采用余熱型熱泵的整車制熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

胡遠(yuǎn)志，黃 馳

(重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054)

0 引言

隨著國家政策的推動(dòng)和新能源汽車市場(chǎng)的大力發(fā)展，我國的電動(dòng)汽車銷售量逐年上漲，消費(fèi)者進(jìn)行購買時(shí)考慮最多的問題便是電動(dòng)車的續(xù)航問題[1]。在影響電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程的眾多因素中，空調(diào)系統(tǒng)占了較大比重。通?？照{(diào)系統(tǒng)的能耗占輔助系統(tǒng)能耗的三分之二，一旦開啟，將會(huì)對(duì)續(xù)航產(chǎn)生非常大的影響，甚至在冬季能縮短30%左右的行駛里程[2]。由于電動(dòng)車和燃油車的驅(qū)動(dòng)形式不同，燃油車可將發(fā)動(dòng)機(jī)熱量供給乘員艙，而大部分電動(dòng)車采用的是PTC(positive temperature coefficient)熱敏電阻電加熱器，其耗電量較大，且制熱效率COP(coefficient of performance)小于1，開啟后將嚴(yán)重降低電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程[3]。為了解決電動(dòng)車冬季制熱耗能大的問題，眾多學(xué)者將車載熱泵空調(diào)作為研究的重點(diǎn)方向[4-5]。

熱泵空調(diào)相較于普通空調(diào)的差異在于通過一個(gè)四通閥調(diào)節(jié)冷媒的流向，從而達(dá)到制冷模式與制熱模式的切換，文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一套四通閥雙換熱器熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在制冷、制熱方面均有良好表現(xiàn)。為了滿足冬季車窗玻璃除霜除霧的要求，文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一套三換熱器熱泵空調(diào)，車內(nèi)既有冷凝器，也有蒸發(fā)器，冷空氣經(jīng)蒸發(fā)器除濕后再經(jīng)過冷凝器加熱，從而達(dá)到除霜除霧的效果。當(dāng)熱泵空調(diào)能滿足基本的需求后，學(xué)者們?yōu)榱嗽鰪?qiáng)其性能，從壓縮機(jī)、換熱器和膨脹閥開展了研究。文獻(xiàn)[8]研究表明較高的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和大的車外換熱器進(jìn)風(fēng)量能有效地提高熱泵性能，但較高的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)能耗的增加。文獻(xiàn)[9]研究表明通過增大或減小膨脹閥開度能有效調(diào)節(jié)換熱器中冷媒的過冷度，從而調(diào)節(jié)車內(nèi)出風(fēng)口風(fēng)溫。文獻(xiàn)[10]研究表明在環(huán)境溫度過低時(shí)，熱泵空調(diào)由于車外換熱器結(jié)霜從而導(dǎo)致?lián)Q熱量減少，系統(tǒng)制熱量減少和制熱效率降低。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了一款可回收耗電設(shè)備熱量的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并在低溫下測(cè)試了其性能，結(jié)果表明當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，其制熱效率仍能達(dá)到3?？傮w來說，熱泵空調(diào)在冬季制熱性能較差，提高其冬季的制熱效率具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

車載鋰電池作為電動(dòng)車的唯一能量來源，它對(duì)車輛的性能起著非常大的影響。低溫狀態(tài)下，鋰電池活性降低、放電量減少，從而導(dǎo)致車輛性能下降，甚至溫度過低時(shí)無法啟動(dòng)。因此，眾多學(xué)者對(duì)鋰電池的低溫加熱展開了研究[12-13]。目前，車載鋰電池的主要加熱方法有電加熱膜加熱和PTC加熱，但其耗能較大，經(jīng)濟(jì)性較低[14]。

為了解決純電動(dòng)汽車在低溫下熱泵空調(diào)制熱能力差和鋰電池加熱能耗較大的問題，本文設(shè)計(jì)了一套利用電機(jī)余熱增強(qiáng)乘員艙制熱性能同時(shí)加熱電池的制熱系統(tǒng)。通過對(duì)設(shè)計(jì)的余熱型熱泵空調(diào)制熱系統(tǒng)和傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)新設(shè)計(jì)的余熱型熱泵空調(diào)制熱系統(tǒng)在制熱能力和能耗方面都具有良好的表現(xiàn)。

1 余熱型熱泵空調(diào)制熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，純電動(dòng)車使用的電機(jī)大多為永磁同步電機(jī)，其功率密度高，動(dòng)態(tài)性能好，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠。在車輛運(yùn)行時(shí)電機(jī)會(huì)因一些損耗而產(chǎn)生大量的熱，這些多余的熱量可以通過板式換熱器與冷媒換熱，在較低溫度下減緩車外換熱器負(fù)荷，增大制熱效率；由于乙二醇溶液可做為電機(jī)冷卻液和電池冷卻液，通過串聯(lián)兩個(gè)系統(tǒng)可以在低溫下利用余熱對(duì)電池進(jìn)行加熱。本文設(shè)計(jì)的余熱型熱泵空調(diào)制熱系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.壓縮機(jī)；2.車內(nèi)換熱器；3、6.三通閥；4、9.電子膨脹閥a、b；5.車外換熱器；7.儲(chǔ)液瓶；10.板式換熱器；11、15.冷卻水泵；12.電機(jī)；13.四通換向閥；14.電池包

余熱型熱泵空調(diào)制熱系統(tǒng)的工作原理如下：冷媒經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱臍鈶B(tài)工質(zhì)，通過車內(nèi)冷凝器與空氣進(jìn)行換熱，加熱即將進(jìn)入車內(nèi)的空氣。冷媒通過車內(nèi)冷凝器后變?yōu)橹袦馗邏旱倪^冷液態(tài)，然后由三通閥分為兩路，一路經(jīng)電子膨脹閥a后變?yōu)榈蜏氐蛪旱撵F狀，并在車外換熱器內(nèi)吸收外部環(huán)境熱量，變成低溫低壓的過熱氣態(tài)。當(dāng)電機(jī)冷卻液吸收電機(jī)熱量后溫度高于外部環(huán)境溫度時(shí)，打開電磁閥，冷媒通過膨脹閥b后在板式換熱器中與電機(jī)冷卻液進(jìn)行換熱從而變?yōu)檫^熱氣態(tài)，再通過三通閥進(jìn)行匯合。當(dāng)電機(jī)冷卻液溫度高于電池時(shí)，通過四通閥將電池冷卻回路與電機(jī)冷卻回路串聯(lián)，從而對(duì)電池進(jìn)行加熱。當(dāng)電池升至15℃時(shí)控制四通閥將電機(jī)冷卻回路與電池冷卻回路斷開。

2 乘員艙熱負(fù)荷模型

在低溫下為滿足舒適性要求需要向車內(nèi)補(bǔ)充熱量，這時(shí)向車內(nèi)補(bǔ)充的熱量稱之為乘員艙制熱時(shí)的熱負(fù)荷。通過探究影響乘員艙溫度的主要因素，建立簡(jiǎn)化的乘員艙熱負(fù)荷模型[15]。

乘員艙熱負(fù)荷為：

Q=Qb+Qs+Ql+Qp+Qd

(1)

式中：Q為整車熱負(fù)荷；Qb為車身熱負(fù)荷；Qs為太陽輻射的熱量；Ql為冷空氣滲透的熱負(fù)荷；Qp為乘員散熱量；Qd為除霜除霧耗熱量。

2.1 車身熱負(fù)荷

車身主要是由車頂、車玻璃、車側(cè)面和車底面組合而成的。由于車內(nèi)車外存在溫差，車外冷空氣會(huì)與車身進(jìn)行對(duì)流換熱，即車身熱負(fù)荷的計(jì)算公式為：

Qb=∑KiSiΔt

(2)

式中:Ki為車身各部分傳熱系數(shù)，因材質(zhì)不同故傳熱系數(shù)不同；Si為車身各部分的傳熱面積；Δt為車內(nèi)車外的溫度差，因其為低溫環(huán)境下的制熱模式，故Δt=tin-tout。

2.2 太陽輻射熱量

太陽主要是通過照射在玻璃上透過玻璃進(jìn)行輻射傳熱以及照射在車頂上通過車頂與車內(nèi)流動(dòng)的空氣進(jìn)行換熱。其傳熱公式[16]為：

(3)

式中：η為玻璃的輻射透入系數(shù)；ρg為玻璃的輻射吸收系數(shù)；αin為車頂內(nèi)表面與車內(nèi)空氣的對(duì)流換熱系數(shù)；αout為車身表面與車外空氣的對(duì)流換熱系數(shù)；J為太陽的輻射強(qiáng)度；C為玻璃遮陽的修正系數(shù)；Sg為玻璃的面積。

2.3 冷空氣滲透的熱負(fù)荷

冷空氣帶來的熱負(fù)荷主要是由供風(fēng)系統(tǒng)中的新風(fēng)和車身縫隙處所帶來的。其公式為：

Ql=0.28NGlρcΔt

(4)

式中：N為車內(nèi)人員數(shù)；Gl為新風(fēng)風(fēng)量與車身縫隙處泄露風(fēng)量之和；ρ為當(dāng)前環(huán)境溫度下空氣密度；c為當(dāng)前環(huán)境溫度下空氣比熱；Δt為車內(nèi)車外的溫度差。

2.4 乘員散熱量

乘員散熱量主要由經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行計(jì)算,其公式如下:

Qp=116Nn*

(5)

式中：116為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；N為車內(nèi)人員數(shù)；n*為群集系數(shù)，一般取0.9。

2.5 除霜除霧熱負(fù)荷

在環(huán)境溫度較低時(shí)車內(nèi)溫度高于車外溫度，車窗上會(huì)形成霜和霧，阻礙行車視線，為了保障安全需用空調(diào)進(jìn)行除霜除霧處理，其熱負(fù)荷公式為：

Qd=0.28GdρcΔt

(6)

式中:Gd為除霜除霧時(shí)空調(diào)系統(tǒng)所需提供的風(fēng)量；ρ為當(dāng)前環(huán)境溫度下空氣密度；c為當(dāng)前環(huán)境溫度下空氣比熱；Δt為車內(nèi)車外的溫度差。

3 電機(jī)和電池生熱模型

3.1 電機(jī)生熱特性

電機(jī)生熱主要是由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的損耗產(chǎn)生的，這些損耗主要包括繞組損耗、鐵芯損耗、機(jī)械損耗。

繞組損耗又被叫做銅損耗，其計(jì)算公式如下：

Pcu=mI2R

(7)

式中:m為永磁電機(jī)的相數(shù)；I為電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流；R為繞組的電阻。

鐵芯損耗主要是由3部分組成，分別為磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗，可采用Berttotti提出的理論模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(8)

式中，kh、ke和kc分別為磁滯損耗系數(shù)、渦流損耗系數(shù)和異常損耗系數(shù)；f為電磁場(chǎng)變化的頻率；Bm為磁場(chǎng)密度幅值；a為常系數(shù)。

機(jī)械損耗主要是由電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)子軸承的摩擦和內(nèi)部風(fēng)磨造成的損耗，計(jì)算公式如下：

PZ=kmGRn·10-3

(9)

(10)

式中：PZ和PF分別為摩擦損耗功率和風(fēng)磨損耗功率；km為摩擦因數(shù)；GR、DR和lR分別為電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量、直徑和長度；n為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

永磁電機(jī)產(chǎn)生的熱量最主要的來源是繞組損耗和鐵芯損耗。

3.2 電池生熱特性

車載電池一般都為鋰離子電池，鋰離子電池在充放電時(shí)會(huì)發(fā)生一個(gè)可逆的化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)式如下：

(11)

在鋰離子電池發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，會(huì)伴隨著一定熱量的產(chǎn)生，其生熱主要是由反應(yīng)熱qr、副反應(yīng)熱qs、焦耳熱qj和極化熱qp組成，但副反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量相對(duì)較少，通常忽略不計(jì)，所以鋰電池生熱公式如下：

(12)

式中：Tli為車輛行駛中鋰電池的溫度；ΔS為熵值變化量；IB為車輛行駛過程中電池放電的電流；Rj為電池的歐姆內(nèi)阻；Rp為電池的極化內(nèi)阻。

在鋰電池生熱計(jì)算中通常采用的是Bernadi所提出的生熱理論模型，其公式如下：

(13)

4 AMESim建模與仿真分析

本文通過AMESim2020軟件進(jìn)行整車制熱系統(tǒng)建模與仿真分析。仿真中車輛參數(shù)及熱泵空調(diào)關(guān)鍵零部件參數(shù)如表1、2所示。

表1 車輛仿真參數(shù)

4.1 仿真工況建模

為了獲得更加精確的仿真結(jié)果，本文采用的是世界輕型汽車測(cè)試循環(huán)工況(world light vehicle test cycle)，簡(jiǎn)稱WLTC。WLTC工況相比NEDC工況擁有了更多急加速、急減速的測(cè)試路段，且考慮了車內(nèi)負(fù)載的影響，對(duì)實(shí)際因素的考慮更加嚴(yán)格，純電動(dòng)車采用WLTC工況測(cè)試也更為準(zhǔn)確。

為了使仿真能夠覆蓋更多的工況，本文設(shè)置了3種車外環(huán)境溫度工況：0、-10和-20 ℃。車外空氣濕度為40%，空氣壓力為1.013×105Pa，太陽輻射功率為1 000 W/m2。冬季乘員艙內(nèi)舒適溫度為16～26 ℃，本文將乘員艙目標(biāo)溫度設(shè)為20 ℃，仿真時(shí)間為1個(gè)WLTC工況。

4.2 AMESim軟件建模

利用電機(jī)余熱的整車制熱系統(tǒng)模型如圖2所示。主要包含熱泵模型、乘員艙模型、電機(jī)冷卻模型、仿真工況模型和電池冷卻模型。模型中零部件的參數(shù)按表1和表2及相關(guān)理論計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行設(shè)置。熱泵系統(tǒng)中壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制采用的是PID控制，能較好地滿足控制要求。電子膨脹閥采用的是AMESim軟件中的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行控制，其控制器如圖3所示，圖中Superheat表示冷媒過熱度，V表示狀態(tài)機(jī)調(diào)節(jié)步長的大小，D表示調(diào)節(jié)的方向。本文將過熱度控制為5 ℃，通過監(jiān)測(cè)車外換熱器和板式換熱器中冷媒過熱度來對(duì)電子膨脹閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)過熱度偏大時(shí)，增大電子膨脹閥開度；偏小時(shí)減小電子膨脹閥開度。

表2 熱泵空調(diào)關(guān)鍵零部件參數(shù)

圖2 余熱型熱泵空調(diào)制熱系統(tǒng)模型示意圖

圖3 電子膨脹閥控制器示意圖

通過仿真得到在WLTC工況下的電機(jī)余熱功率，如圖4所示，其均值為1 600 W左右。電機(jī)冷卻液與熱泵空調(diào)系統(tǒng)通過板式換熱器進(jìn)行換熱，降低車外換熱器的負(fù)荷。同時(shí)電機(jī)側(cè)冷卻液溫度高于電池側(cè)冷卻液溫度，通過四通閥將兩個(gè)冷卻回路串聯(lián)，對(duì)電池進(jìn)行加熱。

4.3 仿真結(jié)果分析

余熱型熱泵空調(diào)對(duì)于乘員艙的制熱效果如圖5所示。從乘員艙溫升圖可以看出，在環(huán)境溫度分別為0、-10和-20 ℃，車外空氣濕度為40%，空氣壓力為1.013×105Pa，太陽輻射功率為1 000 W/m2，風(fēng)速0 m/s的條件下，乘員艙溫度分別經(jīng)過240、470和760 s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且最終穩(wěn)定溫度分別為20.1、19.7和20.3 ℃，與預(yù)設(shè)溫度20 ℃誤差均在0.5 ℃以內(nèi)，滿足乘員艙制熱的性能要求。

圖5 乘員艙溫度變化曲線

圖6為熱泵空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線。由圖6可以看出，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速采用PID控制，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，壓縮機(jī)以最大功率運(yùn)行，當(dāng)乘員艙溫度升高后，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低。乘員艙溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，空調(diào)系統(tǒng)主要消耗來源于車輛運(yùn)行時(shí)與外界空氣的對(duì)流換熱，由于WLTC工況后期車速較快，車外環(huán)境溫度越低，車內(nèi)外對(duì)流換熱越大，為了維持乘員艙的目標(biāo)溫度會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速有一定的升高。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，車外換熱器換熱效率降低，壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力變小，為了滿足乘員艙制熱需求，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速將會(huì)增大。圖7、圖8展示了板式換熱器側(cè)膨脹閥b開度及冷媒過熱度。隨著車輛速度的增加，電機(jī)冷卻回路所吸收的電機(jī)余熱也相應(yīng)增加，冷媒側(cè)與冷卻液側(cè)換熱量發(fā)生變化，為了使冷媒過熱度控制在5 ℃，此時(shí)會(huì)調(diào)節(jié)膨脹閥開度。圖8表明不同環(huán)境溫度下過熱度都能較好地控制在5 ℃左右，滿足要求。

圖6 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖7 板式換熱器側(cè)膨脹閥b開度

圖8 冷媒過熱度變化曲線

圖9展示了空調(diào)系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下的平均制熱效率COP。從圖中可以看出，隨著車外空氣溫度的降低，系統(tǒng)制熱效率嚴(yán)重下降。當(dāng)環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，車外換熱器中冷媒吸熱量充足，余熱型熱泵空調(diào)的平均制熱效率COP達(dá)到3.28；當(dāng)環(huán)境溫度下降至-20 ℃后，車外換熱器換熱量嚴(yán)重降低，為了維持乘員艙供暖，需增大壓縮機(jī)功率，在利用電機(jī)余熱后，該系統(tǒng)COP為1.72。

圖9 COP隨環(huán)境溫度的變化曲線

本系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下電池加熱溫升變化如圖10所示。由圖可知在1個(gè)WLTC工況下，利用電機(jī)冷卻液與電池冷卻液串聯(lián)加熱電池，電池分別從0、-10和-20 ℃升至25.8、19.3和13.5 ℃。在環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)，電池溫度升高度數(shù)大于0 ℃和-10 ℃是由于電池在低溫下內(nèi)阻增大導(dǎo)致放電時(shí)自身發(fā)熱增大，且當(dāng)電池溫度達(dá)到15 ℃后電機(jī)余熱不再用于電池加熱，電池溫升放緩。

圖10 電池加熱溫度變化曲線

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的余熱型熱泵空調(diào)制熱系統(tǒng)對(duì)于降低能耗和提高制熱效率的有效性，在環(huán)境溫度為-20 ℃，其余條件不變情況下與傳統(tǒng)熱泵空調(diào)進(jìn)行對(duì)比。由圖11可以看出，余熱型熱泵空調(diào)與傳統(tǒng)熱泵空調(diào)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度所需時(shí)間分別為760和980 s，余熱型熱泵空調(diào)能縮短大約22.4%的制熱時(shí)間，提高了乘員艙舒適性。圖12、圖13分別為壓縮機(jī)吸氣壓力變化曲線和壓縮機(jī)功耗變化曲線，相比傳統(tǒng)熱泵空調(diào)，利用電機(jī)余熱后壓縮機(jī)的吸氣壓力因冷媒溫度的升高而增大了35.4%、壓縮機(jī)功耗平均減少24.6%。

圖11 乘員艙溫度變化曲線

圖12 壓縮機(jī)吸氣壓力變化曲線

圖13 壓縮機(jī)功耗變化曲線

圖14和圖15分別為電池溫度變化曲線和電池SOC(state of charge)變化曲線。由圖可知，當(dāng)電機(jī)冷卻回路與電池冷卻回路串聯(lián)后，電池溫升遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)靠電池自發(fā)熱帶來的溫升。在電池依靠自身發(fā)熱的情況下，1個(gè)WLTC工況仿真結(jié)束后電池溫度為-1.3 ℃，而采用電機(jī)余熱加熱電池，電池溫度能達(dá)到13.6℃。由于在低溫條件下鋰電池放電量下降、放電效率降低，加熱后的電池SOC優(yōu)于未經(jīng)加熱電池，最終電池SOC分別為89.58%和87.49%。

圖14 電池溫度變化曲線

圖15 電池SOC變化曲線

表3為本系統(tǒng)與傳統(tǒng)熱泵制熱系統(tǒng)的平均制熱性能參數(shù)。由表3可知，在環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)，余熱型熱泵空調(diào)制熱系統(tǒng)相比傳統(tǒng)熱泵空調(diào)制熱系統(tǒng)的乘員艙制熱效率COP提升了27.4%，電池加熱效果提高了79.7%，整車電能消耗減少了16.7%。

表3 系統(tǒng)平均制熱性能參數(shù)

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一套利用電機(jī)余熱的整車制熱系統(tǒng)。通過AMESim軟件進(jìn)行系統(tǒng)建模與仿真分析，在3種不同的溫度下驗(yàn)證了該系統(tǒng)更加節(jié)能和高效。但本文未考慮更低溫度下該新系統(tǒng)的性能，以及熱量分配的問題，需繼續(xù)進(jìn)行研究。

在環(huán)境溫度為-20 ℃，車輛運(yùn)行1個(gè)WLTC工況下，與傳統(tǒng)熱泵空調(diào)相比乘員艙制熱時(shí)間縮短了22.4%，乘員艙制熱效率提高了27.4%，電池加熱效果提高了79.7%，整車電能消耗減少了16.7%。

利用電機(jī)余熱能有效提升低溫下整車的制熱效果，降低制熱能耗，為后續(xù)車輛制熱性能提升和控制策略開發(fā)提供了一種思路。