电动汽车热泵空调系统1D和3D耦合仿真分析

徐俊芳，牟连嵩，刘双喜

（中国汽车技术研究中心，天津 300399）

前言

传统汽车空调系统采暖普遍利用发动机的余热，纯电动汽车动力系统取消了发动机，只能采取其他的采暖方式。目前，市面上采用较多的方式是PTC加热空气或者PTC加热暖风芯体的水，水再加热空气。无论采取哪种方式，PTC均需要消耗掉一定的电能。假设需求5KW的制热量，那么PTC至少得提供5KW的电能，能效比小于1，对于关注续驶里程的电动汽车来说，采用效率更高的采暖方式可使其续驶里程有不同程度的增加。热泵空调系统由于其能效比始终大于1，受到主机厂和空调零部件厂商的青睐，在国外的量产乘用车上应用也比较多，如BMWi3、Nissan的leaf等。国内在热泵系统方面的研究也较多，主要集中在热泵系统的设计和试验研究方面[2-5]，国内热泵系统主要应用于大巴车上，在量产乘用车上的应用较少。

在车辆的开发初期阶段，空调系统的仿真分析可以为整车空调性能开发提供重要的参考，节约试验导致的成本和时间。本文基于一款开发车型的热泵空调系统，运用搭建的仿真平台模拟计算该热泵空调系统的性能，预测该车型匹配的热泵空调系统是否满足整车采暖目标，并提出优化方案。

1 热泵空调系统仿真研究

1.1 系统方案及原理

本文搭建的热泵空调系统主要由电动压缩机、车内冷凝器、车外蒸发器、膨胀阀、制冷剂管路等组成。当系统处于制热模式时，在电动压缩机的作用下，高压气态制冷剂经过车内冷凝器与车内低温环境进行热交换，使车内温度升高，同时制冷剂变成中温高压的液体，经过膨胀阀节流后，低温低压的饱和湿蒸汽进入车外蒸发器进行蒸发吸热。冷凝器的制热量一方面来自压缩机的做功，一方面来自蒸发器吸收的外界环境的热量，故系统的COP始终大于1。

通过搭建热泵空调系统仿真平台，并结合3D CFD乘员舱内流场数据，模拟乘员舱内部不同区域的温升情况，判断空调系统是否能满足整车采暖的需求，并模拟了在不同的环境温度下，压缩机的功耗、系统制热量、系统COP等性能。

1.2 热泵循环回路建模

R134a制冷剂回路按照电动压缩机、车内冷凝器、膨胀阀、室外蒸发器、制冷剂管路等搭建。其中冷凝器和蒸发器按照结构参数和试验参数进行标定，标定误差控制在 5%。压缩机和膨胀阀的建模基于其单体试验数据。由于风道与外界环境存在热交换，故系统建模时考虑风道的热量损失，先用经验值替代，在后续整车试验时进行标定。

图1 制冷剂循环回路

图2 空气循环回路

1.3 乘员舱详细模型建立

乘员舱简单模型是将乘员舱内空气简化为一个单一质量单元，而详细的乘员舱模型，是按照车辆的结构将乘员舱内部空间划分为多个区域，如图3所示。划分区域后，利用CFD分析软件计算每个区域的流量和扩散系数，各个区域的温度和湿度独立考虑，比简单模型计算更为准确。

流量和扩散系数的定义如下：

△X—A区域和B区域的中心距离，单位m。

图3 乘员舱分区

将计算后的分区流量和扩散系数转化为 KULI要求的.dat格式，导入详细乘员舱模型中。

除了计算各个区域的流场外，还需设置车身的壁面参数，包括玻璃、车门、顶盖、底板、座椅以及内饰的材料、面积、厚度、密度、比热容、导热系数等，用于模拟车身与外界环境的对流换热、车身与乘员舱空气的对流换热，初步计算时采用经验值，后续根据试验值对乘员舱热负荷进行标定。

1.4 参数设置

仿真参数设置如下表：

表1 参数设定

2 计算结果

2.1 -10℃环境温度下的乘员舱温度分布

图4 -10℃时的第一排乘员舱温度分布

通过1D和3D乘员舱CFD数据的耦合，可以得到乘员舱不同区域的温升曲线。采暖模式，出风口在脚部位置，脚部的质量流量较其他部位更大，故脚部温度最高。图4显示，乘员舱第一排主驾脚部温度达到了16.9℃，图5显示第二排主驾脚部温度在工况结束时为 15.4℃。乘员舱平均温度为13.8℃，未达到-10℃下的采暖目标。

图5 -10℃时的第二排乘员舱温度分布

图6显示，冷凝器出风口温度为28.3℃，相比传统车利用发动机余热进行采暖的方式，出风口温度略低。

图6 冷凝器出风口温度

2.2 不同环境温度下的系统性能

如图7-图10比较了在固定压缩机转速6000RPM，相同的车速40km/h和冷凝器风量290m3/h下，-10℃、-5℃以及0℃环境温度下的系统性能。随着环境温度的降低，车外蒸发器内制冷剂温度降低，压缩机低压侧吸气口的温度也降低，气态制冷剂密度减小，压缩机吸气比容增加，造成系统内制冷剂质量流量减小，压缩机功耗减小。随着环境温度的降低，压缩机吸气温度降低，经过压缩机压缩后排气温度降低，导致冷凝器的冷凝温度降低，制冷剂的温度与环境温度的传热温差减小，且制冷剂流量减小，导致系统换热量减小。系统的COP取决于制热量和压缩机功耗，环境温度从0℃降低为-10℃时，系统制热量降低了907W，降低了17.5%，压缩机功耗降低了 503W，降低了 28.6%，制热量下降的趋势没有压缩机功耗下降的趋势快，所以系统的COP相应增加。

从以上的分析可以看出，环境温度在-10℃～0℃之间，系统的COP在2.9-3.4之间，远远大于PTC的效率1，并且压缩机的排气温度、排气压力等参数在合适的范围内。

图7 压缩机功耗随环境温度的变化

图8 排气温度随环境温度的变化

图9 制热量随环境温度的变化

图10 COP随环境温度的变化

3 优化方案

通过以上分析可知，该热泵系统不能满足-10℃环境温度下的采暖要求，考虑在空调箱中布置一个 1kW 的 PTC，在低温环境下辅助乘员舱加热。

图11 -10℃下辅助PTC的乘员舱温度分布

图11显示，辅助1kWPTC后，乘员舱温度比单独采用热泵系统提升约7～8℃，第一排脚部温度达到了 24.3℃，第二排脚部温度为22.4℃，乘员舱平均温度达到21.6℃，满足整车采暖的性能目标。

4 结论

本文依据搭建的空调系统仿真平台，模拟计算了某款车型在不同外界环境温度下的空调性能，利用1D和3D耦合的方式，对-10℃环境温度下的乘员舱不同区域的温度进行了预测和优化建议，并对不同环境温度下的压缩机功耗、排气温度、系统COP等进行了比较。

（1）该车型匹配的热泵空调系统在-10℃环境温度下，乘员舱脚部平均温度可以达到16.2℃，未能满足系统的采暖要求。

（2）随着环境温度的降低，系统制冷剂流量减小，压缩机功耗降低，系统制热量降低的趋势比压缩机功耗降低的趋势减缓，导致COP呈增加趋势。

（3）在-10℃环境下，该热泵系统辅助功率1kW的PTC，脚部平均温度达到23.4℃，乘达到21.6℃，满足整车采暖的性能目标，且压缩机的排气温度、排气压力等参数在合适的范围内。

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