電動汽車CO2熱泵系統(tǒng)采暖實驗研究及模擬分析

武悅*1，鄭銘鑄，楊堅1，彭栩駿

（1-上汽大眾汽車有限公司，上海 201805；2-上海翼銳汽車科技有限公司，上海 201805）

0 引言

純電動汽車的推廣對汽車空調(diào)系統(tǒng)的舒適性與能效性提出了更大的挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)汽車相比，由于純電動汽車沒有發(fā)動機，其采暖必須消耗電池的電量，采暖效率直接影響電動車續(xù)航里程，如何提高冬季空調(diào)制熱能效是亟需解決的重要問題[1]。

目前，電動車的制熱大多采用正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient，PTC）加熱器或者熱泵方案，也有PTC與熱泵同時使用的系統(tǒng)[2]。PTC加熱方式直接將電能轉(zhuǎn)化成熱能，能效利用率較低，理論上性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）最大值為1；而熱泵空調(diào)則在能效比上具有更大的優(yōu)勢[3-5]。若采用 R134a或 R1234yf作為熱泵的制冷劑，系統(tǒng)在低溫工況下（-5℃以下）整體性能將大幅衰減，不僅 COP下降，甚至可能影響乘客艙的舒適性[6]。CO2作為一種自然工質(zhì)，無毒無害，無可燃性，成本低廉[7]，已被廣泛應用于熱水器和超市制冷等領域[8-13]。CO2既符合新環(huán)保指標的規(guī)定，也滿足低溫制熱工況的要求[14]，國內(nèi)外眾多學者已對其作了大量理論與實驗研究[15]，對CO2在汽車空調(diào)上的應用提供了有力支持。

為了研究CO2熱泵系統(tǒng)在汽車空調(diào)領域應用的可行性，本文利用Dymola軟件對采暖性能進行了仿真計算和預測，驗證了仿真結果的準確性。在電動車上換裝CO2熱泵系統(tǒng)，進行冬季低溫環(huán)境采暖實驗，評價采暖性能和對電動車續(xù)航里程的影響。

1 CO2熱泵系統(tǒng)采暖性能理論研究

CO2的熱物理性質(zhì)與氟利昂制冷劑差別較大。圖1所示為CO2與R134a溫熵圖對比。R134a制冷劑在冷凝過程時利用相變潛熱放熱，相變階段溫度保持不變。CO2在放熱過程中處于超臨界狀態(tài)，沒有相變潛熱區(qū)，溫度出現(xiàn)大幅滑移。這一溫度滑移的存在有利于換熱的充分進行，提高了CO2熱泵的換熱效率[15]。

圖1 R134a與CO2的T-s圖

CO2制熱的另一大優(yōu)勢為低溫下的能量密度較大。圖2所示為R134a和CO2在不同蒸發(fā)溫度下的密度率的對比。假設兩者過熱度相同，以蒸發(fā)溫度為5℃時兩種制冷劑的密度為基準，設密度率為1.0，標準化得到不同蒸發(fā)溫度下兩種介質(zhì)各自的密度率。由圖2可知，隨著蒸發(fā)溫度降低，CO2與R134a的密度率差值增大。當蒸發(fā)溫度為-25℃時，CO2的密度率約比R134a高24%。制冷劑質(zhì)量流量和系統(tǒng)換熱量均隨著壓縮機進口密度的提高而增加。-20℃時，CO2的潛熱焓差比R134a高33%，氣體比熱容比 R134a高 50%，即單位質(zhì)量的 CO2比R134a有更大的吸熱量。因此低溫工況下，與R134a熱泵相比，CO2熱泵的采暖能力更強[15]。

圖2 R134a與CO2的密度率的對比

為了研究CO2熱泵系統(tǒng)在實車上的采暖性能，將一輛電動車從R134a制冷結合PTC制熱的空調(diào)系統(tǒng)，改造成了CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)。圖3所示為該CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理。通過電子閥的通斷改變制冷劑流向，實現(xiàn)夏季制冷、冬季采暖與除濕三大功能。

圖3 CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理

圖4所示為CO2熱泵系統(tǒng)采暖模式溫焓圖。圖4中，1-2為壓縮機壓縮過程，設制冷劑質(zhì)量流量為m，各點制冷劑焓值分別為h1、h2、h3和h4，則壓縮機對制冷劑做功：

2-3為制冷劑在換熱器內(nèi)放熱的過程，則制冷劑側的制熱功率：

系統(tǒng)循環(huán)COPcycle以及實際COP分別為：

式中，Welec為壓縮機實際消耗的電功率，kW。

圖4 CO2熱泵系統(tǒng)采暖模式T-h圖

一般情況下h1大于h3，故CO2熱泵系統(tǒng)的COP大于1。由于PTC加熱方式的最大效率為1，因此CO2熱泵系統(tǒng)的COP通常大于PTC系統(tǒng)。后續(xù)將利用搭載CO2熱泵的電動車與PTC采暖電動車的能耗對比，驗證CO2熱泵對電動車續(xù)航的提升。

2 CO2熱泵系統(tǒng)仿真計算分析與驗證

采用Dymola軟件[16]對該CO2熱泵系統(tǒng)進行了一維系統(tǒng)仿真分析，以預測其制熱性能。該軟件可滿足多領域物理系統(tǒng)的建模與仿真工作，并可以進行二次開發(fā)。

以Dymola的熱力學庫為基礎，建立CO2熱泵系統(tǒng)模型。包括壓縮機、室內(nèi)換熱器、室外換熱器、電子膨脹閥、氣液分離器、管路等部件。通過輸入各部件幾何數(shù)據(jù)、壓縮機流量、換熱器進風溫度、換熱器進風量和電子膨脹閥流通面積等參數(shù)，對CO2熱泵系統(tǒng)工況進行一維仿真計算。

系統(tǒng)中使用的換熱器是平行流微通道換熱器，Dymola采用一維有限元方法將其劃分為多個離散網(wǎng)格，結合幾何數(shù)據(jù)進行性能計算。室外換熱器中制冷劑側傳熱系數(shù)采用Gnielinski-Dittus-Boelter關聯(lián)式[17]，室內(nèi)換熱器中制冷劑側傳熱系數(shù)采用KIND等[18]關聯(lián)式，制冷劑壓降系數(shù)采用SWAMEE等[19]關聯(lián)式，空氣側傳熱系數(shù)采用 WANG等[20]的實驗關聯(lián)式。

在不同室外溫度工況下，定義進風模式為外循環(huán)，即空調(diào)箱與室外換熱器的進風溫度均為環(huán)境溫度，對CO2熱泵系統(tǒng)進行模擬計算。設空調(diào)箱內(nèi)風量為220 kg/h，室外換熱器風量為1.8 kg/s，通過調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速與電磁閥開度參數(shù)設置，使出風溫度達到50℃左右。仿真結果如表1所示。

表1 CO2熱泵系統(tǒng)性能仿真結果

由表1可知，在低溫環(huán)境（-20～-10℃）下，CO2熱泵系統(tǒng)有能力制熱，并提供達到 50℃的熱風，可滿足大部分地區(qū)的冬季車內(nèi)的制熱需求。CO2系統(tǒng)制熱COP始終大于2，證明CO2熱泵系統(tǒng)可以有效節(jié)約冬季空調(diào)能耗，有助于增加電動車冬季續(xù)航里程。

通過實驗方法驗證仿真的準確性。將一輛純電動車的空調(diào)系統(tǒng)改裝為CO2熱泵系統(tǒng)，所用各部件的幾何數(shù)據(jù)和性能參數(shù)與Dymola模型設置一致。在車輛空調(diào)腳部出風口布點測量出風溫度，測試儀表符合《QC/T 657—2000汽車空調(diào)制冷裝置試驗方法》[21]的規(guī)定。在環(huán)模室不同室外溫度條件下，進行車輛采暖實驗，進風模式為外循環(huán)，壓縮機轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開度、換熱器風量等參數(shù)設定與之前Dymola仿真計算的參數(shù)設置一致，待出風溫度穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，并計算得到制熱量和COP。仿真與實驗結果的對比如表2所示。

表2 CO2熱泵系統(tǒng)性能仿真與實驗結果對比

由表2知，出風溫度與制熱量的仿真與實驗誤差值在5%之內(nèi)，可見仿真結果可以較精確地預測CO2熱泵系統(tǒng)采暖性能。誤差可能源于仿真模型誤差，也可能來自仿真系統(tǒng)輸入?yún)?shù)與實車實際數(shù)據(jù)的偏差。COP的仿真結果誤差較大，在5%～10%范圍內(nèi)，說明仿真所使用的壓縮機模型誤差較大，后續(xù)應繼續(xù)改進和優(yōu)化。

因此利用Dymola仿真可以較為準確地預測熱泵系統(tǒng)的制熱能力，驗證了仿真的可靠性。在后續(xù)工作中，可以通過仿真手段輔助實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化，以加快開發(fā)工作。

隨著環(huán)境溫度的升高，CO2熱泵系統(tǒng)的COP從1.98提高至3.01，預計隨著室外溫度繼續(xù)升高這一效率還可進一步提高，可見冬季CO2熱泵的采暖效率較高，對電動車續(xù)航里程提高有積極作用。

3 CO2熱泵系統(tǒng)采暖性能實驗研究

3.1 實驗裝置與測試條件

前述裝有CO2熱泵系統(tǒng)的純電動車，在黑龍江省黑河地區(qū)進行冬季道路實驗，驗證CO2熱泵系統(tǒng)在實際低溫環(huán)境下的動態(tài)采暖性能，并與 PTC采暖電動車和傳統(tǒng)燃油車進行采暖性能及續(xù)航里程對比。

所選用的3輛實驗車分別為CO2熱泵系統(tǒng)電動車、PTC采暖電動車和傳統(tǒng)燃油車，3輛車的車身空間大小相同。實驗前首先檢查車輛狀態(tài)，隨后進行布點和數(shù)采裝置連接調(diào)試。在每輛實驗車的空調(diào)出風口與座椅頭部位置分別布置OMEGA的K型熱電偶（測量精度±0.1℃），用于空氣溫度采集。每個測量位點布置兩個熱電偶，取兩者平均值為所測位點溫度值。注意避免熱電偶頭部與風道壁面或座椅相接觸，否則會影響測量準確性。溫度數(shù)據(jù)采集儀器和軟件選用imc Device和imc FAMOS，采樣頻率為100 Hz，測試儀表符合QC/T 657—2000[21]的規(guī)定。由于冬季采暖工況下，汽車空調(diào)主要通過腳部出風口出風，因此利用腳部出風口出風溫度平均值與頭部溫度平均值來評價汽車空調(diào)的采暖性能與乘客舒適性。

當環(huán)境溫度約為-20℃時，進行車輛采暖性能對比實驗。實驗條件是先將車輛于-20℃環(huán)境中室外無光照放置10 h，實驗時開啟數(shù)采裝置，啟動車輛，空調(diào)系統(tǒng)調(diào)至外循環(huán)和最大制熱模式。實驗車首先保持時速50 km/h行駛30 min，然后停車怠速15 min。每輛車內(nèi)乘員數(shù)相等，實驗中全程持續(xù)采集出風口和頭部各測點空氣溫度值。當環(huán)境溫度為-5℃時，進行CO2熱泵車與PTC車的采暖性能對比實驗。其他實驗條件與前述實驗條件相同。

為定量比較CO2熱泵和PTC對電動車續(xù)航里程的影響，在室外溫度-5℃下對CO2熱泵電動車與PTC采暖電動車進行了續(xù)航里程對比路試。實驗開始前兩車均處于滿電狀態(tài)，在-5℃室外無光照條件下放置10 h，實驗時，同時啟動車輛，開啟測量設備，兩車一起以50 km/h的速度經(jīng)由相同路線行駛，車內(nèi)乘客數(shù)一致，PTC車空調(diào)設定為自動模式（車內(nèi)目標溫度設為22℃），通過調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速與電子膨脹閥開度，控制CO2熱泵性能，保持兩車單位時間制熱量相等（風量與出風溫度均相等），對比其續(xù)航里程。電動車在續(xù)航里程剩余50 km左右時會進入 ECO（Ecology，Conservation，Optimization）模式，此時空調(diào)系統(tǒng)將犧牲一部分舒適性，通過降低空調(diào)能耗來提高續(xù)航里程。兩車均保持勻速行駛直至電池耗盡，記錄車輛進入 ECO模式時的總行駛里程和電量耗盡時的總行駛里程，進行對比。作為參考，在室外溫度-20℃下也測試并記錄了 CO2熱泵系統(tǒng)車的續(xù)航里程數(shù)據(jù)。

3.2 實驗結果分析

在室外溫度-20℃下進行采暖對比實驗，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到3輛車空調(diào)腳部出風溫度與頭部溫度隨時間的變化，如圖5所示。

實驗開始 30 min后，傳統(tǒng)車、CO2熱泵車和PTC車的腳部出風溫度分別為51.9、42.2和32.0℃，頭部溫度分別為23.5、17.3和15.1℃；45 min后，三者腳部出風溫度分別為42.9、43.0和35.3℃，頭部溫度分別為22.8、23.9和19.2℃。對比可見CO2熱泵的制熱能力明顯強于PTC制熱，并且在考慮怠速的情況下與燃油車的制熱能力相當。

傳統(tǒng)車怠速時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降，發(fā)動機冷卻水提供的熱量減少，導致采暖性能下降。由圖6可知，出風溫度和頭部溫度在30 min后均有明顯降低。無論是CO2熱泵系統(tǒng)還是PTC系統(tǒng)的電動車，采暖性能都不受車速的影響，因此怠速時溫度曲線走勢無變化。對比實驗數(shù)據(jù)，可知各車的最大采暖性能從高到低依次為燃油車、CO2熱泵車、PTC車。一般行車考慮到乘客艙的舒適性，空調(diào)控制面板并不會設定在最大制熱模式，而是通過自動控制（Auto）模式將車內(nèi)溫度控制在一個乘客感覺最為舒適的范圍內(nèi)。在低溫工況-20℃下，CO2熱泵系統(tǒng)的制熱性能可以滿足乘客艙的舒適性需求。

圖6所示為在室外溫度-5℃下，CO2熱泵與PTC系統(tǒng)采暖性能的對比。在實驗開始45 min后，CO2熱泵車和PTC車的腳部出風溫度分別為69.6℃和54.8℃，頭部溫度分別為41.4℃和33.2℃。因此在室外溫度-5℃下，CO2熱泵系統(tǒng)采暖能力仍顯著優(yōu)于PTC系統(tǒng)。

圖5 3輛車空調(diào)腳部出風溫度與頭部溫度隨時間的變化

圖7所示為CO2熱泵系統(tǒng)與PTC系統(tǒng)電動車的續(xù)航里程對比實驗結果。在室外溫度為-5℃下，兩車分別在行駛157 km和127 km后進入ECO模式，在行駛198 km和175 km后電量耗盡?？梢奀O2熱泵系統(tǒng)為車輛在正常模式下增加了 23.6%行駛里程，約30 km，全程共增加續(xù)航里程23 km。由于在ECO模式下制熱量下降，而熱泵系統(tǒng)的COP大于PTC系統(tǒng)，因此節(jié)約的能源相比正常模式會減少?？紤]到乘員艙舒適性要求，評價車輛正常模式下的續(xù)航里程更具有實際意義。

圖6 外溫-5℃下CO2熱泵與PTC系統(tǒng)采暖性能的對比

圖7 CO2熱泵與PTC系統(tǒng)電動車續(xù)航里程的對比

在低溫工況-20℃下，CO2熱泵系統(tǒng)車在行駛137 km后進入ECO模式，177 km后電量耗盡，此時其續(xù)航能力仍然優(yōu)于-5℃室外溫度下的 PTC電動車。對照實驗證明了相比PTC系統(tǒng)，CO2熱泵更為節(jié)能，在冬季低溫工況下可顯著增加電動車續(xù)航里程。

4 結論

本文通過Dymola軟件仿真模擬，對CO2熱泵系統(tǒng)的采暖性能進行了預測，并利用低溫環(huán)境下的實車采暖實驗結果驗證了仿真計算的準確性。將CO2熱泵電動車與PTC電動車和傳統(tǒng)燃油車進行冬季路試對比，研究CO2熱泵的低溫制熱能力與其對電動車續(xù)航里程的影響，得到如下結論：

1）利用 Dymola軟件搭建了 CO2熱泵系統(tǒng)模型，計算和預測熱泵系統(tǒng)的制熱性能，并與實驗結果進行對比，仿真得到的制熱量和出風溫度誤差不大于5%；

2）在電動車上測試了 CO2熱泵系統(tǒng)的制熱性能，并與傳統(tǒng)車和PTC制熱電動車進行了對比。在-20℃下進行采暖實驗，45 min后CO2車的腳部出風溫度和頭部溫度分別比PTC制熱電動車高7.7℃和4.7℃，比傳統(tǒng)車高0.1℃和1.1℃，CO2車采暖性能優(yōu)于PTC車，并與傳統(tǒng)車考慮怠速的綜合采暖性能相近；

3）在實車上研究了 CO2熱泵系統(tǒng)對車輛續(xù)航里程的影響，通過與 PTC車的對比測試，得到在-5℃環(huán)境下以正常模式行駛時，CO2熱泵電動車相比PTC電動車可增加23.6%續(xù)航里程，約30 km。