如何设计电动汽车空调制热系统？

    

       在冬季，纯电动汽车由于没有发动机提供足够的制热热源，所以需要额外的辅助热源进行制热。目前在市场应用中普遍使用  PTC 加热器为纯电动汽车制热，但其制热能效比 COP 不可能大于 1 ，只能达到  0.8~0.95 ，对纯电动汽车的续航里程影响很大。因此，热泵空调成为了纯电动汽车制热空调更好的选择。

    本文我们将针对纯电动汽车的热泵空调系统，从纯电动汽车的电机余热出发，提出一种带有电机余热回收功能的纯电动车用热泵空调制热系统，并建立该制热空调系统的 AMESim 仿真模型，通过试验对仿真模型进行验证。

（本图仅供参考，不对应文中具体产品）

1 、 系统构成原理及其功能分析

1.1 空调系统构成原理  

本文设计的带有电机余热功能的制热空调系统如图 1 所示，该系统主要分为热泵空调的制冷剂循环部分和电机余热的水循环部分。

对于热泵空调制冷剂循环部分，由于本文主要研究空调的制热性能，因此只考虑了制冷剂的制热循环，不考虑制冷剂的制冷循环。

 

1.2 空调系统功能分析

 

本文设计的带有电机余热功能的制热空调系统主要有 3 种制热工作模式，分别为电机余热单独制热、电机余热辅助热泵空调制热和电机余热辅助 PTC 制热。 除了 3 种制热工作模式外，还有电机散热和车外蒸发器除霜两种独立控制的功能 。

电机余热单独制热工作模式下，热泵空调不运行，电机冷却水按图 2 所示水循环流动 . 在电机余热单独制热时，水 PTC 不开启，水泵推动电机冷却液流经暖风芯体，将电机余热传递至乘客舱内，实现乘客舱的制热；同时，三通水阀可以在电机温度过高时控制冷却水循环流经车室外散热器将多余的热量散发，保证电机温度不会过高。该模式和传统燃油汽车制热原理一样，动力电池不需要额外耗能，制热的同时不会影响续航里程，但是该模式的缺点也很明显，在车外环境温度较低，车内制热需求量较大时，无法满足乘客舱制热要求。

电机余热辅助热泵空调制热工作模式下，热泵空调制冷剂循环和电机冷却水循环同时运行，如图 1所示. 热泵空调通过冷凝器给乘客舱制热，同时电机余热通过暖风芯体给乘客舱制热，而水 PTC 和三通水阀控制的散热器回路会在车室外蒸发器需要除霜时开启，通过风扇将散热器的热量传到蒸发器上进行融霜，解决热泵空调在冬季低温潮湿环境下因车外蒸发器结霜而影响制热性能的难题。

该模式在电机余热单独制热性能不足时开启，以电机余热辅助制热能效比较高的热泵空调给乘客舱制热，同时利用了电机余热配合水 PTC 给车室外蒸发器进行除霜，在确保制热性能的前提下提高了能源利用率.在电机余热辅助 PTC 制热工作模式下，热泵空调不运行，水 PTC 开启，三通水阀控制关闭冷却水的散热器流向，冷却水循环如图 3 所示. 此时水循环有电机余热和水 PTC 制热两个热源，可以在电机余热单独制热性能不足和热泵空调超低温环境下无法制热时通过暖风芯体给乘客舱制热. 该模式虽然回收利用了电机余热进行制热，但主要还是利用PTC加热器制热，和现在市场中纯电动汽车普遍使用的制热方式一样，耗能较高，一般只在极端恶劣工况下使用。

 

2 、 子系统模型的建立及其试验验证

由于根据该制热系统搭建完整的试验平台成本较大，所以本文将系统模型分为电机余热循环系统和热泵空调制热系统两个子系统，利用 AMESim 软 件分别建立子系统的模型，并设计相应的试验对子 系统模型进行验证，最后根据验证后的子模型建立完整的系统模型进行仿真分析。

 

2.1 电机余热循环系统模型    

纯电动汽车中的余热主要集中在动力电池和电机上，而动力电池在冬季不仅需要散热还需要加热，所以动力电池余热的利用比较复杂，因此本文只对电机余热进行设计分析 .

 

2.1.1 电机余热模型建立

针对电机的产热模型，忽略其机械损耗和其他附件产热，只计算电机的产热功率，可以表示为：

 

2.1.2 电机余热模型试验验证

为了验证所建立的电机模型的热仿真性能是否符合实际电机系统的热循环规律，通过试验设备对电机余热进行试验测试，试验在环境模拟实验室进行，如图 5 所示 .

 

试验中的电机余热循环系统各部件安装在整车上，整车放置在环境模拟实验室中，电机冷却回路只通过暖风芯体给乘客舱制热，不经过散热器等其他回路，试验中通过温度传感器测量乘客舱出风口温度，空调开启吹脸模式 . 温度传感器分别布置在主驾左侧出风口、主驾右侧出风口、副驾左侧出风口和副驾右侧出风口共 4 个位置 . 将温度传感器的平均值作为乘客舱出风口温度，所有温度传感器采样间隔为 1 min. 试验一共进行了 6 次，实验室中的环境温度分别设置在 5 ℃、 10 ℃和 15 ℃，试验时电机转速 分别控制在 6 000 r/min 和 8 000 r/min ，每次试验前先通过浸车使汽车乘客舱温度达到试验工况温度，再进行试验。

 

试验中电机由实验室外的控制设备控制，模拟不同环境温度和不同电机转速工况下电机余热的制热情况 . 试验结果与仿真结果对比分别如图 6 和 图 7 所示。

 

 

从图 6 和图 7 可以看出，环境温度越高、电机转速越大，电机余热制热下乘客舱能够达到的温度就越高，并且不同转速和不同环境温度电机余热循环制热下乘客舱温度变化的仿真曲线与试验曲线变化趋势相符，温度变化误差在 3 ℃之内。

 

2.2 热泵空调制热系统模型    

 

2.2.1 热泵空调制热模型建立

压缩机模型采用直流电机驱动定排量压缩机，转速设置为手动输入变量 . 压缩机的质量流量为：

 

 

2.2.2 热泵空调制热模型试验验证

试验中的热泵空调等部件安装在整车上，整车放置在汽车空调环境模拟实验室中，共在 24 个位置布置温度传感器，将这 24 个温度传感器的平均值作为车内温度，所有温度传感器采样频率均为 1 s.

 

试验环境温度 0 ℃，空调开启外循环，控制压缩机以固定转速 3 000 r/min 运行，试验结果与仿真结果对比如图 9 所示 . 从图 9 可以看出，在 0 ℃的环境温度下，热泵空调制热下乘客舱温度变化的仿真曲线与试验曲线变化趋势相符，温度变化误差在 2 ℃之内。

3 、 系统性能仿真分析

 

将两个子系统相结合，利用 AMESim 软件建立带有电机余热循环的空调系统仿真模型，如图 10 所示。

 

3.1 电机余热制热性能仿真   

将仿真环境温度分别设置为 15 ℃、10 ℃、5 ℃、0℃和-10 ℃，电机冷却液、制冷剂以及各部件初始温度设置与环境温度相同，其他固定参数设置如表 1所示. 

在这 5 个不同的环境温度工况下设置不同的电机转速，且压缩转速都设置为 0，对电机余热制热性能进行仿真分析。

当电机转速为 1 000 r/min 时，仿真运行 30 min 得到的驾驶舱温度变化如图 11 所示 . 从图 11 中可以看出，当电机以 1 000 r/min 的转速运行时，电机余热制热模式下乘客舱的温度升高不大，基本在 5 ℃左右，即使在环境温度为 15 ℃时，驾驶舱温度稳定后也无法达到 20 ℃，难以满足制热需求。

 

• 当电机转速为 3 000 r/min 时，仿真运行 30 min 得到的驾驶舱温度变化如图 12 所示。

• 当电机转速为 6 000 r/min 时，仿真运行 30 min 得到的驾驶舱温度变化如图 13 所示。

 

• 从仿真结果可以看出，当电机以较低转速运行时，电机余热无法满足乘客舱的制热需求；

• 当电机以中等转速运行，环境温度在 10 ℃以上时，电机余热可以满足乘客舱的制热需求；

• 当电机以较高转速运行，环境温度在 5 ℃以上时，电机余热可以满足乘客舱的制热需求 . 

 

3.2 电机余热辅助热泵空调制热性能仿真   

从电机余热单独制热仿真结果可以看出，在环境温度较低的工况下单独的电机余热制热无法满足乘客舱的制热需求，需要额外开启热泵空调进行制热 . 因为单独的电机余热在 5 ℃以下无法满足制热需求，而单级压缩机的热泵空调在 -5 ℃以下制热效果衰减严重，在 -10 ℃时基本无法正常工作，需要开启 PTC 制热，所以将仿真模型中的环境温度设置为 -5 ℃，电机冷却液、制冷剂以及各部件初始温度设置为与环境温度相同。

因为初始温度和环境温度较低，故压缩机转速设置为 4 000 r/min 不变，分别对电 机转速为 0 和 3 000 r/min 两种工况进行仿真，研究热泵单独制热与电机余热辅助热泵空调制热的性能差异 . 在环境温度为 -5 ℃以下时，热泵空调单独制热和电机余热辅助热泵空调制热的乘客舱温度变化如 图 14 所示 .

 

从图 14 中可以看出，在该工况下热泵空调单独制热能力不足，乘客舱温度稳定后只能达到 15 ℃左右，无法满足乘客舱的制热需求；而电机余热 辅助热泵空调制热的模式下，乘客舱温度能稳定在 25 ℃以上，具有足够的制热能力 .

 

从图 15 中可以看出，在压缩机转速为 4 000 r/ min ，电机转速为 3 000 r/min ，环境温度为 -5 ℃的工况下，热泵空调单独制热模式的制热能效比最高只能达到 2.3 左右，而电机余热辅助热泵空调制热模式的等效制热能效比 ηcop 最高能达到 3.4 以上，比同工况下热泵空调单独制热模式的能效比提高了约 48% ，能够有效减少动力电池能量的消耗。

 在环境温度为-5 ℃以下时，热泵空调单独制热和电机余热辅助热泵空调制热的制热能效比对比如图 15 所示. 其中电机余热辅助热泵空调制热模式对应的曲线为等效制热能效比，此处用 ηcop 来表示等效制热能效比. 其计算公式为：

从图 15 中可以看出，在压缩机转速为 4 000 r/min，电机转速为 3 000 r/min，环境温度为-5 ℃的工况下，热泵空调单独制热模式的制热能效比最高只能达到 2.3 左右，而电机余热辅助热泵空调制热模式的等效制热能效比 ηcop 最高能达到 3.4 以上，比同工况下热泵空调单独制热模式的能效比提高了约48%，能够有效减少动力电池能量的消耗. 由于仿真中制冷剂和各部件壳体设置的初始温度与环境温度一致，所以仿真开始后空调制热的能量会被吸收，造成制热量较小，形成制热能效比逐渐增大的情况。