电动汽车水源热泵空调系统开发及试验研究

本文以电动车水源热泵空调系统为研究对象,通过理论和仿真计算不同工况的电机发热量,开发了集成阀水源热泵空调系统和策略｡采用环模测试的方法,分析水源热泵及风源热泵性能差异｡实验结果表明:在同一环境温度和目标温度舒适性,水源热泵系统能效比(COP)是风源热泵系统1.2倍左右,提高整车的续航里程;在非恶劣严寒地带,取消高压PTC的水源热泵系统能够满足乘客的采暖舒适性｡

关键词：电动汽车;水源热泵;9通集成阀

作者：赵家威1,岳敏2,徐杰明1,寿叶波1,宋立彬1

1.雷达新能源汽车(浙江)有限公司,浙江杭州;

2.上海中建申拓投资发展有限公司,上海

近年来,在国家政策和环保节能的消费理念促进下,纯电动汽车市场快速发展,全球的汽车研发团队都在致力于开发出能耗低､智能舒适的电动汽车[1]｡近年来,热泵空调系统开始成为电动汽车热管理技术发展方向[2-3],但研究多是风源热泵系统[4-5],而水源热泵研究很少｡

电动汽车热管理系统技术应用直接影响整车的动力安全､续航里程以及成员舒适性,热管理系统的优化是现在电动汽车开发一个重要方向[6-7]｡于会涛等介绍了多回路的电动汽车热管理系统,并对该系统优化改进｡

理论研究

新型热泵空调系统架构

本文参考行业技术及工业制冷系统原理,设计一种新型热泵空调系统,如图1所示,改进风源热泵系统(图2),设计9通集成阀的水源热泵系统,电机､电池的热量(自发热和余热)通过阀组件导流到Chiller回路,冬季热泵Chil-ler端吸气端冷媒温度稳定在10℃左右(较常规风冷热泵提高20℃),规避了传统风源热泵的结霜问题,高效工作环境温度从-8℃下探至-20℃,降低PTC功率或取消PTC,降低系统成本｡

热管理系统热量计算或仿真

本文研究的水源热泵电动车匹配的动力电池容量100kW·h,前电机功率200kW,后电机功率150kW｡驱动系统电机具有主动发热功能,发热量约3kW｡

电机运行发热量由两部分组成:1)电池本体材料热阻(水侧)及电池包周边(空气侧)损失;2)电池充放电自身产生的热量｡电池包热阻及周边总散热量热力学计算公式如(1)所示:

式中,Cw=10-12,电机液冷水换热因子,J/(kg·K);

行使工况电机驱动余热发热量根据热力学进行仿真计算,其与车速､爬坡度､风阻,电机的扭矩功率､效率有关,更为准确｡不同行使工况电驱系统余热量仿真结果如图3和图4所示｡其中高速(80km/h)工况发热量为0.9kW,市郊工况发热量为1kW左右｡

水源热泵空调系统策略

本文开发了基于9通集成阀低温热泵空调系统及策略,并做了相关实验研究｡

9通集成阀热管理策略

本文研究的九通阀不同模式切换运用电机电池热量(余热及主动热量),提升冬季空调性能,降低能耗｡

冬季工况环境温度低,运行热泵空调系统模式:关闭HVAC的蒸发器工作阀,Chiller作为蒸发吸热端,水冷冷凝器作为内冷换热器｡水冷冷凝器换热后产生的热水通过三通水阀分配和九通阀的模式切换,按比例进入暖风芯和电池水回路,完成乘员舱和电池制热的能量分配｡

1)行使工况,电机工作产生的余热中温水通过九通阀1-8进入Chiller回路,9-3出来循环;进入Chiller水回路的热量通过Chiller吸收,热泵空调运行压缩制冷剂换热至水冷冷凝器,再通过水冷冷凝器水端换热至HVAC暖风芯体出暖风给车内乘员提供舒适的暖风｡

2)怠速工况,冷媒换热效率降低,车内温度热量需求大,热泵系统利用环境温度吸热运行效果不佳,此时通过九通阀切换,将1-8,3-9口连接,串联电机散热和Chil-ler水回路,并且利用电控方法堵转电机产生热量,提高Chiller进水温度,提高蒸发温度和冷凝温度,提高热泵运行效率,提高空调暖风温度和效率｡

3)夏季工况,压缩机吸收蒸发器出来的低温冷媒,压缩至WCDS水冷冷凝器,经过水冷冷凝器冷凝后进入蒸发器蒸发制冷,给车内乘员降温;水冷冷凝器的热量通过九通阀里的5-4/2-1阀口与电机冷却系统统一通过散热器散热｡如电池有冷却需求,Chiller打开制冷冷却水通过九通阀的9876阀口转换给电池包冷却｡

水源热泵空调系统压缩机策略

水源热泵和风源热泵空调系统性能有较大差异,系统策略也是一方面｡热泵系统策略主要是电动压缩机的策略,风源热泵压缩机转速主要依据内冷冷凝器目标温度､冷凝压力,辅助蒸发温度吸气温度和和低压值｡水源热泵与风源热泵相同之处有常规的冷凝温度､压力(这里是水冷冷凝器),以及吸气的蒸发温度压力｡但水源热泵对冬季电机水温的温度值有个反馈压缩机转速调整策略,保证吸热平衡｡

水源热泵系统压缩机转速根据水冷冷凝器出口水温为控制目标,空调压缩机目标转速采用PID控制算法,后续标定优化｡

式中,nAC为空调压缩机转速(r/min);F为前馈转速;P为P部分运算参数;K为I部分运算参数;ΔtLCCW为水冷冷凝器出口水温与目标温度差值℃,计算如下:

压缩机转速同时参考Chiller热源的电机水温,电机水温低于-10℃,基R134a冷媒物性,热泵吸热性能不足,此临界点会启动电机主动加热功能提升电机水温｡

实车测试条件

在环境模拟实验室中做了热泵系统实车做了试验研究,环境模拟实验室按照国际标准建设,可以完成-25℃以上的低温试验,试验方法和数据处理均依据中国汽车行业标GB/T12782-91《汽车采暖性能试验方法》｡在环境温度-20℃-5℃之间做了三个温度环境､工况为怠速､高速和市郊三种典型的热泵空调采暖工况,试验过程及参数采集正常｡

试验结果分析

电动压缩机作为热泵系统关键零部件,其运行策略是冬季工况电动汽车热泵采暖性能的重要部分｡压缩机的策略标定实验不仅可以验证控制策略的有效性和可靠性,更重要的是寻找不同工况下的最佳压缩机转速,以便满足空调舒适性,同时获得最优的能效比,提高EV模式的整车续航里程｡

本文标定采集冬季工况不同环境温度､不同车速工况的风源和水源热泵系统采暖试验参数,对数据结果做整理分析,验证了控制逻辑的有效性,有利于后续系统开发策略的优化｡

1.-5℃工况下风源热泵及水源热泵相关采暖温度等实验参数数据分析如图(5)和图(6)､(7)图可知,车内温度达到相同时,水源热泵比风源热泵压缩机转速低pm左右｡功率概算低300W左右(低20%),相对风源热泵水源热泵系统的COP能效比高20%,有利于整车能耗的降低｡

2.图(6)､(8)､(9),水热热泵在-5℃怠速电机主动加热使水温达到热泵运行要求;-10℃利用电机行使余热,-18℃电机行使余热不足,辅助了电机主动加热,使电机水温达到要求｡三者都没有高压PTC加热,车内温度能够达到23-24℃,达到冬季舒适性要求;节省了PTC零件,降低系统成本｡

3.如图10所示,环境温度越低,水泵热泵压缩机转速要求越高,-18℃压缩机转速6500rpm,需要结合NVH噪音性能标定系统策略｡

4.图10所示,-5℃车辆怠速(车速0),电机堵转辅助加热,电机水温约2-3℃,比环境温度高7℃,怠速电机主动加热量1.5kW左右,符合设计要求｡-10℃和-18℃车速80km/h,电机水温比环境温度高12℃,实测热量与1.2仿真数据相符｡

结论及展望

本文开发研究了集成阀式水源热泵系统及策略,分析冬季试验工况数据,得出如下结论:

1)-5℃左右环境温度,相同舒适度的采暖温度,水源热泵系统能效比(COP)是风源热泵系统1.2倍左右,降低整车能耗,提升了冬季电动车的续航里程;

2)非严寒地带(≥-20℃),水源热泵的采暖舒适性尚可,其系统相对风源热泵或其它空调系统取消电加热PTC,降本增效;

3)水源热泵的压缩机转速与环境温度､冷媒温度压力､电机水温,空调温度有关,此为下一步研究重点｡

【参考文献】

1]李夔宁,邝锡金,荣正壁,等.电动汽车热管理系统的研究现状及展望[J].制冷与空调(北京),2020,20(5):60-70.

[2]韩南奎,苏林,胡莎莎,等.余热利用型电动汽车热泵系统性能实验研究[J].制冷技术,2020,40(3):69-77.

[3]赵家威,张皓,等.电动汽车热泵空调制冷剂充注量的试验研究[J].制冷技术,2017,37(2):60-63.

[4]赵家威,郭二宝.电动汽车热泵空调系统试验研究[J].安徽建筑大学学报,2014,22(5):50-53.

[5]周光辉,李海敏,崔四齐,等.电动客车热泵空调系统制冷剂充注量实验研究[J].低温与超导,2016,44(3):44-48.

[6]瞿晓华.电动汽车热系统性能及控制优化研究[D].上海:上海交通大学,2012.

[7]伍健,邹姚辉,韦杰宏.纯电动汽车热管理系统动态仿真及控制策略优化研究[J].装备制造技术,2021(3):119-123.