马小超

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

随着电动汽车热管理技术的进步，应用热泵空调逐渐成为冬季车辆制热的重要节能措施[1]。热泵空调通过吸收空气中的热量，减少使用一种正温度系数的加热器（Positive Temperature Coefficient, PTC）加热，效率则可达200%左右。但热泵空调系统也存在一定的不足。随着电动汽车使用的地域范围在不断扩大，以北京为例，冬季最低气温能达到-20 ℃。目前产业化应用的热泵空调系统主要采用与普通空调相同的R134a冷媒，一般仅能在-10 ℃以上的环境温度取得较好的使用效果[2]。拓宽热泵空调系统的低温使用环境温度范围，进一步提升热泵空调系统的热效率，已成为行业的重要命题。

1 具备余热回收功能的热泵空调系统制热工作原理

热泵的理论基础来源于热力学逆卡诺循环，热泵型空调系统的制冷和制热，均采用专用的热泵空调压缩机驱动制冷或制热循环[3]。因本文主要解决热泵空调系统低温使用环境的制热效率问题，下文重点阐述热泵空调系统低温制热及余热回收工作原理，如图1所示。

图1 余热回收热泵空调系统制热工作原理

热泵空调系统低温制热工作原理：热泵空调压缩机将高温低压的气态冷媒A，压缩为高温高压的液态冷媒B；通过车内换热器冷凝，与车内空气热交换，车内空气温度上升，冷媒温度下降，成为低温高压的液态冷媒C；再通过单向阀1和电子膨胀阀1，成为低温低压的气态冷媒D；通过车外换热器，与车外气体热交换，车外空气温度降低，冷媒温度升高，成为高温低压的气态冷媒A，进入下一轮制热循环。如此往复，实现车外热量交换至车内制热的效果。在满足一定条件下，单向阀2、电子膨胀阀2打开，余热回收换热器通过冷媒与电池、电机热交换，回收电池、电机工作时发出的余热，提升低温条件制热性能。

2 余热回收热泵空调系统设计方案及制热模式分析

2.1 设计方案

本文研究的某纯电动汽车余热回收热泵空调系统，总体上由乘员舱内换热部分、乘员舱外换热部分、动力电池舱和电驱动舱换热部分组成，有冷媒回路和冷却液回路两大回路。

主要部件包括：热泵空调压缩机；六个换热器，即车外换热器、余热回收换热器、车内换热器、车内蒸发器、动力电池换热器、车外散热器；四个电磁阀；三个电子膨胀阀，即车外换热器用电子膨胀阀、余热换热器用电子膨胀阀、动力电池用电子膨胀阀。具体设计方案的结构图如图2所示。

电池和驱动电机系统为液冷系统，工作时发出的余热，可由冷却液与通过动力电池换热器的冷媒充分热交换，供车内制热使用，从而拓宽热泵空调系统制热功能的使用温度范围，并且通过控制车外换热器电子膨胀阀和车内换热器电子膨胀阀的开度，实现余热回收利用最大化。

2.2 余热回收制热模式分析

有三种余热回收制热模式，包括余热回收换热器单独回收电机余热、余热回收换热器同时回收电机和电池余热、余热回收换热器和车外换热器同时回收空气余热。依据不同的环境温度、提供余热的电池、电机冷却液温度，控制系统自动决定具体采用哪种工作模式，如表1所示。其中，电池温度≤10 ℃，无法提供电池余热；电池温度 ≥15 ℃，才可提供电池余热。

图2 某电动车余热回收热泵空调系统结构

表1 三种余热回收制热模式

2.2.1 余热回收换热器单独回收电机余热

回收电机余热是提升热泵空调系统性能重要方式，只要存在必要性，就应尽量回收利用。余热回收换热器单独回收电机余热模式的热泵工作原理如图3所示。

具体工作过程：热泵空调压缩机将冷媒压缩为高温高压的液体，通过电磁阀1（打开），在车内换热器处与车内低温的空气热交换，车内温度升高，冷媒成为高压低温状态的气体；接着通过单向阀2，之后通过余热回收换热器电子膨胀阀，在余热回收换热器处热交换，充分吸收冷却液回路输送来的电机余热，成为低压高温的气体；接着通过电磁阀3（打开）和气液分离器，最后进入热泵空调压缩机，进入下一个制热循环。

冷却液回路将电机余热输送到余热回收换热器的过程：冷却液通过电子三通阀的V2-V1端口，接着通过五通阀的3水口和5水口，再通过余热回收换热器，最后回到驱动电机。

2.2.2 余热回收换热器同时回收电机和电池余热

当动力电池包温度较高时，电池作为一种热容量较大的系统，可以为热泵空调系统贡献较多的余热。同时回收电机和电池的余热，可进一步提高热泵空调系统的效率和使用环境温度范围。同时回收电机和电池余热的热泵工作原理如图4所示。

具体工作过程：热泵空调压缩机将冷媒压缩为高温高压的液体，通过电磁阀1（打开），在车内换热器处与车内低温的空气热交换，车内温度升高，冷媒成为高压低温状态的气体；接着通过单向阀2，之后通过余热回收换热器电子膨胀阀，在余热回收换热器处热交换，充分吸收冷却液回路输送来的电机和电池的余热，成为低压高温的气体；接着通过电磁阀3（打开）和气液分离器，最后进入热泵空调压缩机，进入下一个制热循环。

冷却液回路将电机和电池余热输送到余热回收换热器的过程：冷却液通过电子三通阀的V2-V1端口，接着通过五通阀的3水口和2水口，通过动力电池包，再通过1水口和5水口，通过余热回收换热器，最后回到驱动电机。

图3 回收电机余热进行制热的工作原理

图4 同时回收电机和电池余热进行制热的工作原理

2.2.3 余热回收换热器和车外换热器同时回收空气余热

当环境温度较低，而冷却液回路温度与空气温度相差很小时，此时电机和电池温度已趋于稳定，无余热供回收，热泵空调系统制热时主要回收空气的余热制热。为了进一步提升该种工况下的能效，一般的车外换热器和余热回收换热器共同回收空气热量。车外换热器和余热回收换热器同时回收空气余热功能的热泵工作原理如图5所 示。

图5 车外换热器和余热回收换热器同时回收空气余热功能原理图

具体工作过程为：热泵空调压缩机将冷媒压缩为高温高压的液体，通过电磁阀1（打开），在车内换热器处与车内低温的空气热交换，车内温度升高，冷媒成为高压低温状态的气体；接着通过单向阀2，之后通过余热回收换热器电子膨胀阀和车外换热器电子膨胀阀，在余热回收换热器和车外换热器处热交换，充分吸收空气中的余热，成为低压高温的气体；接着通过电磁阀3（打开）和气液分离器，最后进入热泵空调压缩机，进入下一个制热循环。此种模式冷却液回路不参与制热。

3 热泵空调系统核心控制策略

3.1 电子膨胀阀开度的PID调节策略

前述的三种制热工况，均需控制余热回收换热器或车外换热器电子膨胀阀的开度，从而得到最优制热性能。电子膨胀阀调节方式为基于排气目标温度的比例-积分-微分（Proportion Integral Differential, PID）调节，控制框图如图6所示，t为排气温度。

图6 电子膨胀阀开度PID控制框图

（1）采集排气压力、温度数据：在热泵空调压缩机排气管路出口上布置压力温度P&T传感器，直接采集排气压力与温度。

（2）确定热泵空调压缩机目标排气温度Tset。

Tset为热泵空调压缩机转速、热泵空调压缩机吸气状态、热泵空调压缩机排气状态、环境温度之间的关联式。即

式中，Tset为热泵空调压缩机目标排气温度；Tc为热泵空调压缩机排气压力对应的饱和温度；Te为热泵空调压缩机吸气压力对应的饱和温度；n为热泵空调压缩机转速；K1为热泵空调压缩机排气状态系数；K2为热泵空调压缩机吸气状态系数；K3为热泵空调压缩机转速系数；K4为环境温度系数。K1、K2、K3、K4为常数。通过试验标定得出，K1=0.3；K2=0.5；K3=1.15/100。K4基于环境温度-20℃～20℃，0～20线性差值变化。

调节系数为

式中，KP=0.3；Ki=0.05。

式中，△EEV为电子膨胀阀的目标调节开度。△EEV＞0，开度增加；△EEV＜0，开度减小。

车外换热器和余热回收换热器同时回收空气余热制热的模式，在车外换热器电子膨胀阀开度PID调节的基础上，增加对余热回收换热器电子膨胀阀开度的控制如下：

（1）先将车外换热器电子膨胀阀打开，电子膨胀阀开度基于排气目标温度进行PID调节。调节1 min，1 min后热泵空调压缩机转速、吸排气压力将相对稳定。

（2）记录此时刻的吸气压力P1，开始调节余热回收换热器电子膨胀阀开度。余热回收换热器电子膨胀阀开度从5%开始调节，每10 s增加1%，吸气压力P1会随开度增大而增大。吸气压力P1达到最大值时刻的电子膨胀阀开度即为最佳开度。

（3）热泵空调压缩机再运行1 min后，继续对车外换热器电子膨胀阀开度实施PID调节，如此循环动态调节。

（4）车外换热器和余热回收换热器同时回收空气余热模式下，车外换热器内的冷媒直接与空气换热，比通过余热回收换热器换热的能力强，无论电子膨胀阀如何调节，余热回收换热器的电子膨胀开度始终确保控制为小于车外换热器电子膨胀开度。

3.2 限定条件

为了防止异常情况，如传感器失效，需对上述电子膨胀阀开度和热泵空调压缩机目标排气温度范围做限制，防止出现功能丧失等情况。限定条件如下：

（1）余热回收换热器回收余热（含电机余热、电机+电池余热）限定条件如表2所示。

表2 余热回收换热器回收电机、电池余热限定条件

（2）车外换热器和余热回收换热器同时回收空气余热

先按PID调节方法，调节车外换热器电子膨胀阀，再调节余热回收换热器电子膨胀阀，如此循环调节。余热回收换热器电子膨胀阀开度比车外换热器至少小2%。

4 热泵空调系统节能效果

在相应温度条件下，对比测试无余热回收和有余热回收功能的两种热泵空调系统的能耗、制热量，计算能效比，对比节能效果如表3所示，节能效果最高达42.3%。

表3 热泵空调系统性能对比测试

5 总结

为了拓宽热泵空调系统的低温使用环境温度范围，进一步提升热泵空调系统的热效率，本文基于公司某款纯电动汽车，提出了一种具备余热回收功能的热泵空调系统，详细分析了工作原理，设计了以一个热泵空调压缩机，六个换热器，四个电磁阀，三个电子膨胀阀为主体的系统技术方案，重点说明了余热回收换热器单独回收电机余热、余热回收换热器同时回收电机和电池余热、余热回收换热器和车外换热器同时回收空气余热的三种重要工作模式。针对决定系统节能效果的核心部件电子膨胀阀，制定了基于排气目标温度的PID调节控制方法，并在此基础上提出了车外换热器和余热回收换热器同时回收空气余热制热模式下的余热回收换热器电子膨胀阀开度的控制方法。最后实车在黑河试验场冬季实地验证了该系统节能效果，相比当前已量产的普通的无余热回收的热泵空调有40%以上的提升。本文提出的余热回收热泵空调系统的技术方案及其三种工作模式，为当前电动汽车领域较为创新的空调技术方案，可供业内参考。