电动汽车CO热泵空调应用与优化综述（下）

上期回顾：电动汽车CO2热泵空调应用与优化综述（上）

3  电动汽车CO₂热泵空调系统性能及优化

3.1  与R134a系统对比

TAMURA T等开发了用于中型车辆的CO₂制热空调系统，性能在当时明显优于R134a空调系统，其利用除湿时的放热作为辅助采暖的热源，提高了系统能效。王林宝在小客车中安装电动汽车CO₂热泵空调系统进行制冷试验，发现CO₂系统可以获得和R134a系统同等的制冷性能。BOEWE D E等、PREISSNE M等通过试验等手段也都验证得到了CO₂汽车空调可以获得与R134a系统相当制冷量的结论，但是在高温制冷工况下，CO₂系统的性能相对较差。在两种系统的打冷方面也有学者进行了研究对比，VETTER F等发现，跨临界CO₂空调系统的打冷时间相比R134a系统可缩短15 min，而DRAGI A发现在快速打冷后，相同打冷时间下，CO₂系统送风温度比R134a低6 ℃。

WANG Y等通过试验对CO₂和R134a系统在制冷和制热模式下进行了比较。发现制冷模式下，在较高环境温度中R134a的制冷性能较优异，较低环境中CO₂的制冷性能较好。在3种典型制热温度（-15 ℃、-10 ℃、-5 ℃）下，CO₂的制热性能远高于R134a系统。并且给出了CO₂电池制冷系统在制热条件下的稳定性能，表明该系统在电动汽车上具有很好的应用前景。

3.2  电动汽车CO₂热泵空调系统优化

对于常规传统CO₂跨临界汽车空调系统，在早年间已有部分学者对其制冷与制热模式时的性能特性和系统特点进行了研究，也在不同环境温度、进风温度、排气压力、压缩机转速等工况参数下系统的换热性能、COP等性能参数变化规律以及不同部件之间的耦合关系进行了研究，大部分研究都是在简单CO₂跨临界汽车空调系统上分析系统的性能。随着电动汽车的兴起，电动汽车CO₂热泵空调的需求也越来越复杂，性能要求也越来越高，如何进一步地提升性能，实现较多的功能成为后来的研究重点。张旭等通过CO₂汽车空调系统仿真模型，定量分析CO₂汽车空调系统的性能。给出了COP随车内温度、车外温度、室内相对湿度、压缩机轴功率等参数变化而变化的具体数值，COP随车内温度和相对湿度的升高而增大，并随车外温度的升高和压缩机轴功率的增大而降低。俞彬彬等在标准汽车空调性能试验台上研究了不同运行参数对性能的影响。结果表明，室外温度对系统性能的影响最大，高温下性能衰减明显；在相同的换热面积内，气冷器出口换热温差每下降1 ℃，COP可以提升2%~5%，最优排压降低；蒸发温度每提升5 ℃，COP可以提升15%左右。

WANG D等研究了寒冷气候下电动汽车CO₂热泵系统的制热性能，其流程图如图3所示。在室外温度-20 ℃~10 ℃和室内温度-20 ℃~20 ℃范围内，获得了稳态加热性能的试验结果。结果表明，CO₂热泵在室内外温度均为-20 ℃时仍能够获得良好的制热性能，COP为3.1，发热量为3.6 kW。此外，还对系统在不同室外风速下的性能进行了试验研究和分析。蒸发器风速小幅提高了系统制热量和COP。随着室内空气流量从250 m³/h增加到400 m³/h，制热量和COP分别增加18.5%和35.2%。

王丹东等提出在热泵模式下将室内换热器串联来提高高压侧的换热能力，如图4所示，并通过试验验证了该方法对车用热泵空调系统性能的提升作用。发现相比于单一气体冷却器，采用串联气冷器的车用热泵空调系统的制热量和COP分别提升了17%~31%和20%~33%；该系统在-20 ℃全新风环境下，出风温度可达40.4 ℃，COP为1.8。该系统能够满足电动汽车在低温环境下的乘客舒适性和整车负荷需求，且在制热能效方面优势显著。

图3  CO₂跨临界制热系统流程图

图4  串联气冷器CO₂车用热泵空调系统

JUNQI D等研究了电动汽车CO₂热泵系统的制热性能，系统流程如图5所示，发现室内双换热器串联形式的CO₂系统制冷性能得到改善，在35 ℃全新风工况下能够达到与R134a系统相近的制冷量和COP。在冬季低温工况下，CO₂热泵系统的制热量和性能远优于R134a热泵系统，在-10 ℃条件下，CO₂热泵系统制热量较R134a系统相比提高了83%，-20 ℃的性能也较为优异。

CHEN Y等对汽车用双转子中间冷却冷压缩机CO₂跨临界系统的制冷工况进行了试验研究，如图6所示。结果表明，采用中间冷却器的系统在性能上优于传统系统。在45 ℃与传统系统相比，最大制冷量和最大COP分别提高了19.8%和12.8%。并且该系统具有最优制冷量，其变化趋势与膨胀阀进口温度一致，因此可将膨胀阀进口温度梯度作为最优制冷量的控制策略。此外，膨胀阀开度对中间压力影响不大，而压缩机频率对中间压力和中间换热器的换热效果有显著影响。

CHEN Y等对进一步对上述系统进行了制热工况试验研究，如图7。发现存在最优COP，变化趋势与膨胀阀入口温度一致，其最优值与膨胀阀入口温度最小值对应，可用于最优性能策略控制。与传统CO₂汽车空调系统相比，对采用中间冷却的CO₂热泵系统可以显著地降低排气温度，并且制热性能更为优异，当环境温度从0 ℃降至-20 ℃时，加热能力增加50%~132%，COP提高18.9%~61.9%。环境温度越低，采用中间冷却的CO₂热泵系统优势更明显，因此其更适用于严寒地区的电动汽车。在-20 ℃环境下，采用中间冷却的CO₂热泵系统COP约为1.70，排气温度可控制在100 ℃以下。

该系统中，车内的IDHX1换热器在制冷模式下作为蒸发器，在加热模式下可以进行中间冷却，但压降较大。有待进行改进以满足制冷和制热两种方式的要求，制热性能会更好。

图5  室内串联换热器CO₂跨临界系统流程图

图6  中间冷却冷压缩机CO₂跨临界制冷系统流程图

图7  中间冷却冷压缩机CO₂跨临界制热系统流程图

张振宇等研究喷射系统对于提高CO₂空调系统能效的影响，包括高压工况下的系统能效对比、喷射器喉部尺寸的影响以及充注量的影响，如图8所示。结果表明：在高压11.3 MPa工况下，带喷射器的CO₂系统能够提高6.6%的制冷量，COP可提升6.1%，在满足相同制冷量的情况下，COP甚至可以提高13.9%。随着喷射器喉部直径的减小，COP先增大再减小；在蒸发器部分带液时，随着充注量的增加，喷射器单体效率先下降后上升。

图8  带喷射器的CO₂跨临界系统流程图

李浩等对上述带喷射器的系统进行了进一步的研究，发现增大室内侧风量与提高压缩机转速能够有效提升CO₂喷射制冷系统的制冷量，喷射器在不同工况下COP能够提升1.65%~12.60%，室外温度对车用CO₂喷射制冷系统的性能影响显著，该系统在高温环境下会出现明显的性能衰减。

孙西峰等通过搭建逆循环化霜的试验台，如图9所示，对各参数点温度和压力变化的分析，研究了空调系统在结霜过程的性能和参数变化特性，发现空调系统连续运行结霜150 min后，制热量分别下降22.6%和15.6%。第二次结霜速度比第一次更慢，第一次化霜时长为420 s，第二次化霜时长为120 s，仅为第一次化霜时间的28.5%。逆循环化霜效果十分理想，将成为未来电动汽车空调合理有效的化霜方式之一。

图9  跨临界CO₂汽车空调逆循环化霜原理图

WANG A等对高效化霜进行了更全面的研究，发现气冷出口温度可作为除霜速度和结束时间的判断标准，并针对不同湿度提出了化霜控制策略，能实现最大除霜速度和最小功耗控制，还能避免除霜对再热性能的负面影响。进一步的，WANG A等还提出了无霜控制策略，可适用于所有的易结霜环境条件。

由以上对电动车CO₂热泵空调系统性能的研究可以看出，在怠速状态和高环境温度制冷工况时，车用CO₂空调系统的性能都略低于R134a系统。但是在冬季，尤其是较低环境温度的制热工况，CO₂系统相比R134a系统则展现出绝对的优势，也证明了如今采用CO₂作为车用热管理系统工质的合理性。

在提升CO₂系统性能的方面，有很多学者也探究了环境温度、进风温度、出风温度、压缩机转速等影响因素的耦合角度对系统性能的影响分析，可便于确定在某一环境温度工况下系统的最优状态规律。在系统的优化上也有很多研究成果，表2整理了室内串联换热器方案，其中工况列与COP列中相同的上标一一对应，表示该上标序号的工况对应着相同上标序号的COP值。采用中间冷却两级压缩方案，加入喷射器等几种对系统的优化文献，对上述几种电动汽车CO₂热泵空调系统的特点、结论和具体工况对应的性能。上述方法均具有各自的可行性，但仍需大量论证才能推向市场进行生产，此外，面对实际车用热管理系统，在除了保证乘员舱温度的制冷/制热功能外，还有除雾除霜化霜等保证乘员舱舒适度和驾驶可靠性的功能，此外还需兼顾蓄电池、电机等设备的加热冷却，对于整个热管理的性能优化将是后续研究的重点。

在跨临界CO₂循环中，由于饱和点以上存在巨大的温度滑移，在实际运行中排气压力对系统的性能影响较大，并且存在一个最优排气压力，运行在该排气压力下系统的COP最高。因此在不同工况下得到最优排气压力，并将系统运行在该排气压力是电动汽车CO₂热泵空调系统的控制思路。一些学者研究发现，最优排气压力的值与蒸发温度、气体冷却器出口温度等参数有较强的相关性，通过大量的试验数据或仿真结果得到了较多种类的最优排气压力拟合关联式。孙西峰等通过研究带回热器的跨临界CO₂汽车空调系统，进一步确定了系统的最优压力和气体冷却器出口的温度线性相关。CO₂热泵空调系统可以依据环境温度与最优排气压力的对应关系建立系统最优COP控制策略，保证系统的高能效运行。

近些年对于系统达到最优排气压力的控制方式也有了一定研究，王静等以节流阀开度、压缩机转速、风机转速为被控参数以排气压力、送风温度和车厢温度为目标参数，研究了多PID控制的启动顺序和启动延迟时长对系统动态响应性能的影响。结果表明：排气压力——送风温度——车厢温度的启动顺序可以提高动态响应性能，3个PID控制器依次延时40 s启动时压缩机和风机转速的波动范围下降明显，提升了控制系统的稳定性。陶晶设计了电动汽车CO₂热泵空调的传统PID控制器和模糊PID控制器，都能在系统受到干扰下迅速控制制冷剂高压侧压力，并跟踪最优压力值以达到控制系统的目的。以传统控制器设计为基础进行模糊控制可提高模糊控制器的参数标定效率，并且在超调量、调节时间等一些控制性能指标方面有很大优势。赵靖华等基于AMESim软件建立了跨临界CO₂汽车空调系统的半理论模型，设计了排气压力模糊PID（比例积分微分）控制器，能够在系统受到环境温度变化的干扰下，迅速排气压力使系统获得最大COP，控制效果有较大改善。陈凯胜提出一种以温差和温差变化率为输入，PWM（脉冲宽度调制）占空比为输出的模糊控制器，发现车室内温度能够达到目标温度，且温度调节速度较快，超调量较小，对于外界干扰具有较快响应，模糊控制器控制效果良好。耿芳把模糊控制理论应用到CO₂汽车空调控制系统中。给出了压缩机转速、高压压力、膨胀阀开度和风机转速4个参数的控制策略和详细的模糊控制器设计，并建立了一个完整的基于Simulink的CO₂汽车空调系统仿真模型，对系统进行仿真分析，结果显示温度控制效果得到了很大改善。

对于PID控制器和模糊PID控制器，其在变量参数变化时对目标值的动态响应性能较好，但却只能按照预设的目标值对应关系进行调整至最优状态。在实际汽车运行复杂多变的环境中还有一定局限性。部分学者开始着眼与其它领域的自动学用控制算法，目前在CO₂系统已展开应用的有极值搜索算法（ESC，Extreme Seeking Control）和模型预测控制（MPC，Model Predictive Control）。机制搜索算法可以通过给被控量一个高频的正弦扰动，再通过一系列解调和滤波过程，得到优化量对被控量的偏导数，再积分计算得到目标值。该方法在CO₂热泵系统中已经可以实现自动寻优的目的。模型预测控制方法可以基于机理模型或数据模型，主要由模型建立、预测发展、控制指令、反馈调节组成，要先建立被控对象的理论模型，观察其所处的系统状态，再预测控制对象一段时间之后的发展趋势, 再实施一定时间内的前馈控制与动作指令，在CO₂系统中也有一定的应用，以上两种方法在自动控制方面上都有优秀的效果，并且和电动汽车实际运行需求较为契合，但是还鲜有应用于电动汽车CO₂热泵空调之中，如何将其结合，实现在多变环境下的自动寻优控制是日后研究的重点。

本文对车用CO₂热泵空调系统的应用背景、零部件研究及优化、系统性能及优化、控制及动态特性等几个方面进行总结，并对部分文献结论及优化方向机进行归纳，得到主要结论如下：

1）CO₂作为一种天然制冷剂，在安全性、环保性、经济性、低温加热性能、高容积制冷量等综合因素考虑下，与传统HFC类制冷剂相比，CO₂具有很好的系统性能和应用潜力，尤其是在低环境温度下的加热性能远优于传统R134a制冷剂。在新能源轨道交通领域内，CO₂及其跨临界制冷制热技术是一种可靠的制冷剂及技术路线替代方案。

2）车用CO₂热泵空调系统在压缩机、气体冷却器、蒸发器、回热器、储液器及充注量、系统管路等方面均有已一定的研究，从研究结果进一步总结出了对各个部件的优化方向。从相应的优化方向出发，在设计时从可提升部件及系统性能的角度，提前进行优化设计，可以使系统在各部件最优的条件下进一步提高系统性能，以便对电动车CO₂热泵空调系统的日后零部件批量生产提供指导。

3）在系统整体方面可在不同的工况参数下，如环境温度、进风温度、出风温度、压缩机转速等因素下确定最优排气压力，以保证系统运行发挥最佳性能；也可采用室内串联换热器、中间冷却压缩机、喷射器等对系统优化角度以提升系统性能，但目前的大多数研究仅仅是建立在制冷剂回路上。实际的车用热管理系统还包括电池电机等电气设备的水冷回路，在保证乘员舱舒适性的功能外，还需兼顾蓄电池、电机等设备的加热冷却，对于复杂的热管理系统的研究和优化还较少，目前仍是电动车用热管理系统通入生产使用亟待解决的问题，对于水路制冷剂回路耦合的系统优化也将是后续的研究重点。这对以后车企CO₂热泵空调系统应用与复杂的热管理系统有着重要的参考作用。

4）目前车用CO₂热泵空调系统运行控制仍主要采用PID控制器或模糊PID控制器，其对目标值的动态响应性能较好，但环境变化较大时，反馈精度可能会产生衰减，甚至失稳，在复杂多变的运行工况中还存在一定局限性。而一些实时优化控制策略，可以在运行过程中自动寻优，如极值搜索算法（ESC，Extreme Seeking Control）、模型预测控制（MPC，Model Predictive Control）等控制算法在动态寻优领域上都有很好的应用先例，在车用CO₂热泵空调系统动态优化上有较好的应用前景。而对于水路和制冷回路耦合的复杂的热管理系统，如何在较多的模式下实现快速的切换，在较多控制部件中实现合理的控制逻辑将是这方面的研究重点。

本文选自《制冷与空调》2022年9月刊56-69页

作者：刘宇轩  任佳航  殷翔  宋昱龙  曹锋

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