电动汽车用二氧化碳热泵空调系统性能分析*

吕然 王儒金 宋占桌 刘冬 王一铭 李明

（1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022；2.中国第一汽车集团有限公司，长春 130013；3.一汽奔腾轿车有限公司，长春 130022）

1 前言

随着能源与环境问题日益严重，以纯电动汽车为代表的新能源汽车已成为汽车的主流发展趋势[1]。与传统汽车不同，新能源汽车没有发动机余热来满足制热需求，存在低温条件下制热困难和制热效率较低的问题[2-3]，同时，温室效应与碳排放问题对制冷剂提出了更高的要求[4]。因此，汽车热管理系统的改进对新能源汽车的发展格外重要。

相比于传统的R134a 空调系统，以R1234yf 为制冷剂的电动汽车超低温热泵空调系统在-20 ℃超低温环境中制热量和性能系数（Coefficient Of Performance，COP）分别提升30%和14%[5]。Wu 等[6]假定24 ℃为乘员舱舒适温度，对R134a、R32、R1234yf、CO2等多种制冷剂的低温制热性能进行对比，结果表明，仅CO2热泵空调系统可以在-20 ℃超低温环境下可独立满足制热需求，而R134a 热泵空调系统在-10 ℃环境温度下已无法独立满足制热需求。CO2作为天然制冷剂，具有零污染、无毒、制热性能强等优点，因此CO2热泵空调系统在新能源汽车领域极具发展前景[7-9]。武悦等[10]通过道路试验分析了CO2热泵空调系统的低温采暖能力和对整车续驶里程的影响，结果表明：CO2热泵空调系统低温采暖能力可与传统燃油车相近；在-5 ℃环境温度下，采用CO2热泵空调系统的电动汽车续驶里程比采用正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）热敏电阻采暖系统的电动汽车续驶里程高23.6%。Dong 等[11]通过试验研究发现：CO2热泵空调系统与R134a 空调系统具有相似的制冷能力和COP，但CO2热泵空调系统具有更高的制热能力和COP；在-10 ℃环境下，CO2热泵空调系统的制热能力较R134a 空调系统的制热能力提升83%。

为提高电动汽车的热管理性能、解决制冷剂碳排放问题，本文在现有研究基础上，以天然工质CO2作为制冷剂，提出一种适用于电动汽车的跨临界CO2热泵空调系统，并通过AMESim软件进行制冷和制热性能分析。

2 理论与方法

CO2与氟利昂制冷剂物性参数相差较大，制冷和制热状态下CO2热泵空调系统与R134a 空调系统的压焓图如图1 所示。跨临界CO2热泵空调系统压力更高，高压CO2处于超临界态，与R134a 空调系统的定温放热过程不同，超临界状态的CO2放热时存在巨大的温度滑移，换热温差更大，可以有效提高换热效率[12-13]。在低温制热模式下，R134a因为蒸发温度限制导致室外蒸发换热温差有限，进而导致制热困难，而CO2制冷剂在1 MPa 压力下蒸发温度可达-40 ℃，可保证较大的换热温差。

图1 CO2热泵空调系统与R134a空调系统压焓图

本文所搭建的CO2热泵空调系统仿真平台如图2 所示，包括压缩机、气液分离器、室内换热器、膨胀阀、室外换热器、鼓风机、风扇、4个三通阀、4个截止阀、4个传感器以及若干管路。该CO2热泵空调系统可通过截止阀的开关调节制冷剂流向，从而实现制冷模式与制热模式的转换。截止阀1～截止阀4在制冷模式下的开关信号为0101，在制热模式下的开关信号为1010（0代表关闭，1代表开启）。

图2 二氧化碳热泵空调系统仿真平台

采用的压缩机为滚动转子压缩机，因本文研究的重点为系统性能而非压缩机结构特性，所以忽略压缩机结构特性，采用等效的压缩机排气容积、排气效率、等熵效率和机械效率建立简化数学模型，压缩机效率随转速与压比变化而变化；采用的膨胀阀为电子膨胀阀，与热力膨胀阀相比，电子膨胀阀具有响应快、控制精确等优点[14-15]；室内换热器和室外换热器均采用微通道平行流换热器，该类换热器具有结构紧凑、换热效果强、质量轻等优点而广泛应用于汽车热管理领域[16]；为简化计算，忽略鼓风机和风扇工作特性，采用给定温度、压力、相对湿度和流量的方式代替鼓风机和风扇，并且假设换热器表面各处空气流速相同。系统关键零部件的规格参数如表1所示。其中室内换热器采用双层、4流程分布，每层2 个流程，每层流程冷却管数量分别为20根和14 根；室外换热器采用单层、4 流程分布，各流程冷却管数量分别为16根、13根、13根和10根。

表1 关键零部件规格

电子膨胀阀开度直接影响蒸发器出口过热度，从而对系统性能产生影响，在极端情况下，会导致系统性能下降明显。本文采用比例积分（Proportion Integral，PI）控制方法控制电子膨胀阀开度，控制逻辑如图3 所示。以蒸发器出口过热度与期望过热度的差值e(t)作为PI 控制器的输入，计算并在增益系数G的作用下输出控制量：

图3 电子膨胀阀控制逻辑

式中，v(t)为电子膨胀阀开度输出值；r(t)为出口过热度期望值、c(t)为出口过热度反馈值；Kp=0.1 为比例系数；Ki=0.01 为积分系数。

在饱和限制下输出结果至电子膨胀阀模块实现开度控制。本文系统控制蒸发器出口过热度为10 ℃。

制热量Q和系统COP计算公式为：

式中，为制冷剂质量流量；hi、ho分别为室内冷凝器制冷剂进、出口焓值；W为压缩机功耗。

制冷模式计算同理。

3 结果与分析

3.1 制热性能分析

为研究低温环境下CO2热泵空调系统的制热性能，在室内换热器风量为250 m³/h的工况下，分析不同压缩机转速条件下的低温制热性能，结果如图4所示：随着环境温度的降低，系统制热量降低，同时出风温度降低，这是由于环境温度降低导致蒸发温度与环境温度之间的温差降低，蒸发器吸热能力下降，进而导致系统制热性能下降。在压缩机转速不变的条件下，随着环境温度从0 ℃下降到-20 ℃，制热量下降22.5%～27.0%，出风温度降低30.0～33.6 ℃。由图4可知：当环境温度较高时，采用低转速即可满足制热需求；当环境温度较低时，可以通过提高压缩机转速达到提升制热量的目的，在环境温度为-20 ℃时，仍可通过提高压缩机转速使出风温度达到36 ℃，满足制热要求。

图4 CO2热泵空调系统低温制热性能

为研究压缩机转速对CO2热泵空调系统制热性能的影响，在-10 ℃环境温度和250 m³/h 室内换热器风量条件下，改变压缩机转速，分析制热量、COP 和出风温度的变化，结果如图5 所示。由图5 可知，随着压缩机转速的提高，系统制热量和出风温度升高，但COP 降低。随着压缩机转速从2 000 r/min 提高至7 000 r/min，制热量从2.0 kW增大至5.2 kW，出风温度从12.4 ℃提高至48.0 ℃，COP 由4.4 降至1.6，说明适当提高压缩机转速可以提升制热能力，但过高的压缩机转速会引起系统效率过低而造成能耗过大。

图5 压缩机转速对制热性能的影响

为研究室内换热器（室内气冷器）风量对二氧化碳热泵空调系统制热性能的影响，在环境温度为-10 ℃，压缩机转速为6 000 r/min和7 000 r/min的条件下，分析风量对制热量、COP 和出风温度的影响，结果如图6 所示。由图6 可知，制热量和系统COP 随着风量的提高而提高，这是由于风量提高导致空气流速增大，使室内换热器和空气的对流换热增强，从而提高制热量，在其他条件不变时，系统COP升高。随着风量从150 m³/h增至350 m³/h，制热量提高6.9%～9.6%，系统COP 增大85.1%～93.6%。热泵系统采暖出风温度随着室内换热器风量的升高而降低，尽管风量提高导致换热量增大，但因空气质量流量增大，单位热量所引起的温升降低，从而导致出风温度反而降低。同时，由图6可知，在压缩机转速为6 000 r/min和7 000 r/min条件下，当风量分别超过250 m³/h 和300 m³/h 后，采暖出风温度将低于40 ℃。由此可知，适当增加风量可以有效提升制热性能，但过大的风量会导致制热系统出风温度过低，反而不利于制热。

图6 室内换热器风量对制热性能的影响

为研究室外换热器（室外蒸发器）风速对CO2热泵空调系统制热性能的影响，在环境温度为-10 ℃，压缩机转速为6 000 r/min和7 000 r/min的条件下，分析风速对制热量、COP和出风温度的影响，结果如图7所示。由图7可知：随着室外换热器风速的提高，制热量和出风温度逐渐升高，而风速对COP 的影响几乎可以忽略；随着风速从1.5 m/s提高至4.5 m/s，系统性能变化在3%以内，说明室外换热器风速对本文的CO2热泵空调系统制热性能影响极小。

图7 室外换热器风速对制热性能的影响

3.2 制冷性能分析

为研究高温环境下CO2热泵空调系统的制冷性能，在室内换热器风量为350 m³/h的工况下，分析不同压缩机转速条件下的高温制冷性能，结果如图8所示。由图8可知：相同条件下，随着环境温度的升高，系统制冷量和COP降低，这是由于，随着环境温度升高，在压缩机转速不变的情况下，蒸发器进风温度提高，进而使出风温度提高，制冷剂向外界放热效果减弱；出风温度与环境温度近似于线性关系。

图8 二氧化碳热泵空调系统高温制冷性能

为研究压缩机转速对CO2热泵空调系统制冷性能的影响，在室内换热器风量为350 m³/h 和不同环境温度条件下改变压缩机转速，分析制冷量、COP 和出风温度的变化，结果如图9 所示。由图9可知，随着压缩机转速的提高，系统制冷量增大，出风温度降低，制冷性能提升，但同时会导致COP降低。这是由于压缩机转速提高引起制冷剂质量流量升高，导致压缩机功耗增大的同时制冷量增大，从而引起制冷系统出风温度降低，又因为压缩机功耗提高幅度大于制冷量提高幅度，所以COP降低。

图9 不同环境温度条件下压缩机转速对制冷性能的影响

为研究室内换热器（室内蒸发器）风量对CO2热泵空调系统制冷性能的影响，在环境温度为35 ℃，压缩机转速为6 000 r/min 和7 000 r/min 的条件下，分析风量对制冷量、COP 和出风温度的影响，结果如图10 所示。由图10 可知，制冷量和COP 随着室内换热器风量的提高而增大，这是由于随着风量的提高，室内蒸发器空气侧换热能力增强，制冷量提高，进而导致COP 增大。风量由250 m³/h 增至450 m³/h时，制冷量提高7.3%～7.5%，COP增大5.8%～7.7%。但随着风量的提高，空气质量流量升高，单位制冷量所引起的空气温降减小，从而导致制冷系统出风温度升高，风量由250 m³/h 增至450 m³/h，出风温度升高7.8～8.6 ℃。

图10 室内换热器风量对制冷性能的影响

为研究室外换热器（室外气冷器）风速对CO2热泵空调系统制冷性能的影响，在环境温度为35 ℃，压缩机转速为6 000 r/min 和7 000 r/min 的条件下，分析风速对制冷量、COP 和出风温度的影响，结果如图11 所示。由图11 可知，随着室外换热器风速的提高，系统制冷量和COP 均逐渐增大，并且风速较大时升高较快，风速较小时出风温度相对稳定，风速较大时出风温度略有较低。随着风速从1.5 m/s提高至4.5 m/s，制冷量、COP 和出风温度分别变化3.8%～4.3%、8.8%～9.7%和3.2%～4.9%，由此可见，风速对COP的影响较制冷量和出风温度更大。

图11 室外换热器风速对制冷性能的影响

4 结束语

本文以CO2为制冷剂，提出一种适用于电动汽车的跨临界CO2热泵空调系统，并进行了制热和制冷性能分析，主要结论如下：

a. 制热模式下，跨临界状态下CO2热泵空调系统制热量和出风温度随着环境温度的降低而降低，低温工况可以通过提高压缩机转速提升制热能力；随着压缩机转速的升高，制热量升高，出风温度升高，但系统COP 下降；室外蒸发器风速对系统制热性能的影响较小；室内气冷器风量提高可以有效提升制热量和COP，但过大的风量会导致制热系统出风温度过低，反而不利于制热，适当提高室内气冷器风量是提升制热能力的有效手段。

b. 制冷模式下，随着环境温度从30 ℃升高至40 ℃，跨临界状态下CO2热泵空调系统制冷量降低7.6%～7.7%，COP 降低14.5%～15.9%；随着压缩机转速升高，系统制冷量升高，出风温度降低，但会导致系统COP 降低；室外气冷器风速对系统COP 影响大于对制冷量和出风温度的影响；室内蒸发器风量升高可以有效提升制冷量和COP，但过大风量会导致出风温度偏高，不利于制冷。