电动汽车热泵空调系统设计及应用

刘健豪,吴兵兵,张欢欢， 朱玉红

（江淮汽车股份有限公司技术中心,安徽 合肥 230601）

[文章编号]1671-802X（2016）04-0007-04

电动汽车热泵空调系统设计及应用

刘健豪,吴兵兵,张欢欢， 朱玉红

（江淮汽车股份有限公司技术中心,安徽 合肥 230601）

对比分析热泵空调系统与PTC加热能耗，对热泵空调系统设计、匹配、控制等技术进行研究，应用于某一纯电动车辆，提出产业化开发思路。

电动汽车；热泵空调；控制；产业化

一、概述

电动汽车在全世界的发展迅速,国家在十三五规划中提出,到2020年,中国电动汽车市场保有量将达到500万辆。今天我们身边随时可以看到各种各样的电动车存在。当前电动车均采用空调压缩机制冷,PTC加热完成采暖的方案。相比较制冷,采暖系统效率较低,开启采暖空调状态下,整车续驶里程下降。

电动汽车采暖系统从PTC到热泵是空调加热系统的发展趋势,国际整车企业如尼桑、宝马、现代已经开始在新能源产品上应用热泵空调系统。

图1 热泵空调节能效率

在测试条件为环境温度-10℃,相对湿度50%的工况下,普通PTC加热2.5kw的功率仅能获得2.4kw左右的热量。热泵空调系统以1kW的能耗可以获得2.3kW 的制热量,试验结果满足“GB_T_12782-2007_汽车采暖性能要求和试验方法”性能目标要求,如图1所示,同样采暖能力,电功率由下降50%,优势明显。考虑到-20℃特别严寒地区热泵系统不能提供足够的制冷量,在设计时增加辅助PTC加热,在-15℃时,辅助PTC开始工作。保证在-20℃～40℃的环境温度均能以较高的效率为电动汽车提供舒适的驾乘环境。

二、系统方案

制冷/采暖系统均采用32cc压缩机提供制冷剂循环动力,如图2、图3中所示,通过四通换向阀改变制冷剂的流动通道,改变制冷剂的流向,采用电子膨胀阀可实现制冷剂的双向流动,箭头代表制冷剂流动方向。并可实现电池和乘员舱同时制冷的双蒸方案。热泵空调系统各部件详细三维设计及连接方式见图4,在温度低于-15℃时,通过PTC辅助加热。

图2 热泵空调制热原理图

图3 热泵空调制冷原理图

图4 热泵空调系统三维数模设计

空气调节方面采用电动控制,出风温度和送风方式都是采用执行电机控制风门转动。风机风量采用PWM无极调速。

三、仿真计算

冷负荷:Qc=QT+Qm+QA+QE+Qq+Q电池（W）= 3457W

热负荷:Qh=1.2Qc= 4148W

Qc——冷负荷；QT——太阳辐射及太阳照射热量；Qm——人体散热量(两排座5人)；QA——室外空气渗入热量；QE——动力舱传入热量；Qq——其它仪器、设备发热量；Q电池——动力电池热需求。

通过冷、热负荷估算,确认车辆在外循环情况下,某一纯电动车辆制冷量约3.5kW,制热量约4.2kW。

制热工况:将吸气温度-20℃、排气60℃以及制热量4.2kW等信息输入仿真软件,仿真见图5,确定车内换热器换热能力需大于2.6kW。

制冷工况:制冷剂标定试验中,吸气温度3℃、排气63℃以及制冷量3.5kW等信息输入仿真软件,仿真见图6,确定车外换热器换热能力需大于4.5kW。

以制热能量达到4000W，压缩机功率<1.5kW为设计目标,选用一款排量为32cc的涡旋式电动压缩机。避免产生过高的压缩机转速和小于0.2bar的吸气压力。分别分析环境温度在-15℃、-10℃、-5℃测试结果,初步确定压缩机转速4000rmp,吸气温度-20℃,排气温度约60℃较适宜。具体仿真结果如图7。

图5 制热工况仿真

图6 制冷工况

图7 仿真结果

四、关键器件选型

为满足热泵空调系统功能性能目标要求,依据热泵空调匹配计算结果,对关键件选型。包括:车外换热器、储液器、电子膨胀阀、四通换向阀。

(1)车外换热器

采用用小管径铜管铝翅片的垂直结构设计,提高换热器的排水性能,延迟冷凝器结霜。换热能力> 4.5kw。

(2)储液器

选择微孔过滤分离型储液器,气液分离效率> 98%。完全吸收液体制冷剂的储液器,防止压缩机产生液击现象。

(3)电子膨胀阀

电子膨胀阀集成了电磁阀与膨胀阀的功能,并且可以通过控制阀体开度的大小,从而调节膨胀阀的流量。并可实现双向流动、膨胀。

电子膨胀阀为独立受控单元,电子膨胀阀为常开型,膨胀方向可逆。控制头内集成PID控制策略。系统控制目标过热度比较,完成电子膨胀阀自动调节。选用时需选择带通信功能的电子膨胀阀,生命周期切换次数≥400，000次。

(4)四通换向阀

四通换向阀通过改变制冷剂的流动通道,改变制冷剂的流向,转换冬夏两季空调系统冷凝器与蒸发器的热交换方向。主要由四通气动换向阀、电磁换向阀、毛细管组成。四通阀是由控制阀驱动,通过控制电磁线圈的通断,驱动主阀的滑向滑块,完成制冷剂的换向。四通换向阀全生命周期切换次数≥20，000次。

五、控制方案

VCU（整车控制器）、压缩机通过CAN通信与空调控制器进行信号交互。如图8所示,基于空调控制器控制指令,VCU（整车控制器）采集室内室外传感器的温度及压力传感器信号,控制电子膨胀阀的开度、四通换向阀的换向,实现制冷与制热循环切换。四通换向阀与电子膨胀阀控制为热泵系统控制的核心,本文就这两个部件的控制展开分析。

图8 控制方案框图

(1)四通换向阀控制

四通换向阀为独立受控单元,如图9所示,驱动主阀的滑向滑块默认位置为右端,接通制冷循环；驱动主阀的滑向滑块移动到左端,接通制热循环。四通换向阀四个接口定义如下。

图9 四通换向阀内部结构

(1)制冷请求:压缩机排气端D与冷凝器C端接通,蒸发器E端与压缩机吸气端接通,实现制冷过程。

(2)制热请求:压缩机排气端D与蒸发器E接通,冷凝器C端与压缩机吸气端接通,实现制热过程。

(2)电子膨胀阀开度调节

电子膨胀阀实现对液态制冷剂的膨胀,通过对电子膨胀阀的开度调节实现。控制的框图如图10所示:

图10 电子膨胀阀的控制框图

VCU读取压缩机进口或蒸发器出口的温度和压力信号,计算出实际过热度,再与系统控制目标过热度比较,按照目标过热度,完成电子膨胀阀开度PID自动调节。备注:过热度高于目标值,需增大开度,过热度小于目标值,需减小开度。

六、总结

热泵空调系统在目前已成熟的双蒸发器电动空调系统基础上,利用VCU、空调控制器、压缩机控制器通过CAN网路进行通信交互,共同完成对热泵空调系统的控制。充分考虑换热器结霜等核心问题,开发完全满足既定要求的热泵空调系统。

[1]马国远，史保新，等.电动汽车热泵空调系统的试验研究[J].低温工程，2000.

[2]谢 卓，陈江平，等.电动车热泵空调系统的设计分析[J].汽车工程2006，28(8).

[3]欧阳光.热泵型电动汽车空调系统性能实验研究[D].华南理工大学，2011.

[4]陈 东,谢继红.热泵技术及应用[M].北京化学工业出版社，2006.

[5]陈孟湘.汽车空调[M].上海交通大学出版社，2001.

（责任编辑：袁 媛）

Design and Application of Heat Pump Air Conditioning System in Electric Vehicle

LIU Jian-hao，WU Bing-bing，ZHANG Huan-huan，ZHU Yu-hong
（The Technical Center of Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

A comparative analysis is performed regarding energy consumption difference between heat pump air condition system and PTC heat system.The design，matching，control and other technologies of heat pump air condition system are researched.The technologies are applied to one electric vehicle and some ideas for industrial development are put forward.

electric vehicle；heat pump air conditioning；control；industrialization

U270.6

B

2016-06-01

刘健豪(1989-),男,安徽马鞍山人,工程师,研究方向:电动汽车空调系统。E-mai:934160484@qq.com.