-assisted heat pump air conditioner heating can effectively improve the heating efficiency. And the equivalent heating energy efficiency ratio can reach 3.4 under the working conditions of the motor speed of 3 000 r/min， compressor speed of 4 000 r/min and ambient temperature of -5 ℃. Under the same working condition， the equivalent energy efficiency ratio is 48% higher than the energy efficiency ratio of the heat pump air conditioner alone. This system can effectively improve the energy utilization rate of the electric vehicle and the heating performance of the air conditioning system.

????Key words：electric automobiles;heat pump systems;air conditioning;waste heat utilization;low temperature? heating

在冬季，純電動汽車由于沒有發(fā)動機(jī)提供足夠的制熱熱源，所以需要額外的輔助熱源進(jìn)行制熱[1]. 目前在市場應(yīng)用中普遍使用PTC（Positive Temperature Coefficient heater）加熱器為純電動汽車制熱，但是其制熱能效比（Coefficient of Performance，COP）不可能大于1，只能達(dá)到0.8～0.95[2]，對純電動汽車的續(xù)航里程影響很大. 熱泵空調(diào)比PTC加熱器具有更高的制熱能效比，可以提高純電動汽車的冬季低溫續(xù)航能力，因此，熱泵空調(diào)成為了純電動汽車制熱空調(diào)更好的選擇[3].

許多學(xué)者對純電動汽車熱泵系統(tǒng)性能進(jìn)行了研究[4-6]，但大部分針對單空氣熱源熱泵系統(tǒng)以及混合動力汽車熱泵系統(tǒng)，沒有考慮到其他熱源的利用. 純電動汽車熱泵空調(diào)雖然制熱能效比較高，但還是在消耗動力電池的能量，若能加入電機(jī)余熱輔助制熱，將會有效減少動力電池的能量消耗，提高續(xù)航里程. 李萍等[7]研究了廢熱回收的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，采用兩個分回路吸收電池和電機(jī)產(chǎn)生的廢熱以達(dá)到冬季惡劣條件下的制熱要求. 該系統(tǒng)雖然可以有效改善熱泵空調(diào)的制熱性能，但并未考慮到低溫高濕環(huán)境下車外換熱器的結(jié)霜問題. 熱泵空調(diào)雖然十分適合作為純電動汽車的制熱空調(diào)，但在使用熱泵空調(diào)時還會遇到一些問題. 熱泵空調(diào)的車外換熱器在冬季低溫潮濕環(huán)境下運(yùn)行時發(fā)生結(jié)霜而影響空調(diào)系統(tǒng)制熱性能是使用熱泵空調(diào)系統(tǒng)所需要解決的一個難題. 車外換熱器在低溫潮濕環(huán)境下結(jié)霜后會導(dǎo)致壓縮機(jī)單位功耗增加，降低系統(tǒng)性能，嚴(yán)重時甚至?xí)斐赏C(jī)現(xiàn)象[8-10].為了提高熱泵系統(tǒng)在冬季的工作效率，需要采用帶有車外換熱器除霜功能的熱泵空調(diào)系統(tǒng). 許多學(xué)者對熱氣旁通和逆循環(huán)除霜方案進(jìn)行了研究[11-13]，雖然它們可以迅速有效地實(shí)現(xiàn)除霜功能，但是它們除霜的最終能量來源都是動力電池的額外供能，這將在一定程度上縮減純電動車的續(xù)航里程，如果能夠合理利用純電動汽車的電機(jī)余熱進(jìn)行輔助除霜，將有效提高熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的同時減小對續(xù)航里程的影響.

綜合當(dāng)前研究現(xiàn)狀，本文針對純電動汽車的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，從純電動汽車的電機(jī)余熱出發(fā)，提出一種帶有電機(jī)余熱回收功能的純電動車用熱泵空調(diào)制熱系統(tǒng)，并建立該制熱空調(diào)系統(tǒng)的AMESim仿真模型，通過試驗(yàn)對仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證.

1?? 系統(tǒng)構(gòu)成原理及其功能分析

1.1?? 空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成原理

本文設(shè)計(jì)的帶有電機(jī)余熱功能的制熱空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要分為熱泵空調(diào)的制冷劑循環(huán)部分和電機(jī)余熱的水循環(huán)部分. 對于熱泵空調(diào)制冷劑循環(huán)部分，由于本文主要研究空調(diào)的制熱性能，因此只考慮了制冷劑的制熱循環(huán)，不考慮制冷劑的制冷循環(huán). 熱泵空調(diào)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器和氣液分離器等部件組成，當(dāng)熱泵空調(diào)開啟制熱時，制冷劑被壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的氣態(tài)，之后流經(jīng)冷凝器大部分變成液態(tài)，同時將熱量傳遞到乘客艙內(nèi)實(shí)現(xiàn)制熱，然后制冷劑在膨脹閥中節(jié)流，變成了低溫低壓的液態(tài)，在經(jīng)過室外蒸發(fā)器時蒸發(fā)成為氣態(tài)同時吸收車室外空氣的熱量，最后其中少部分未蒸發(fā)的液態(tài)制冷劑留在了氣液分離器中，大部分氣態(tài)制冷劑流回壓縮機(jī)中進(jìn)行下一個制熱循環(huán). 電機(jī)余熱水循環(huán)部分如圖1粗箭頭所示，主要由電機(jī)、水泵、水壺、水PTC、三通水閥、暖風(fēng)芯體和散熱器等部件構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)乘客艙制熱、電機(jī)散熱和蒸發(fā)器除霜等功能.

1.2?? 空調(diào)系統(tǒng)功能分析

本文設(shè)計(jì)的帶有電機(jī)余熱功能的制熱空調(diào)系統(tǒng)主要有3種制熱工作模式，分別為電機(jī)余熱單獨(dú)制熱、電機(jī)余熱輔助熱泵空調(diào)制熱和電機(jī)余熱輔助PTC制熱. 除了3種制熱工作模式外，還有電機(jī)散熱和車外蒸發(fā)器除霜兩種獨(dú)立控制的功能.

電機(jī)余熱單獨(dú)制熱工作模式下，熱泵空調(diào)不運(yùn)行，電機(jī)冷卻水按圖2所示水循環(huán)流動. 在電機(jī)余熱單獨(dú)制熱時，水PTC不開啟，水泵推動電機(jī)冷卻液流經(jīng)暖風(fēng)芯體，將電機(jī)余熱傳遞至乘客艙內(nèi)，實(shí)現(xiàn)乘客艙的制熱;同時，三通水閥可以在電機(jī)溫度過高時控制冷卻水循環(huán)流經(jīng)車室外散熱器將多余的熱量散發(fā)，保證電機(jī)溫度不會過高. 該模式和傳統(tǒng)燃油汽車制熱原理一樣，動力電池不需要額外耗能，制熱的同時不會影響續(xù)航里程，但是該模式的缺點(diǎn)也很明顯，在車外環(huán)境溫度較低，車內(nèi)制熱需求量較大時，無法滿足乘客艙制熱要求.

?????電機(jī)余熱輔助熱泵空調(diào)制熱工作模式下，熱泵空調(diào)制冷劑循環(huán)和電機(jī)冷卻水循環(huán)同時運(yùn)行，如圖1所示. 熱泵空調(diào)通過冷凝器給乘客艙制熱，同時電機(jī)余熱通過暖風(fēng)芯體給乘客艙制熱，而水PTC和三通水閥控制的散熱器回路會在車室外蒸發(fā)器需要除霜時開啟，通過風(fēng)扇將散熱器的熱量傳到蒸發(fā)器上進(jìn)行融霜，解決熱泵空調(diào)在冬季低溫潮濕環(huán)境下因車外蒸發(fā)器結(jié)霜而影響制熱性能的難題. 該模式在電機(jī)余熱單獨(dú)制熱性能不足時開啟，以電機(jī)余熱輔助制熱能效比較高的熱泵空調(diào)給乘客艙制熱，同時利用了電機(jī)余熱配合水PTC給車室外蒸發(fā)器進(jìn)行除霜，在確保制熱性能的前提下提高了能源利用率.

在電機(jī)余熱輔助PTC制熱工作模式下，熱泵空調(diào)不運(yùn)行，水PTC開啟，三通水閥控制關(guān)閉冷卻水的散熱器流向，冷卻水循環(huán)如圖3所示. 此時水循環(huán)有電機(jī)余熱和水PTC制熱兩個熱源，可以在電機(jī)余熱單獨(dú)制熱性能不足和熱泵空調(diào)超低溫環(huán)境下無法制熱時通過暖風(fēng)芯體給乘客艙制熱. 該模式雖然回收利用了電機(jī)余熱進(jìn)行制熱，但主要還是利用PTC加熱器制熱，和現(xiàn)在市場中純電動汽車普遍使用的制熱方式一樣，耗能較高，一般只在極端惡劣工況下使用.

2?? 子系統(tǒng)模型的建立及其試驗(yàn)驗(yàn)證

由于根據(jù)該制熱系統(tǒng)搭建完整的試驗(yàn)平臺成本較大，所以本文將系統(tǒng)模型分為電機(jī)余熱循環(huán)系統(tǒng)和熱泵空調(diào)制熱系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)，利用AMESim軟件分別建立子系統(tǒng)的模型，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)對子系統(tǒng)模型進(jìn)行驗(yàn)證，最后根據(jù)驗(yàn)證后的子模型建立完整的系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析.

2.1?? 電機(jī)余熱循環(huán)系統(tǒng)模型

純電動汽車中的余熱主要集中在動力電池和電機(jī)上，而動力電池在冬季不僅需要散熱還需要加熱，所以動力電池余熱的利用比較復(fù)雜，因此本文只對電機(jī)余熱進(jìn)行設(shè)計(jì)分析.

2.1.1?? 電機(jī)余熱模型建立

針對電機(jī)的產(chǎn)熱模型，忽略其機(jī)械損耗和其他附件產(chǎn)熱，只計(jì)算電機(jī)的產(chǎn)熱功率，可以表示為：

P = Rs（I2

sd + I2

sq）????? （1）

式中：P為電機(jī)產(chǎn)熱功率，單位W;Rs為繞組隨溫度變化的電阻值，單位Ω;Isd和Isq為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下（dq坐標(biāo)系）的繞組電流，單位A.

Rs會隨著溫度變化進(jìn)行修正，其計(jì)算可表示為：

Rs = RS0（1 + αRS（T - T0））?????? （2）

式中：RS0為電樞電阻，單位Ω;αRS為溫度修正系數(shù);T為實(shí)際溫度，單位℃;T0為參考溫度，一般為25 ℃.

電機(jī)產(chǎn)生的熱量與電機(jī)冷卻液發(fā)生熱對流，由冷卻液帶走，之后由散熱器或者暖風(fēng)芯體把熱量傳遞出去，如此反復(fù)循環(huán). 對流換熱公式為：

? = AhΔT???? （3）

式中：?為電機(jī)冷卻液帶走的熱量，單位W;A為接觸面積，單位m2;h為傳熱系數(shù)，單位W/（m2·K）;ΔT為平均溫差，單位K.

利用AMESim軟件建立一個不帶控制部分的電機(jī)余熱循環(huán)系統(tǒng)模型，如圖4所示.

2.1.2?? 電機(jī)余熱模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建立的電機(jī)模型的熱仿真性能是否符合實(shí)際電機(jī)系統(tǒng)的熱循環(huán)規(guī)律，借助江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司的試驗(yàn)設(shè)備對電機(jī)余熱進(jìn)行試驗(yàn)測試，試驗(yàn)在環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，如圖5所示.

試驗(yàn)中的電機(jī)余熱循環(huán)系統(tǒng)各部件安裝在整車上，整車放置在環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室中，電機(jī)冷卻回路只通過暖風(fēng)芯體給乘客艙制熱，不經(jīng)過散熱器等其他回路，試驗(yàn)中通過溫度傳感器測量乘客艙出風(fēng)口溫度，空調(diào)開啟吹臉模式. 溫度傳感器分別布置在主駕左側(cè)出風(fēng)口、主駕右側(cè)出風(fēng)口、副駕左側(cè)出風(fēng)口和副駕右側(cè)出風(fēng)口共4個位置. 將溫度傳感器的平均值作為乘客艙出風(fēng)口溫度，所有溫度傳感器采樣間隔為1 min. 試驗(yàn)一共進(jìn)行了6次，實(shí)驗(yàn)室中的環(huán)境溫度分別設(shè)置在5 ℃、10 ℃和15 ℃，試驗(yàn)時電機(jī)轉(zhuǎn)速分別控制在6 000 r/min和8 000 r/min，每次試驗(yàn)前先通過浸車使汽車乘客艙溫度達(dá)到試驗(yàn)工況溫度，再進(jìn)行試驗(yàn).

試驗(yàn)中電機(jī)由實(shí)驗(yàn)室外的控制設(shè)備控制，模擬不同環(huán)境溫度和不同電機(jī)轉(zhuǎn)速工況下電機(jī)余熱的制熱情況. 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比分別如圖6和圖7所示.

從圖6和圖7可以看出，環(huán)境溫度越高、電機(jī)轉(zhuǎn)速越大，電機(jī)余熱制熱下乘客艙能夠達(dá)到的溫度就越高，并且不同轉(zhuǎn)速和不同環(huán)境溫度電機(jī)余熱循環(huán)制熱下乘客艙溫度變化的仿真曲線與試驗(yàn)曲線變化趨勢相符，溫度變化誤差在3 ℃之內(nèi).

2.2?? 熱泵空調(diào)制熱系統(tǒng)模型

2.2.1?? 熱泵空調(diào)制熱模型建立

壓縮機(jī)模型采用直流電機(jī)驅(qū)動定排量壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)速設(shè)置為手動輸入變量. 壓縮機(jī)的質(zhì)量流量為：

qm =??????? （4）

式中：qm為質(zhì)量流量，單位kg/s;ηv為容積效率;ρs為吸入制冷劑密度，單位kg/m3;n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min;Vdisp為壓縮機(jī)排量，單位cm3.

壓縮機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為：

T =????????? （5）

式中：hinc為壓縮機(jī)質(zhì)量焓，單位J/kg;ηm為機(jī)械效率;T為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩，單位N·m.

熱泵空調(diào)的換熱器模型包括蒸發(fā)器模型和冷凝器模型. 蒸發(fā)器采用微通道平行流換熱器，冷凝器采用U形管板翅式換熱器，雖然它們采用了不同的結(jié)構(gòu)形式，但是它們的換熱原理是一樣的，因此建模時統(tǒng)一稱為換熱器模型. 在換熱器中制冷劑與換熱器壁面之間的對流換熱量為：

?1 = h1 A1（Tre - Twall）??????? （6）

式中：h1為傳熱系數(shù)，單位W/（m2·K）;A1為換熱面積，單位m2;Tre為制冷劑溫度;Twall為壁面溫度，單位K. 其中傳熱系數(shù)h1的計(jì)算公式為：

????h1 =????????? （7）

式中：λ為制冷劑導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/（m·K）;Nu為努賽爾數(shù);dh為制冷劑側(cè)水力直徑，單位m.

空氣側(cè)與換熱器壁面之間的對流換熱量為：

?2 = h2 A2（Ta - Twall）??????? （8）

式中：h2為傳熱系數(shù)，單位W/（m2·K）;A2為換熱面積，單位m2;Ta為制冷劑溫度;Twall為壁面溫度，單位K. 其中傳熱系數(shù)h2的計(jì)算公式為：

h2 =????????? （9）

式中：λa為濕空氣導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/（m·K）;dha為空氣側(cè)水力直徑，單位m.

利用AMESim軟件建立的熱泵空調(diào)制熱系統(tǒng)模型，如圖8所示.

2.2.2?? 熱泵空調(diào)制熱模型試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)中的熱泵空調(diào)等部件安裝在整車上，整車放置在汽車空調(diào)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室中. 由于乘客艙空間較大，溫度分布不均，所以分別在主駕左側(cè)呼吸點(diǎn)、主駕右側(cè)呼吸點(diǎn)、主駕左膝部、主駕右膝部、主駕左腳面、主駕右腳面和其他3個座位的相應(yīng)部位一共24個位置布置溫度傳感器，將這24個溫度傳感器的平均值作為車內(nèi)溫度，所有溫度傳感器采樣頻率均為1 s. 試驗(yàn)環(huán)境溫度0 ℃，空調(diào)開啟外循環(huán)，控制壓縮機(jī)以固定轉(zhuǎn)速3 000 r/min運(yùn)行，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比如圖9所示.

從圖9可以看出，在0 ℃的環(huán)境溫度下，熱泵空調(diào)制熱下乘客艙溫度變化的仿真曲線與試驗(yàn)曲線變化趨勢相符，溫度變化誤差在2 ℃之內(nèi).

3?? 系統(tǒng)性能仿真分析

將兩個子系統(tǒng)相結(jié)合，利用AMESim軟件建立帶有電機(jī)余熱循環(huán)的空調(diào)系統(tǒng)仿真模型，如圖10所示.

3.1?? 電機(jī)余熱制熱性能仿真

將仿真環(huán)境溫度分別設(shè)置為15 ℃、10 ℃、5 ℃、0 ℃和-10 ℃，電機(jī)冷卻液、制冷劑以及各部件初始溫度設(shè)置與環(huán)境溫度相同，其他固定參數(shù)設(shè)置如表1所示. 在這5個不同的環(huán)境溫度工況下設(shè)置不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速，且壓縮轉(zhuǎn)速都設(shè)置為0，對電機(jī)余熱制熱性能進(jìn)行仿真分析.

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，仿真運(yùn)行30 min得到的駕駛艙溫度變化如圖11所示. 從圖11中可以看出，當(dāng)電機(jī)以1 000 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，電機(jī)余熱制熱模式下乘客艙的溫度升高不大，基本在5 ℃左右，即使在環(huán)境溫度為15 ℃時，駕駛艙溫度穩(wěn)定后也無法達(dá)到20 ℃，難以滿足制熱需求.

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時，仿真運(yùn)行30 min得到的駕駛艙溫度變化如圖12所示. 從圖12中可以看出，當(dāng)電機(jī)以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，電機(jī)余熱制熱模式下乘客艙的溫度能升高10 ℃左右，在環(huán)境溫度為15 ℃時，駕駛艙溫度穩(wěn)定后能達(dá)到25 ℃以上，基本能夠滿足乘客艙的制熱需求;但是在環(huán)境溫度為5 ℃以下時，駕駛艙溫度穩(wěn)定后無法達(dá)到20 ℃，不能滿足制熱需求.

??當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時，仿真運(yùn)行30 min得到的駕駛艙溫度變化如圖13所示. 從圖13中可以看出，當(dāng)電機(jī)以6 000 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，電機(jī)余熱制熱模式下乘客艙的溫度能升高15 ℃以上，在環(huán)境溫度為15 ℃時，駕駛艙溫度穩(wěn)定后能達(dá)到32 ℃以上，完全能夠滿足乘客艙的制熱需求;但是在環(huán)境溫度為0 ℃以下時，駕駛艙溫度穩(wěn)定后無法達(dá)到20 ℃，無法滿足制熱需求.

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)電機(jī)以較低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，電機(jī)余熱無法滿足乘客艙的制熱需求;當(dāng)電機(jī)以中等轉(zhuǎn)速運(yùn)行，環(huán)境溫度在10 ℃以上時，電機(jī)余熱可以滿足乘客艙的制熱需求;當(dāng)電機(jī)以較高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，環(huán)境溫度在5 ℃以上時，電機(jī)余熱可以滿足乘客艙的制熱需求.

3.2?? 電機(jī)余熱輔助熱泵空調(diào)制熱性能仿真

?????從電機(jī)余熱單獨(dú)制熱仿真結(jié)果可以看出，在環(huán)境溫度較低的工況下單獨(dú)的電機(jī)余熱制熱無法滿足乘客艙的制熱需求，需要額外開啟熱泵空調(diào)進(jìn)行制熱.

因?yàn)閱为?dú)的電機(jī)余熱在5 ℃以下無法滿足制熱需求，而單級壓縮機(jī)的熱泵空調(diào)在-5 ℃以下制熱效果衰減嚴(yán)重，在-10 ℃時基本無法正常工作[14]，需要開啟PTC制熱，所以將仿真模型中的環(huán)境溫度設(shè)置為-5 ℃，電機(jī)冷卻液、制冷劑以及各部件初始溫度設(shè)置為與環(huán)境溫度相同. 因?yàn)槌跏紲囟群铜h(huán)境溫度較低，故壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為4 000 r/min不變，分別對電機(jī)轉(zhuǎn)速為0和3 000 r/min兩種工況進(jìn)行仿真，研究熱泵單獨(dú)制熱與電機(jī)余熱輔助熱泵空調(diào)制熱的性能差異.

在環(huán)境溫度為-5 ℃以下時，熱泵空調(diào)單獨(dú)制熱和電機(jī)余熱輔助熱泵空調(diào)制熱的乘客艙溫度變化如圖14所示. 從圖14中可以看出，在該工況下熱泵空調(diào)單獨(dú)制熱能力不足，乘客艙溫度穩(wěn)定后只能達(dá)到15 ℃左右，無法滿足乘客艙的制熱需求;而電機(jī)余熱輔助熱泵空調(diào)制熱的模式下，乘客艙溫度能穩(wěn)定在25 ℃以上，具有足夠的制熱能力.

在環(huán)境溫度為-5 ℃以下時，熱泵空調(diào)單獨(dú)制熱和電機(jī)余熱輔助熱泵空調(diào)制熱的制熱能效比對比如圖15所示. 其中電機(jī)余熱輔助熱泵空調(diào)制熱模式對應(yīng)的曲線為等效制熱能效比，此處用ηcop來表示等效制熱能效比. 其計(jì)算公式為：

ηcop =???????????????? （10）

式中：W1為電機(jī)余熱制熱量，單位J;W2為熱泵空調(diào)制熱量，單位J;P為壓縮機(jī)功耗，單位J.

從圖15中可以看出，在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，環(huán)境溫度為-5 ℃的工況下，熱泵空調(diào)單獨(dú)制熱模式的制熱能效比最高只能達(dá)到2.3左右，而電機(jī)余熱輔助熱泵空調(diào)制熱模式的等效制熱能效比ηcop最高能達(dá)到3.4以上，比同工況下熱泵空調(diào)單獨(dú)制熱模式的能效比提高了約48%，能夠有效減少動力電池能量的消耗. 由于仿真中制冷劑和各部件殼體設(shè)置的初始溫度與環(huán)境溫度一致，所以仿真開始后空調(diào)制熱的能量會被吸收，造成制熱量較小，形成制熱能效比逐漸增大的情況.

4?? 總?? 結(jié)

本文為了進(jìn)一步提高純電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱性能，減少電機(jī)熱量直接散失到環(huán)境中造成的能量浪費(fèi)，設(shè)計(jì)了一種帶有余熱回收功能的純電動車用熱泵空調(diào)制熱系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真分析. 仿真結(jié)果表明：電機(jī)余熱單獨(dú)制熱模式能夠在中等車速環(huán)境溫度高于10 ℃的工況下滿足制熱需求;電機(jī)余熱輔助熱泵空調(diào)制熱模式在電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min、環(huán)境溫度為-5 ℃的工況下，等效制熱能效比能夠達(dá)到3.4，比同工況下熱泵空調(diào)單獨(dú)制熱模式的能效比提高了約48%，能夠有效增加熱泵空調(diào)在較低環(huán)境溫度工況下的制熱能力.

參考文獻(xiàn)

[1]??? 劉健豪，吳兵兵，張歡歡，等. 電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2016，15（4）：7—10.

LIU J H，WU B B，ZHANG H H，et al.? Design and application of heat pump air conditioning system in electric vehicle[J]. Journal of Anhui Vocational College of Electronics & Information Technology，2016，15（4）：7—10. （In Chinese）

[2]??? SHIN Y，AHN S，KIM S. Performance characteristics of PTC elements for an electric vehicle heating system[J]. Energies，2016，9（10）：813.

[3]??? 何賢，胡靜，錢程，等. 純電動汽車兩種熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷學(xué)報，2018，39（3）：79—84.

HE X，HU J，QIAN C，et al. Experimental study on two kinds of heat-pump air-conditioning system used in pure electric vehicle[J]. Journal of Refrigeration，2018，39（3）：79—84. （In Chinese）

[4]??? 侯曉康. 電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱性能和控制策略研究[D]. 重慶：重慶郵電大學(xué)，2020：31—35.

HOU X K. Research on heating performance and control strategy of electric vehicle heat pump air conditioning system[D]. Chongqing：Chongqing University of Posts and Telecommunications，2020：31—35. （In Chinese）

[5]??? 曲德虎，倪龍，姚楊. 改善三套管蓄能型熱泵系統(tǒng)供熱性能的實(shí)驗(yàn)[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，42（7）：121—127.

QU D H，NI L，YAO Y. Experiments on improvements in space heating performance of the triple-sleeve energy exchanger based energy storage heat pump[J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2015，42（7）：121—127. （In Chinese）

[6]??? 周光輝，李海軍，李旭閣，等. 純電動汽車超低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究[J]. 制冷與空調(diào)，2016，16（7）：73—77.

ZHOU G H，LI H J，LI X G，et al. Experimental study on heat pump air conditioning system for pure electric vehicle at ultra low temperature[J]. Refrigeration and Air-Conditioning，2016，16（7）：73—77. （In Chinese）

[7]??? 李萍，谷波，繆夢華. 廢熱回收型純電動汽車熱泵系統(tǒng)試驗(yàn)研究[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報，2019，53（4）：468—472.

LI P，GU B，MIAO M H. Experimental research on waste-heat recovery heat pump system in electric vehicles[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University，2019，53（4）：468—472. （In Chinese）

[8]??? 林洪良，南金瑞，喬名星，等. 電動汽車熱泵空調(diào)復(fù)合除霜特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷學(xué)報，2017，38（1）：29—33.

LIN H L，NAN J R，QIAO M X，et al. Experimental study of the characteristic of composite defrosting for heat pump air conditioner of electric vehicle[J]. Journal of Refrigeration，2017，38（1）：29—33. （In Chinese）

[9]??? 李延賀，臧潤清. 空氣源熱泵除霜方法的研究與發(fā)展[J]. 低溫與超導(dǎo)，2018，46（9）：82—86.

LI Y H，ZANG R Q. Research and development on defrosting method of air source heat pump[J]. Cryogenics & Superconductivity，2018，46（9）：82—86. （In Chinese）

[10]? 包佳倩，蘇林，劉明康，等. 電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)室外換熱器結(jié)霜特性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷學(xué)報，2020，41（3）：58—64.

BAO J Q，SU L，LIU M K，et al. Experimental study on outdoor heat exchanger frosting characteristics of a heat pump air-conditioning system for electric vehicles[J]. Journal of Refrigeration，2020，41（3）：58—64. （In Chinese）

[11]? 馮瑞峰，孫俊彪，霍兵，等. 空氣源熱泵除霜技術(shù)進(jìn)展與區(qū)域化應(yīng)用綜述[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（33）：13509—13519.

FENG R F，SUN J B，HUO B，et al. Summary of the air source heat pump defrosting technology and regional application[J]. Science Technology and Engineering，2020，20（33）：13509—13519. （In Chinese）

[12]? HUANG D，LI Q X，YUAN X L. Comparison between hot-gas bypass defrosting and reverse-cycle defrosting methods on an air-to-water heat pump[J]. Applied Energy，2009，86（9）：1697—1703.

[13]? 武衛(wèi)東，吳佳瑋，余強(qiáng)元. 電動汽車熱泵型空調(diào)除霜實(shí)驗(yàn)研究[J]. 汽車工程，2018，40（3）：369—374.

WU W D，WU J W，YU Q Y. An experimental study on defrosting of heat pump air conditioner in battery electric vehicles[J]. Automotive Engineering，2018，40（3）：369—374. （In Chinese）

[14]? 鄭思宇，魏名山，宋盼盼. 電動汽車熱泵空調(diào)發(fā)展概述[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2018，32（8）：14—23.

ZHENG S Y，WEI M S，SONG P P. Review of heat pump air conditioning system in electric vehicles[J]. Journal of Chongqing University of Technology （Natural Science），2018，32（8）：14—23. （In Chinese）

收稿日期：2021-04-01

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51865009），National Natural Science Foundation of China（51865009）;江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20192BAB206022），Natural Science Foundation of Jiangxi Province（20192BAB206022）

作者簡介：張海（1978—），男，江西吉安人，華東交通大學(xué)副教授，博士

通信聯(lián)系人，E-mail：511032261@qq.com