劉健豪,吳兵兵,張歡歡， 朱玉紅

（江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心,安徽 合肥 230601）

[文章編號(hào)]1671-802X（2016）04-0007-04

電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉健豪,吳兵兵,張歡歡， 朱玉紅

（江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心,安徽 合肥 230601）

對(duì)比分析熱泵空調(diào)系統(tǒng)與PTC加熱能耗，對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、匹配、控制等技術(shù)進(jìn)行研究，應(yīng)用于某一純電動(dòng)車輛，提出產(chǎn)業(yè)化開發(fā)思路。

電動(dòng)汽車；熱泵空調(diào)；控制；產(chǎn)業(yè)化

一、概述

電動(dòng)汽車在全世界的發(fā)展迅速,國(guó)家在十三五規(guī)劃中提出,到2020年,中國(guó)電動(dòng)汽車市場(chǎng)保有量將達(dá)到500萬(wàn)輛。今天我們身邊隨時(shí)可以看到各種各樣的電動(dòng)車存在。當(dāng)前電動(dòng)車均采用空調(diào)壓縮機(jī)制冷,PTC加熱完成采暖的方案。相比較制冷,采暖系統(tǒng)效率較低,開啟采暖空調(diào)狀態(tài)下,整車?yán)m(xù)駛里程下降。

電動(dòng)汽車采暖系統(tǒng)從PTC到熱泵是空調(diào)加熱系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì),國(guó)際整車企業(yè)如尼桑、寶馬、現(xiàn)代已經(jīng)開始在新能源產(chǎn)品上應(yīng)用熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

圖1 熱泵空調(diào)節(jié)能效率

在測(cè)試條件為環(huán)境溫度-10℃,相對(duì)濕度50%的工況下,普通PTC加熱2.5kw的功率僅能獲得2.4kw左右的熱量。熱泵空調(diào)系統(tǒng)以1kW的能耗可以獲得2.3kW 的制熱量,試驗(yàn)結(jié)果滿足“GB_T_12782-2007_汽車采暖性能要求和試驗(yàn)方法”性能目標(biāo)要求,如圖1所示,同樣采暖能力,電功率由下降50%,優(yōu)勢(shì)明顯?？紤]到-20℃特別嚴(yán)寒地區(qū)熱泵系統(tǒng)不能提供足夠的制冷量,在設(shè)計(jì)時(shí)增加輔助PTC加熱,在-15℃時(shí),輔助PTC開始工作。保證在-20℃～40℃的環(huán)境溫度均能以較高的效率為電動(dòng)汽車提供舒適的駕乘環(huán)境。

二、系統(tǒng)方案

制冷/采暖系統(tǒng)均采用32cc壓縮機(jī)提供制冷劑循環(huán)動(dòng)力,如圖2、圖3中所示,通過(guò)四通換向閥改變制冷劑的流動(dòng)通道,改變制冷劑的流向,采用電子膨脹閥可實(shí)現(xiàn)制冷劑的雙向流動(dòng),箭頭代表制冷劑流動(dòng)方向。并可實(shí)現(xiàn)電池和乘員艙同時(shí)制冷的雙蒸方案。熱泵空調(diào)系統(tǒng)各部件詳細(xì)三維設(shè)計(jì)及連接方式見(jiàn)圖4,在溫度低于-15℃時(shí),通過(guò)PTC輔助加熱。

圖2 熱泵空調(diào)制熱原理圖

圖3 熱泵空調(diào)制冷原理圖

圖4 熱泵空調(diào)系統(tǒng)三維數(shù)模設(shè)計(jì)

空氣調(diào)節(jié)方面采用電動(dòng)控制,出風(fēng)溫度和送風(fēng)方式都是采用執(zhí)行電機(jī)控制風(fēng)門轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)機(jī)風(fēng)量采用PWM無(wú)極調(diào)速。

三、仿真計(jì)算

冷負(fù)荷:Qc=QT+Qm+QA+QE+Qq+Q電池（W）= 3457W

熱負(fù)荷:Qh=1.2Qc= 4148W

Qc——冷負(fù)荷；QT——太陽(yáng)輻射及太陽(yáng)照射熱量；Qm——人體散熱量(兩排座5人)；QA——室外空氣滲入熱量；QE——?jiǎng)恿ε搨魅霟崃浚籕q——其它儀器、設(shè)備發(fā)熱量；Q電池——?jiǎng)恿﹄姵責(zé)嵝枨蟆?/p>

通過(guò)冷、熱負(fù)荷估算,確認(rèn)車輛在外循環(huán)情況下,某一純電動(dòng)車輛制冷量約3.5kW,制熱量約4.2kW。

制熱工況:將吸氣溫度-20℃、排氣60℃以及制熱量4.2kW等信息輸入仿真軟件,仿真見(jiàn)圖5,確定車內(nèi)換熱器換熱能力需大于2.6kW。

制冷工況:制冷劑標(biāo)定試驗(yàn)中,吸氣溫度3℃、排氣63℃以及制冷量3.5kW等信息輸入仿真軟件,仿真見(jiàn)圖6,確定車外換熱器換熱能力需大于4.5kW。

以制熱能量達(dá)到4000W，壓縮機(jī)功率<1.5kW為設(shè)計(jì)目標(biāo),選用一款排量為32cc的渦旋式電動(dòng)壓縮機(jī)。避免產(chǎn)生過(guò)高的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和小于0.2bar的吸氣壓力。分別分析環(huán)境溫度在-15℃、-10℃、-5℃測(cè)試結(jié)果,初步確定壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速4000rmp,吸氣溫度-20℃,排氣溫度約60℃較適宜。具體仿真結(jié)果如圖7。

圖5 制熱工況仿真

圖6 制冷工況

圖7 仿真結(jié)果

四、關(guān)鍵器件選型

為滿足熱泵空調(diào)系統(tǒng)功能性能目標(biāo)要求,依據(jù)熱泵空調(diào)匹配計(jì)算結(jié)果,對(duì)關(guān)鍵件選型。包括:車外換熱器、儲(chǔ)液器、電子膨脹閥、四通換向閥。

(1)車外換熱器

采用用小管徑銅管鋁翅片的垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高換熱器的排水性能,延遲冷凝器結(jié)霜。換熱能力> 4.5kw。

(2)儲(chǔ)液器

選擇微孔過(guò)濾分離型儲(chǔ)液器,氣液分離效率> 98%。完全吸收液體制冷劑的儲(chǔ)液器,防止壓縮機(jī)產(chǎn)生液擊現(xiàn)象。

(3)電子膨脹閥

電子膨脹閥集成了電磁閥與膨脹閥的功能,并且可以通過(guò)控制閥體開度的大小,從而調(diào)節(jié)膨脹閥的流量。并可實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)、膨脹。

電子膨脹閥為獨(dú)立受控單元,電子膨脹閥為常開型,膨脹方向可逆?？刂祁^內(nèi)集成PID控制策略。系統(tǒng)控制目標(biāo)過(guò)熱度比較,完成電子膨脹閥自動(dòng)調(diào)節(jié)。選用時(shí)需選擇帶通信功能的電子膨脹閥,生命周期切換次數(shù)≥400，000次。

(4)四通換向閥

四通換向閥通過(guò)改變制冷劑的流動(dòng)通道,改變制冷劑的流向,轉(zhuǎn)換冬夏兩季空調(diào)系統(tǒng)冷凝器與蒸發(fā)器的熱交換方向。主要由四通氣動(dòng)換向閥、電磁換向閥、毛細(xì)管組成。四通閥是由控制閥驅(qū)動(dòng),通過(guò)控制電磁線圈的通斷,驅(qū)動(dòng)主閥的滑向滑塊,完成制冷劑的換向。四通換向閥全生命周期切換次數(shù)≥20，000次。

五、控制方案

VCU（整車控制器）、壓縮機(jī)通過(guò)CAN通信與空調(diào)控制器進(jìn)行信號(hào)交互。如圖8所示,基于空調(diào)控制器控制指令,VCU（整車控制器）采集室內(nèi)室外傳感器的溫度及壓力傳感器信號(hào),控制電子膨脹閥的開度、四通換向閥的換向,實(shí)現(xiàn)制冷與制熱循環(huán)切換。四通換向閥與電子膨脹閥控制為熱泵系統(tǒng)控制的核心,本文就這兩個(gè)部件的控制展開分析。

圖8 控制方案框圖

(1)四通換向閥控制

四通換向閥為獨(dú)立受控單元,如圖9所示,驅(qū)動(dòng)主閥的滑向滑塊默認(rèn)位置為右端,接通制冷循環(huán)；驅(qū)動(dòng)主閥的滑向滑塊移動(dòng)到左端,接通制熱循環(huán)。四通換向閥四個(gè)接口定義如下。

圖9 四通換向閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

(1)制冷請(qǐng)求:壓縮機(jī)排氣端D與冷凝器C端接通,蒸發(fā)器E端與壓縮機(jī)吸氣端接通,實(shí)現(xiàn)制冷過(guò)程。

(2)制熱請(qǐng)求:壓縮機(jī)排氣端D與蒸發(fā)器E接通,冷凝器C端與壓縮機(jī)吸氣端接通,實(shí)現(xiàn)制熱過(guò)程。

(2)電子膨脹閥開度調(diào)節(jié)

電子膨脹閥實(shí)現(xiàn)對(duì)液態(tài)制冷劑的膨脹,通過(guò)對(duì)電子膨脹閥的開度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)?？刂频目驁D如圖10所示:

圖10 電子膨脹閥的控制框圖

VCU讀取壓縮機(jī)進(jìn)口或蒸發(fā)器出口的溫度和壓力信號(hào),計(jì)算出實(shí)際過(guò)熱度,再與系統(tǒng)控制目標(biāo)過(guò)熱度比較,按照目標(biāo)過(guò)熱度,完成電子膨脹閥開度PID自動(dòng)調(diào)節(jié)。備注:過(guò)熱度高于目標(biāo)值,需增大開度,過(guò)熱度小于目標(biāo)值,需減小開度。

六、總結(jié)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)在目前已成熟的雙蒸發(fā)器電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,利用VCU、空調(diào)控制器、壓縮機(jī)控制器通過(guò)CAN網(wǎng)路進(jìn)行通信交互,共同完成對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的控制。充分考慮換熱器結(jié)霜等核心問(wèn)題,開發(fā)完全滿足既定要求的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

[1]馬國(guó)遠(yuǎn)，史保新，等.電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究[J].低溫工程，2000.

[2]謝 卓，陳江平，等.電動(dòng)車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析[J].汽車工程2006，28(8).

[3]歐陽(yáng)光.熱泵型電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究[D].華南理工大學(xué)，2011.

[4]陳 東,謝繼紅.熱泵技術(shù)及應(yīng)用[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[5]陳孟湘.汽車空調(diào)[M].上海交通大學(xué)出版社，2001.

（責(zé)任編輯：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

劉健豪(1989-),男,安徽馬鞍山人,工程師,研究方向:電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)。E-mai:934160484@qq.com.