论文分享Ryf纯电动汽车双
电动汽车空调是电动汽车排序第2位的耗能大户，因此高效节能的空调系统对于提升电动汽车续航里程以及开拓市场具有非常积极的促进作用。目前电动汽车空调冬季取暖基本采用PTC电加热器获取热量，该系统不属于节能高效的空调系统。另外由于Ｒa热泵空调系统中的制冷剂Ｒa不是环保制冷剂，且在工况比较恶劣的条件下系统的制热能效比CCOP降低显著［1］。同时，CO2汽车热泵系统与Ｒa热泵系统存在同样的问题，如在外部换热器表面结霜和低温环境条件下存在性能恶化的情况［2］。因此，有必要对电动汽车空调系统进行改进。
对于电动汽车空调系统的改进，国内外已经进行了很多研究。有人提出PTC电加热器加驱动电机冷却水制热的方案，用驱动电机冷却水的热量来减少热敏电阻(positivetemperaturecoefficient，PTC)电加热器电量的消耗。Yokoyama等［3］开发了一种名为ThermalLinkSystem的模拟系统来分析电动汽车热管理系统，使热泵系统制热能效比超过3．3;B-COOL项目［4］对2种小型紧凑型车辆进行了CO2汽车空调试验，发现CO2系统消耗的能量以及制造成本都比Ｒa系统略高;Hosoz和Direk的实验数据表明，当工作流体为Ｒa时，随着室外环境温度的降低，热泵系统性能将显著下降［5］。另外，欧盟已通过限制汽车中高全球变暖潜能值(globalwarmingpotential，GWP)制冷剂的规定［6］，汽车空调需寻求Ｒa的替代制冷剂。
针对这些问题，课题组提出了一种采用Ｒyf制冷剂的纯电动汽车的双热源热泵空调系统，对Ｒyf热泵空调系统在不同外界环境温度下的制热效果和整车能耗进行实验分析，并就车内温度和电池荷电状态(stateofcharge，SOC)变化与PTC电加热进行对比实验研究。
1电动汽车热泵空调系统方案及实验设定1．1热泵空调系统方案设定为了避免汽车在运行条件比较恶劣时，四通阀的移动块可能会由于长期振动或外部撞击而不起作用，课题组采用内外冷凝器并联布置形式的3个换热器作为热泵系统方案，其原理如图1所示。
由图1可知，设计的热泵空调系统可进行制冷，制热，除雾和除霜等多种工作模式的切换。
制冷模式:电磁阀3，8和16关闭，7打开，制冷剂由压缩机1→外部换热器4→单向阀6→干燥储液罐13→膨胀阀11→内部蒸发器10→气液分离器2→压缩机1。
制热模式:电磁阀7关闭，3，8，16和19打开，制冷剂由压缩机1至内部冷凝器9后，此处有2条支路，一条到干燥储液罐13→膨胀阀5→外部换热器4→气液分离器2→压缩机1完成循环;另一条支路分出一部分制冷剂到膨胀阀14→板式换热器17→气液分离器2→压缩机1，这条支路吸收来自电机冷却水的热量。
除雾模式:电磁阀3，7和16关闭，8和19打开，制冷剂由压缩机到内部冷凝器9→干燥储液罐13→膨胀阀11→内部蒸发器10→气液分离器2→压缩机1。
除霜模式:外部换热器除霜时，工作模式与制冷模式相同，但该过程时间应尽可能少。
1．2热泵空调系统对比实验设定由于制冷剂Ｒyf与Ｒa在各方面性能较为接近［6］，Ｒyf虽然稍微有点逊色，但是在同样的工况下运行，因为Ｒyf的压缩机排气温度更低，更加有利于压缩机的工作，可以说Ｒyf是目前Ｒa最佳的直接替代物，所以课题组设计的热泵空调系统选择Ｒyf作为系统制冷剂。
本热泵空调系统应用于国产某款电动汽车，设计某一工况条件如表1所示。
针对Ｒyf的压缩循环理论计算，选择了国产某型号的涡旋压缩机作为本热泵系统的压缩机，排量为34mL/r，转速范围～r/min;电动汽车热泵空调系统中的车内外换热器均采用平行流式换热器，而与电机冷却水进行换热的换热器选用板式换热器;选择电子膨胀阀作为文中电动汽车热泵空调系统节流装置。
利用SIMULINK软件对整个热泵空调系统进行建模［7-8］，如图2所示。分别构建了车室负荷模型，电动压缩机模型，电机冷却水模型，室温计算模型和压缩机模糊控制模型等。
转矩Ttrq和转速ω是电动压缩机模型的输入变量，转速ω经过转动惯量影响模块后达到驱动电机所需的初始转矩和转速，然后利用压缩机驱动电机效率表［9］查得转矩和转速相对应的驱动电机工作效率，再由公式(1)得到压缩机驱动电机所需功率。根据当前转矩和转速，利用电动压缩机效率表［10］，可以查得其对应的压缩机工作效率。
根据压缩机的一些参数以及制冷剂热力循环可以计算出每一次蒸气压缩循环所产生的热量，将其与压缩机转速所对应的制冷剂流量相乘后可以得到总的制热量。
车室内空气的热量可以利用理想气体定压公式计算:
将已经建立电动汽车热泵空调系统SIMULINK模型嵌入到电动汽车性能仿真软件ADVISOＲ中。然后结合整车参数以及运行工况等进行性能分析，并把它与PTC电加热的性能仿真比较分析;同时分析笔者设计的电动汽车热泵空调系统在双热源条件下的制热性能、能耗和可靠性。
电动汽车的整车模型如图3所示，这个模型由软件SIMULINK构建而成。整车模型包括整车、电机、传动系统、车轮、电附件、电池以及传动控制。
2实验数据及分析2．1Ｒyf热泵制热效果分析在－10，－5和0℃的3种外界环境温度工况下，利用ADVISOＲ对Ｒyf热泵空调系统进行制热性能的仿真研究，图4、图5和图6分别为电动汽车在3种不同外界环境温度下，运行热泵空调系统后车室的温度变化曲线，车室的热负荷变化曲线以及热泵空调的制热量曲线。
由图4可知，环境温度为0℃的工况是最先达到车室的设定温度，所需时间大约2min;而外界环境温度为－5℃时，所需时间为3min左右;当外界环境温度为－10℃时，差不多需要5min。之所以会出现这样的结果是因为随着外界环境温度的不断下降，热泵系统从外界空气和电机冷却水中获取能量变得越来越困难，使得热泵空调系统的制热效率也逐渐下降，因此达到设定的温度所花的时间会越来越长。
由图5可知，不同工况下车室热负荷有着较大差异，其中外界环境温度在－10℃时热负荷最高，这是由于换热温差最大。另外可以看到不同工况下的车室热负荷的曲线都是呈现上下波动的，而且波动的幅度较大，这个是根据城市道路行驶工况模拟时车速变化引起的，车速的改变引起车身表面换热系数和漏风量发生变化。对于电动汽车来讲，要想减少空调功率的消耗，做好车身的保温隔热以及密封是很重要的。
由图6分析可得，电动汽车热泵空调系统的制热量曲线先缓慢向上而后达到顶点再逐渐下降，后面维持在较低的水平。在开始后的60s内制热量增长的很缓慢，这是因为电动车启动时热泵空调系统同时开启，而此时电机才开始工作，电机冷却水温度较低，所能提供的热量非常有限，这时候的热量基本上来源于车外空气。另外开始时电动车的车速是比较慢的，使得与外部换热器进行热交换的空气流速较慢，外部换热器的换热效率比较低，制冷剂在外部换热器中蒸发吸收的热量比较少。而整个热泵空调系统中的内部换热器和管路也有个加热的过程，吸收了一部分热量。当车室内温度逐渐达到设定温度18℃时，两者温差减小，模糊控制压缩机的转速降低并维持较低转速，使得热泵空调制热量一直稳定在很低的水平。
2．2Ｒyf热泵系统与PTC电加热制热效果对比在－10，－5和0℃的3种外界环境温度工况下，利用ADVISOＲ对Ｒyf双热源热泵空调系统和4kW的高压PTC电加热器的制热情况进行仿真，仿真结果如图7所示。2种系统各自对于电动汽车整车电池SOC(电池荷电状态)的影响的仿真结果如图8所示。
从图7可以看出，无论在何种工况下，在车子刚开始启动的1min内PTC电加热的温升要快于Ｒyf热泵系统。这是因为PTC电加热器本身发热快，热量高，可以快速加热空气;而热泵系统由于车子刚启动不久存在自身部件热容和电机冷却水热量不足的问题。车启动一段时间后，因为热泵系统的制热能效比大于1，且电机冷却水的温度升高后能提供更多的热量来源，Ｒyf热泵系统的温升快于PTC电加热。在3种工况下，热泵系统均比PTC电加热系统制热更早的达到目标温度。
从图8可以看出，外界环境温度越低，加热系统消耗的电池能量越多，电池荷电状态下降曲线也越陡峭些。另外，对比热泵系统和PTC电加热系统，无论哪种工况下，PTC电加热系统的耗电量是要高于热泵系统的。而且工况温度越低，2个系统的电池能量消耗差距也越大。环境温度为－10℃时，热泵空调系统比PTC电加热系统节约电池能耗14%左右;环境温度为0℃时，节能5%左右。这也验证了热泵系统比PTC电加热系统的能耗更低。
2．3电动汽车Ｒyf热泵空调系统对整车能耗的影响文中就热泵空调系统对整车能耗的影响进行仿真结果分析。图9为不开启热泵，图10～12为开启热泵系统在不同工况下整个电动汽车的循环工况。由于各曲线后面逐渐趋于稳定，故截取仿真时长s，约为24min。
图9是不开启热泵空调的仿真结果。整个仿真过程结束，电动汽车电池的电池荷电状态值下降了0.24，驱动电机的温度由－10℃上升到了40℃，这里未开启热泵空调系统，所以电附件中的空调消耗的电功率为0。
从图10～12可以看到，在仿真过程的前s，由于电动汽车车速的提升以及汽车热泵空调的开启，所需的电功率很大，使得电动汽车电池的电量消耗得很厉害，电池荷电状态的曲线较为陡峭;后面随着车速稳定，车室内温度的提升，使得热泵空调消耗的功率逐渐较少，电池荷电状态曲线下降变得较为平缓。在开启热泵系统时，当外界环境为－10℃时，电池荷电状态值下降了0．27，驱动电机的温度由－10℃上升到了1℃;当外界环境为－5℃时，电池荷电状态值下降了0.23，驱动电机的温度由－5℃上升到了6℃;当外界环境为0℃时，电池荷电状态值下降了0．21，驱动电机的温度由0℃上升到了8℃。由此得知电动汽车热泵空调利用电机冷却水作为热量来源，不仅降低了电动汽车电池的电池荷电状态消耗，同时也使驱动电机温升减小，更加有利于电机的工作效率。
3结论以国产某型号纯电动汽车为匹配对象，利用MATLAB/Simulink软件对设计的热泵系统进行建模，将构建的电动汽车热泵空调系统模型导入仿真软件ADVISOＲ中，实现对Ｒyf热泵系统的联合仿真。模拟分析外界环境温度在－10～0℃情况下，电动汽车在城市工况条件下热泵系统同PTC加热器的采暖效果和能量消耗，得到以下结论:
1)以驱动电机冷却水和空气为双热源的热泵空调系统制热的温升效果优于PTC电加热系统，消耗的电池能量较少。
2)Ｒyf热泵系统利用电机冷却水的热量在提高系统制热效率的同时，也降低了电机的温升，提高了驱动电机的工作效率。
3)由车室热负荷曲线可以知道，提高车身围护结构的保温可以减少空调功率的消耗。
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