電動汽車熱泵空調系統的控制研究

鄭淳允

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院 廣東省廣州市 511434）

當前，電動汽車逐漸進入千家萬戶，研究熱泵空調系統對電動汽車乘坐的舒適性、安全性和節能環保具有重要的意義[1]，合理的系統控制即可延長電動汽車的續航里程，又可以使空調系統得到較好的制冷、制熱、電池冷卻效果，因此，我們有必要對電動汽車熱泵空調系統的控制進行研究，使熱泵空調能發揮更佳效能，促進電動汽車的普及化。

1 電動汽車熱泵空調系統的組成和工作原理

電動汽車熱泵空調系統主要是由電動壓縮機、室外冷凝器、水冷冷凝器、氣液分離器、HVAC 總成、空調控制器、電子膨脹閥、管路和閥組成，見圖1 所示，主要特點是采用水冷冷凝器實現壓縮機高溫高壓制冷劑與冷卻回路的冷卻液進行換熱[2]。

電動汽車熱泵空調的工作原理包括制冷和制熱循環，制冷循環為壓縮機排出的高溫高壓制冷劑流到車外的冷凝器向車外釋放熱量；制冷劑被冷卻、環境空氣被加熱。放熱后的制冷劑經膨脹閥節流成為低溫低壓狀態，低溫低壓制冷劑流經車內的蒸發器從乘客艙吸收熱量，提供舒適性[3]。制熱循環為制冷劑的流向同制冷模式相反。壓縮機排出的高溫高壓制冷劑首先流到車內的換熱器向車外釋放熱量；制冷劑被冷卻、車內空氣被加熱，放熱后的制冷劑經膨脹閥節流成為低溫低壓狀態，低溫低壓制冷劑流經車外的換熱器從環境空氣中吸收熱量[4]。

圖1：汽車熱泵空調系統組成

2 電動汽車熱泵空調系統控制概要

電動汽車熱泵空調系統的控制主要是面板控制、TAO值的演算、室外冷凝器的結霜判定，工作模式的判定和切換，以及壓縮機目標轉速的決定等，見圖2 所示。

圖2：電動汽車熱泵空調控制概要圖

3 電動汽車熱泵空調系統控制方法

電動汽車熱泵空調系統的控制主要是工作模式的判定、結霜判定及除霜控制、目標水溫控制和電池冷卻控制等，下面具體說明這幾方面的控制情況。

3.1 工作模式的控制

電動汽車熱泵空調系統的工作模式的控制有制冷、電池冷卻、制熱和除霜等模式。

根據電池冷卻和除霜（DEICE）的要求，外氣溫度傳感器采集到的外氣溫度（TAM），計算目標吹出溫度（TAO），計算公式見（1），從而判定出是制冷模式（COOL）、制熱模式（HEAT），還是除霜模式（DEICE），見圖3 所示。

式中，TAO：目標吹出溫度，℃

Tset：設定溫度，℃

Tr：內氣溫度，℃

Tam：外氣溫度，℃

Ts：日照量，W/m2

C：修正常數

K(x)：權重系統

有電池冷卻要求時，制冷模式優先，目標吹出溫度的調整需要通過控制PTC 實現，見圖4 所示；無電池冷卻要時，通過外氣溫度和目標吹出溫度的關系來判定工作模式，見圖5 所示，中間區域通過追加吸入溫度條件來判定制冷或制熱模式。

表1：熱泵空調電池冷卻電子膨脹閥目標開度控制

圖3：電動汽車熱泵空調控制工作模式判定流程圖

圖4：有電池冷卻的溫度圖

圖5：無電池冷卻的溫度圖

3.2 結霜判定及除霜控制

電動汽車熱泵空調系統的結霜判定和除霜判定要根據制冷劑吸入溫度來推斷室外冷凝器的結霜情況，從而判定是否進入除霜模式，在進入除霜模式后根據除霜持續時間或者制冷劑吸入溫度判定是否解除除霜模式。此外制冷劑吸入溫度及持續時間的具體值，要根據車輛及空調系統狀態，最終值需通過臺架試驗、風洞及實車標定結果確定，模式判定流程圖見圖6。

圖6：電動汽車熱泵空調結霜和除霜工作模式判定流程圖

圖7：電動汽車熱泵空調壓縮機轉速控制示意圖

圖8：電動汽車熱泵空調制冷與電池冷卻示意圖

3.3 壓縮機轉速控制

汽車空調在制熱時，壓縮機轉速的控制是以目標吹出溫度控制為目標，燃油車空調系統的目標吹出溫度是與蒸發器溫度、混合風門開度和暖風芯子水溫有關，由于蒸發器溫度變化較大，故需要在蒸發器不結霜前提下，使蒸發器溫度盡量低，以此目標來控制壓縮機轉速。電動汽車熱泵空調系統的壓縮機轉速控制則與燃油車空調系統的不同，熱泵空調的目標吹出溫度是與暖風芯子水溫和壓縮機轉速成正比，而且熱泵空調的暖風芯子水溫變化量較大，蒸發器溫度和混合風門的開度變化量較小，這樣，熱泵空調的壓縮機的轉速控制是以暖風芯子的水溫為目標進行控制，如圖7 所示。

3.4 電池冷卻控制

電動汽車熱泵空調系統的電池冷卻通過水冷冷凝器進行制冷劑和水的熱交換，冷卻水對電池進行冷卻，從而達到降溫的目的，見圖8 所示。電池冷卻回路主要依靠電子膨脹閥的開度進行控制，根據電池ECU 發出的冷卻要求指令，實施4 段開發控制，見表1 所示。隨著電子膨脹閥的開度變大，空調制冷能力可能惡化，為了防止制冷能力過度惡化，將會與蒸發器溫度為目標提高壓縮機轉速。

4 結束語

本文是對電動汽車熱泵空調系統控制方法的進行了研究，包括了工作模式的控制、結霜和除霜的控制、壓縮機轉速的控制以及電池冷卻的控制等，通過這些控制，使得電動汽車熱泵空調系統能效比高，續航里程延長，相比傳統空調系統，可在冬季提升35%。節能性方面也表現較好，相比于采用PTC 加熱方式，熱泵空調可實現40%的節能[5]。在除霜方面，由于更加的精確控制，電動汽車熱泵空調系統的除霜時間也大為減少，有效提高了制熱時間，提升了熱泵空調系統的使用效率。總的來說，這些控制方法使得電動汽車熱泵空調系統在舒適性、安全性和節能性等方面得到有效提升，效果良好。

本文的主要創新點是研究了電動汽車熱泵空調系統四種控制方面，全面覆蓋了熱泵空調系統的控制點，這些控制方法提升了制冷、制熱、除霜等的性能，具有實用性、先進性等。