夏彬彬,田鎮(zhèn),楊林,谷波.基于AMESim和Matlab的純電動(dòng)汽車雙熱源熱泵建模與仿真研究[J].汽車技術(shù),2016(09):57-62.

摘要：

針對(duì)現(xiàn)有純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)廢熱品位低，難于直接用于車內(nèi)制熱的問題，提出一種基于空氣和驅(qū)動(dòng)電機(jī)廢熱的雙熱源熱泵系統(tǒng)。利用AMESim 和Matlab 聯(lián)合仿真技術(shù)建立了純電動(dòng)汽車雙熱源熱泵系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型，在仿真模型的基礎(chǔ)上，對(duì)制熱工況下系統(tǒng)性能以及控制策略進(jìn)行研究。結(jié)果表明，該熱泵系統(tǒng)可有效回收驅(qū)動(dòng)電機(jī)的廢熱，減輕車外換熱器的負(fù)荷；與空氣源熱泵相比，系統(tǒng)的制熱性能有所提高；同時(shí)建立的仿真模型能夠較準(zhǔn)確地模擬系統(tǒng)實(shí)際的動(dòng)態(tài)性能，從而縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

1 前言

與傳統(tǒng)燃油汽車相比，純電動(dòng)汽車在冬季沒有足夠的余熱供車內(nèi)采暖，目前一般采用PTC（Positive Temper?ature Coefficient）電加熱的方式進(jìn)行制熱，但因其能效比小于1，制熱消耗的電能嚴(yán)重降低了整車的續(xù)駛里程。由于熱泵空調(diào)制熱效率高、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，使得其在純電動(dòng)汽車上的應(yīng)用研究受到越來越多學(xué)者的關(guān)注[1~4]。但目前的研究主要是針對(duì)單一空氣源熱泵系統(tǒng)，而這類系統(tǒng)在制熱工況下，車外換熱器負(fù)荷大，長時(shí)間運(yùn)行易結(jié)霜，大大削弱了系統(tǒng)的制熱性能[4]，同時(shí)未能有效回收電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的廢熱來進(jìn)一步解決純電動(dòng)汽車冬季運(yùn)行時(shí)的“續(xù)駛里程焦慮”問題。

針對(duì)上述問題提出了一種基于空氣熱源和驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻液廢熱源的雙熱源熱泵系統(tǒng)，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用AMESim和Matlab聯(lián)合仿真技術(shù)建立了動(dòng)態(tài)仿真模型，結(jié)合城市道路循環(huán)工況UDDS對(duì)系統(tǒng)性能和控制策略進(jìn)行了研究。

2 純電動(dòng)汽車雙熱源熱泵系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車雙熱源熱泵系統(tǒng)（下稱雙熱源熱泵系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙熱源熱泵系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑通過板式換熱器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)側(cè)冷卻液進(jìn)行熱量交換，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的廢熱回收?？紤]到空氣側(cè)和冷卻液側(cè)的蒸發(fā)背壓不同，選用電子膨脹閥A和電子膨脹閥B分別做板式換熱器和車外換熱器的膨脹裝置。

雙熱源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的工作模式如下。

a. 在制冷工況下，通過打開電磁閥D，關(guān)閉電磁閥B、A、C，制冷劑依次經(jīng)過壓縮機(jī)→四通閥→車外換熱器→電子膨脹閥B→干燥器→車內(nèi)換熱器→四通閥→氣液分離器→壓縮機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的冷卻液依次經(jīng)過水泵→驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)→驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻液換熱器→水泵，從而實(shí)現(xiàn)車內(nèi)的制冷和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的熱管理。

b. 在制熱工況下，通過打開電磁閥A、C，關(guān)閉電磁閥B，制冷劑依次經(jīng)過壓縮機(jī)→四通閥→車內(nèi)換熱器→干燥器，并根據(jù)電子膨脹閥A、B 的開度，分別經(jīng)過電子膨脹閥B→車外換熱器和電子膨脹閥A→板式換熱器，最后經(jīng)過四通閥→氣液分離器→壓縮機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的冷卻液依次經(jīng)過水泵→驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)→板式換熱器→水泵，從而動(dòng)態(tài)地回收利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的廢熱。

3 雙熱源熱泵系統(tǒng)仿真模型

利用Matlab和AMESim聯(lián)合仿真技術(shù)[5，6]搭建了雙熱源熱泵系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。

該模型中，雙熱源熱泵物理模型在AMESim環(huán)境下搭建，并通過編譯生成S函數(shù)的方式嵌入到Simulink模型中，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真[7]。熱泵物理模型根據(jù)工況模型和策略模型的輸出，求解出雙熱源熱泵系統(tǒng)各部件的狀態(tài)參數(shù)，并反饋給控制模型作為系統(tǒng)控制策略的控制依據(jù)。

3.1 工況模型

在車輛運(yùn)行過程中，影響雙熱源熱泵系統(tǒng)工作的參數(shù)包括車速和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的廢熱功率。在工況模型中，通過查詢工況數(shù)據(jù)表確定車輛運(yùn)行的速度和驅(qū)動(dòng)電機(jī)廢熱功率，工況數(shù)據(jù)表是通過汽車仿真軟件Advisor[8]計(jì)算獲取。Advisor仿真計(jì)算中的車輛仿真參數(shù)如表2所列，驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性曲線如圖3所示。

3.2 物理模型

利用AMESim軟件提供的空調(diào)模塊庫搭建的雙熱源熱泵系統(tǒng)物理仿真模型如圖4所示，其中各模塊的參數(shù)按表1進(jìn)行配置，本文側(cè)重于制熱工況下的研究，因此對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕瘉砑涌烨蠼馑俣取?

簡化內(nèi)容如下：

a. 忽略各部件間以及連接管路間的熱交換；

b. 將制冷劑在壓縮機(jī)的壓縮簡化為絕熱壓縮；

c. 將制冷劑在電子膨脹閥的膨脹簡化為絕熱膨脹；

d. 將四通換向閥、電磁閥簡化為一段有壓降的管路；

e. 將驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻液回路簡化為等效熱容；

f. 將板式換熱器簡化為換熱能力相當(dāng)?shù)膿Q熱肋片；

g. 將風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量和電耗功率簡化為線性函數(shù)，

其函數(shù)關(guān)系為：

3.3 控制策略模型

雙熱源熱泵系統(tǒng)在原理上與變制冷劑流量多聯(lián)式（Variable Refrigerant Volume, VRV）空調(diào)系統(tǒng)相似，根據(jù)文獻(xiàn)[9]~文獻(xiàn)[12]中關(guān)于VRV空調(diào)系統(tǒng)的研究，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)目標(biāo)是維持車內(nèi)的設(shè)定溫度，電子膨脹閥的調(diào)節(jié)目標(biāo)是維持蒸發(fā)器的過熱度，依據(jù)此設(shè)計(jì)了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥控制策略模型，如圖5所示。

車內(nèi)風(fēng)機(jī)由駕駛員調(diào)節(jié)，模型中設(shè)定始終以最大風(fēng)速工作；車外風(fēng)機(jī)的控制模型如圖6所示，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻液散熱器和車外換熱器均安裝在車輛前端，故車外風(fēng)機(jī)的控制根據(jù)當(dāng)前是否需要散熱以及車速共同決定。

當(dāng)需要散熱時(shí)，車外風(fēng)機(jī)需求比率εfan 按照車輛速度進(jìn)行修正，其函數(shù)關(guān)系為：

驅(qū)動(dòng)電機(jī)可承受的最高溫度為120 ℃[13]，考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)安全高效運(yùn)行以及傳熱溫差的影響，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻液溫度控制在80 ℃以內(nèi)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻液換熱器的控制采用二位控制，其控制規(guī)則為：當(dāng)電機(jī)冷卻液溫度大于70 ℃時(shí)開啟；當(dāng)電機(jī)冷卻液溫度小于60 ℃時(shí)關(guān)閉。

4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的動(dòng)態(tài)仿真精度，在環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行熱泵系統(tǒng)啟動(dòng)工況下的性能試驗(yàn)，試驗(yàn)中控制模擬車速為40 km/h，環(huán)境溫度為2 ℃，濕度為50 %，輻射強(qiáng)度為0，蒸發(fā)器出口過熱度為5 ℃，廢熱功率為0?？紤]到負(fù)荷和舒適性，采用20 %新風(fēng)和80 %回風(fēng)。環(huán)境艙的結(jié)構(gòu)如圖7所示，環(huán)境艙的溫度和風(fēng)速分別由空氣處理單元和風(fēng)機(jī)控制，光照由白熾燈模擬。

圖8~圖11 為2 ℃環(huán)境溫度下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min、車內(nèi)外風(fēng)機(jī)全開、系統(tǒng)啟動(dòng)后1 200 s壓縮機(jī)吸排氣壓力以及換熱器進(jìn)出口溫度變化曲線。由圖可看出，雖然各參數(shù)仿真值與試驗(yàn)值還存在一定偏差，但變化趨勢基本保持一致，能夠體現(xiàn)制冷系統(tǒng)實(shí)際的動(dòng)態(tài)反應(yīng)。通過分析可知，由于制冷劑在壓縮機(jī)中并不是理想的絕熱壓縮，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)的吸、排氣壓力偏小，而車外換熱器由于運(yùn)行過程中溫度低于0 ℃，表面會(huì)結(jié)霜，使得其換熱效率下降，從而導(dǎo)致其出口溫度有緩慢下降的趨勢。

5 仿真結(jié)果分析

選取UDDS城市道路循環(huán)工況進(jìn)行路況仿真，由于車內(nèi)溫度調(diào)節(jié)及冷卻液溫度的變化需要較長時(shí)間，因此在2 ℃的環(huán)境溫度下循環(huán)仿真3 600 s，該仿真循環(huán)中車速和驅(qū)動(dòng)電機(jī)廢熱功率隨時(shí)間的變化曲線如圖12和圖13所示。其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)廢熱功率曲線中的尖峰是由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)短時(shí)間內(nèi)處于過載區(qū)且電機(jī)運(yùn)行功率大、效率低所導(dǎo)致。

為了直觀地分析雙熱源熱泵系統(tǒng)的性能，引入空氣源熱泵進(jìn)行對(duì)比仿真試驗(yàn)?？諝庠礋岜梅抡嬖囼?yàn)中，將電子膨脹閥A關(guān)閉，并將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的廢熱功率設(shè)為0。

5.1 雙熱源熱泵動(dòng)態(tài)性能分析

圖14和圖15為PI控制器對(duì)車內(nèi)溫度的控制效果曲線。開機(jī)前90 s壓縮機(jī)以最大轉(zhuǎn)速進(jìn)行工作，使車內(nèi)溫度迅速達(dá)到設(shè)定值。整個(gè)循環(huán)工況中，由于車速的變化，駕駛艙與空氣之間的對(duì)流換熱量不斷波動(dòng)，但PI控制器能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而維持車內(nèi)溫度的恒定。

圖16為電機(jī)冷卻液溫度變化曲線，圖17為蒸發(fā)器過熱度的控制效果，圖18為膨脹閥開度變化曲線，圖19為制冷劑流量變化曲線。從圖中可看出，蒸發(fā)器出口的過熱度受到電機(jī)冷卻液溫度的影響發(fā)生波動(dòng)，但PI控制器能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)膨脹閥的開度，從而將過熱度控制到預(yù)期目標(biāo)。

由圖18和圖19可看出，電子膨脹閥的開度變化直接影響到車外換熱器和板式換熱器的流量分配，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻液廢熱的動(dòng)態(tài)回收。

5.2 雙熱源熱泵與空氣源熱泵對(duì)比分析

由圖20和圖21可看出，與空氣源熱泵相比，由于雙熱源熱泵回收利用了驅(qū)動(dòng)電機(jī)廢熱，因此其壓縮機(jī)吸氣壓力相對(duì)較高，電耗相對(duì)較?。粓D22為車外換熱器負(fù)荷變化曲線，其中某些時(shí)刻車外換熱器負(fù)荷為負(fù)，是由于系統(tǒng)壓力波動(dòng)過程中，部分制冷劑回流導(dǎo)致的；由圖22和圖23可看出，與空氣源熱泵相比，車外換熱器回路上的電子膨脹閥的開度相對(duì)較小，從而減小車外換熱器的工作負(fù)荷，減緩車外換熱器的結(jié)霜過程，提高熱泵系統(tǒng)的制熱性能。

通過分析循環(huán)工況中雙熱源熱泵和空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱性能，得到系統(tǒng)運(yùn)行過程中的平均制熱性能參數(shù)如表3所列。由表3可知，與空氣源熱泵系統(tǒng)相比，雙熱源熱泵系統(tǒng)車外換熱器負(fù)荷減少了82.85 %，制熱能效比提高了8.97 %。

6 結(jié)束語

本文提出了純電動(dòng)汽車雙熱源熱泵系統(tǒng)，構(gòu)建了基于AMESim和Matlab的雙熱源熱泵系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，在2 ℃環(huán)境溫度、UDDS循環(huán)工況下，對(duì)雙熱源熱泵系統(tǒng)的制熱性能和控制策略進(jìn)行了仿真分析，得到如下結(jié)果：

a. 雙熱源熱泵系統(tǒng)能夠回收利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的廢熱，提升系統(tǒng)的制熱性能，其制熱能效比可達(dá)3.16，比單一空氣源熱泵系統(tǒng)提高了8.97 %；

b. 雙熱源熱泵系統(tǒng)能夠減小車外換熱器負(fù)荷，從而減緩車外換熱器的結(jié)霜過程，其車外換熱器負(fù)荷比單一空氣源熱泵系統(tǒng)減少了82.85 %；

c. 搭建的雙熱源熱泵系統(tǒng)仿真模型能夠較準(zhǔn)確地模擬雙熱源熱泵系統(tǒng)實(shí)際的動(dòng)態(tài)性能，可為雙熱源熱泵系統(tǒng)及其控制策略的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)。