電動汽車CO2熱泵循環EXV控制仿真研究

摘?要：本文基于自然環保工質CO2的物理特性，對極低溫-20℃環境溫度下的熱泵系統運行進行理論仿真研究和預測。在不同的壓縮機轉速條件下，分析不同的EXV開度大小對CO2熱泵系統制熱性能的影響，包括壓縮機排氣溫度，排氣壓力，采暖加熱量，壓縮機耗功以及COP等重要系統性能參數，為后續CO2熱泵系統低溫下的高效運行打下基礎。

關鍵詞：CO2熱泵；膨脹閥開度；仿真；制熱性能

隨著能源危機和環境問題的加劇，汽車電動化趨勢不可逆轉。但是，在冬季工況下，采用PTC（高電壓熱敏電阻）加熱，續航里程較差。作為解決方案，空調熱泵系統［13］通過逆卡諾循環，從車外低溫空氣中吸取熱量，疊加壓縮機做功，給乘員艙加熱，提高加熱性能系數COP，大幅提升電動車冬季續航里程。但是目前主流的HFC134a熱泵僅能在-7℃以上的環境溫度正常工作，不適用于極低溫環境，而HFC134a作為強溫室氣體，又會加劇全球變暖的趨勢，造成環境破壞，因此制冷劑替代勢在必行［4］。

CO2作為自然工質，無溫室效應，無毒不可燃，是理想的環保替代制冷劑。CO2在高壓側超臨界區有較高的制熱性能［5］，吸氣密度和體積潛熱較高，以減少系統在低溫環境下的熱量衰減，達到較高的出風溫度和比較好的系統效率［6］。但是CO2跨臨界循環存在系統復雜，排氣壓力溫度高，系統狀態參數變化快，難以工作在高效運行區間的問題［7］。針對此問題，李海軍等人［8］進行了模擬計算，研究熱泵系統在低溫工況下的制熱性能衰減。

由于EXV（電子膨脹閥）的調節，對CO2熱泵系統的低溫加熱性能有著至關重要的作用，本文將在-20℃的極低環境溫度下，根據CO2熱泵系統零件參數，包括壓縮機、氣體冷卻器、EXV、蒸發器、熱芯（內部加熱器），使用Dymola軟件進行熱泵系統模型搭建。出于節能和防止車內起霧的原因，仿真不考慮冷熱風門混風換熱，完全依靠外循環進風，系統的工作狀態主要取決于壓縮機的轉速和EXV的開度。因此，仿真的目的是在不同的壓縮機轉速下，進行EXV開度變化模擬預測，找出EXV開度對系統運行的影響規律，確定超低環境溫度下的調節策略，為后續CO2熱泵系統低溫下的高效運行打下基礎。

1?系統仿真模型

CO2熱泵系統主要由壓縮機、蒸發器、氣體冷卻器、熱芯、儲液罐、EXV和截止閥組成，采暖時氣體冷卻器與熱芯串聯加熱，提高換熱面積。針對這一套熱泵系統，采用成熟度比較高的Dymola軟件［9］進行模型搭建和仿真。

仿真采用的壓縮機為CO2轉子式壓縮機，通過壓縮機的結構特性參數，考慮壓縮機的容積效率，機械效率等效率，建立壓縮機工作模型，并對壓縮機的質量流量，排氣溫度和功耗進行仿真計算；對于蒸發器、氣體冷卻器、暖芯這些換熱器，則結合各自平行流換熱器屬微通道換熱特性，采用一維有限元方法將劃分網格，結合幾何參數進行性能計算。其中，車外蒸發器制冷劑側傳熱系數采用GnielinskiDittusBoelter關聯式［10］，車內氣體冷卻器和暖芯制冷劑側傳熱系數采用KIND等關聯式［11］，制冷劑壓降系數采用SWAMEE等關聯式［12］，空氣側傳熱系數采用WANG等［13］的實驗關聯式。根據EXV通過步進電機等手段使閥芯產生連續位移，從而改變制冷劑的流通面積的原理，按照動量方程和能量守恒建立EXV模型。最后，根據各部件之間的耦合特性聯系，建立熱泵系統仿真模型。根據武悅等人［14］利用Dymola在多種低溫工況下，對串聯式CO2熱泵系統進行仿真，并與試驗數據進行對比，驗證了制熱性能的仿真誤差可控制在5%以內。

2?制熱仿真結果

2.1?膨脹閥開度對排氣影響

為了滿足乘員艙加熱采暖需求，在-20℃的低溫環境下，壓縮機需要在比較高的轉速下運行。由于較高的高低壓壓差，此時膨脹閥開度的太小，會導致壓縮機溫度和壓力超過極限值。如圖1所示，壓縮機轉速為2000rpm時，由于轉速較小，排氣溫度1～11℃，不適用于實際工況；壓縮機轉速為8000rpm時，膨脹閥開度100對應的排氣溫度為200℃，排溫排壓過高，超過了壓縮機和系統的溫度極限值（>150℃），也不適用于實際工況。并且在這種極端高溫高壓工況下，潤滑油產生不可逆的化學反應（如碳化等），壓縮機就會失去潤滑效果，無法正常工作。而壓縮機轉速為8000rpm，膨脹閥開度為300時，排氣溫度為130.1℃，有效降低了壓縮機的高壓以及壓縮比，避免進入極限工況。

2.2?膨脹閥開度對加熱量和功耗的影響

熱泵系統加熱量隨著膨脹閥開度的增大減小，如圖2所示。這是因為，在-20℃的環境溫度以及空調進風溫度下，隨著膨脹閥開度的增加，壓縮機排溫排壓下降非常快，導致車內加熱溫差快速減少，降低加熱量。另外，由于排氣壓力的大幅下降，而吸氣壓力由于受外界溫度的影響沒有明顯變化，也會導致壓縮機的壓縮比大幅下降，導致壓縮機做功變少，從而也會降低最后的加熱量。壓縮機轉速越高，這種加熱量的下降趨勢越發明顯。例如，當壓縮機在8000rpm時，如果膨脹閥開度為100，車內加熱量為87kW，而膨脹閥開度300時，車內加熱量為6.97kW，加熱量下降幅度為1.73kW。但是當壓縮機轉速為4000rpm時，相應的加熱量降幅為1.15kW，這說明在極低溫環境工況下，壓縮機的轉速越高，吸排氣壓比越大，膨脹閥的開度對加熱量和壓縮機功率的影響越大。因此，在需要比較大的加熱量時，需要盡量保持大的壓縮機轉速和小的膨脹閥開度，通過大溫差提高換熱量，實現快速制熱。

2.3?膨脹閥開度對COP影響

系統采暖系數COP體現的是熱泵系統的整體運行效率，直接決定電動汽車的電能熱能的轉化率，影響電動汽車在冬季的續航里程。同時，COP是熱泵系統的一個綜合指標，需進行綜合考慮，如圖3所示，在不同的壓縮機轉速下，閥開度對系統COP的影響。由圖可知，壓縮機轉越低，系統的COP越高，因為此時高低壓比較小，壓縮機做功較少。例如，壓縮機轉速在2000rpm時，COP可達到較高的4以上，但是此時壓縮機排氣溫度和加熱出風溫度過低，不能符合正常的冬季采暖加熱需求。同時，不同的壓縮機轉速和排量，對閥開度的調節區間也不一樣：在壓縮機轉速較低時，由于整體排氣溫度和制冷劑流量較低，閥的開度不宜過大，否則導致過小的車內換熱溫差和低的系統COP，比如在低壓縮機轉速4000rpm，膨脹閥開度為中間值200時，COP為最高2.64；但是在壓縮機轉速較高時，由于整體排氣溫度和制冷劑流量較高，加大膨脹閥的開度可以將排氣溫度和加熱量控制在適宜的水平，且能夠大幅減少壓縮機耗功，提高系統COP效率，比如高壓縮機轉速8000rpm，膨脹閥開度為較大值300時，COP為最高1.74。

3?結論

本文在-20℃的極低溫環境下，進行了在不同壓縮機轉速下的膨脹閥EXV開度仿真分析，主要結論如下：

（1）在-20℃的極低溫環境下，壓縮機需要運行在比較高的轉速區間，才能得到合適的排氣溫度和出風溫度。此時，膨脹閥開度不宜過小，否則會導致壓縮機溫度和壓力超過上限。

（2）壓縮機高轉速工況下，膨脹閥的開度對加熱量和壓縮機功率的影響比較大。通過盡量小的膨脹閥開度（開度<300），通過大溫差提實現較高的換熱量（>6.97kW）。

（3）不同的壓縮機轉速和排量下，閥開度的調節不一樣：加熱需求較小時，壓縮機轉速較低（<4000rpm），排氣溫度和制冷劑流量較低，閥的開度為中間值200時，COP最高2.64；加熱需求大時，壓縮機轉速較高（8000rpm），需加大膨脹閥的開度，達到高COP效率（1.74）。

（4）綜上所述，CO2熱泵系統在-20℃的極低溫環境溫度下，通過調節EXV，完全可以滿足正常的車內采暖加熱需求，且整體能量利用效率COP能夠保持在1.5～2.5之間，為今后CO2熱泵系統的試驗研究和產業化應用提供有益的參考。

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*通訊作者：楊堅（1986—?），男，漢族，江西人，碩士，工程師，研究方向：汽車空調系統及控制。