基于AMESim的热泵空调低温制热系统设计及仿真

摘要：针对纯电动汽车热泵空调系统在冬季低温潮湿环境下制热能力不足、换热器出现结霜现象等问题，提出了一种新型热泵空调制热系统。该系统将电机余热回收用于提升热泵空调的制热性能，抑制换热器结霜现象的发生，同时使用PTC加热器耦合制热，使得空调系统可以在更低的环境温度下正常工作。首先运用AMESim软件搭建电机散热循环系统仿真模型对电机余热的利用价值进行分析，得到电机余热在电机频繁以中高转速运行的工况下具有较大回收价值；然后针对带有电机余热回收的新型热泵空调系统，利用AMEsim软件建立了压缩机、换热器、膨胀阀、气液分离器等热泵空调制热模型，与电机散热循环系统以及PTC加热器耦合，对热泵空调系统的低温制热性能和抑制结霜性能进行分析。研究结果表明：新型热泵空调系统比普通热泵空调系统具有更好的制热性能，在环境温度为0℃时，新型热泵空调系统的COP比普通热泵空调提升了14.5%；在环境温度为-10℃时，开启PTC加热器后新型热泵空调系统能够正常工作且蒸发器不会发生结霜现象，并且其等效COP仍然大于1。

1 新型热泵空调系统的构成及原理

1.1 新型热泵空调系统的构成

一般的热泵空调系统由压缩机、车内外换热器、膨胀阀和气液分离器等部件组成,动力电池直接控制压缩机的转速,从而使制冷剂在各个管道及部件中流动,在车内外换热器中实现的热量交换。如图1所示,本文提出的新型热泵空调系统增加了电机余热回收模块,将电机运行中产生的热量传输到车外换热器外表面,以此提高车外换热器的环境温度,从而达到抑制车外换热器结霜,提高热泵空调工作能力的效果,并且还设计了PTC加热器,可以在低温时抑制结霜。本文只涉及制热工况,故不对空调制冷部分进行表述。

图1 新型热泵空调构成示意图

1.2 电机余热分析

纯电动汽车的余热主要集中在动力电池和电机上,电机余热远远大于动力电池的余热,并且动力电池在冬季低温环境下既需要散热又需要加热,这导致电池热管理系统较为复杂,因此本文设计中只考虑对电机余热的利用。在AMESim软件中建立的电机循环散热系统模型如图2所示,图中电源只为电机提供电压,不对电池本身的放电情况和温度影响等进行研究。

图2 电机余热模型模型中设置电动机转速分别为1500r/min、3000r/min、5000r/min和8000r/min,扭矩设置为75N·m,风扇处空气的质量流量为0.3kg/s。通过散热器进风口和出风口的焓值的变化,可以计算得到电机余热的热功率如式(1)所示：

式(1)中,P为电机余热的热功率,单位kJ；为空气的质量流量,单位kg/s；h1、h2分别为散热器进风口和出风口的焓增,单位kJ/kg。不同电机转速工况下电机余热的热功率变化情况如图3所示。从图3中可以看出,电机余热的热功率随着电机运行时间的增加而增大,随着电机转速的增大而增大。开始时电机余热的热功率较低是因为刚启动时壳体以及循环水的温度较低,大部分的电机余热被自身冷却循环吸收了,只有少部分被带到散热器,当电机以中高转速运行时间超过十分钟后,可利用的电机余热变得十分可观。

图3 电池和电动机废热对比图

2 仿真模型的建立

经过电机散热模型的电机余热分析发现,电机运行中产生的余热非常具有利用价值,但一般情况下这部分能量都散失到外界环境当中,造成了能源的浪费。若将这一部分能量通过水循环输送到空调系统中的车外换热器处加以利用,这相当于降低了动力电池的能量消耗,符合目前节能化的发展趋势。为了更好的分析电机能量回收对于热泵空调制热性能的影响情况,本文建立了对应的热泵空调系统的AMESim仿真模型。

2.1 压缩机模型

压缩机是空调系统的驱动部件,是最重要的核心部件之一。在AMESim软件的压缩机模型中不考虑其实际的结构形式,只计算影响压缩机性能的主要参数容积效率和等熵效率等。容积效率如式(2)所示：

式(2)中：m为制冷剂质量流量,单位kg/s；ρ为压缩机入口制冷剂密度,单位kg/m3；n为压缩机转速,单位r/min；Vh为压缩机排量,单位m3。等熵效率如式(3)所示：

式(3)中：hout为压缩机出口焓值,单位kJ/kg；hin为压缩机进口焓值,单位kJ/kg；Δhi为等熵焓差,单位kJ/kg。本文选用排量为36cm3的定排量压缩机,并且压缩机转速设定为4000r/min不变。

2.2 换热器模型

冷凝器采用的是微通道平行流式换热器模型,其几何参数如表1所示。蒸发器采用的是U型通道翅片换热器模型,其几何参数如表2所示。表1 仿真模型冷凝器参数

表2 仿真模型蒸发器器参数

虽然冷凝器和蒸发器所采用的换热器结构形式不同,但是换热原理一样。制冷剂与换热器壁面之间的对流换热量为：

式(4)中,h3为换热系数,单位W/(m2·K)；A1为换热面积,单位m2；Tre为制冷剂温度,Twall为壁面温度,单位K。其中换热系数h3的计算如式(5)所示：

式(5)中,λ为制冷剂导热系数,单位W/(m·K)；Nu为努赛尔数；dh为制冷剂侧水力直径,单位m。空气侧与换热器壁面之间的对流换热量如式(6)所示：

式(6)中,h4为换热系数,单位W/(m2·K)；A2为换热面积,单位m2；Ta为制冷剂温度,Twall为壁面温度,单位K。其中换热系数h2的计算为：

式(7)中,λa为制冷剂导热系数,单位W/(m·K)；Nu为努赛尔数；dha为制冷剂侧水力直径,单位m。

2.3 计算模型

本文利用AMESim软件建立汽车空调系统仿真模型。仿真中使用了其中的空调模块、热力学模块、两相流模块、机械及随动件模块和信号控制模块,选用的制冷剂为R134a。依据图1所示的构成原理搭建的空调仿真计算模型如图4所示,该模型在一般的热泵空调系统中加入了图2所示的电机余热模型,将电机运行时所产生的余热和热泵空调系统模型中的蒸发器模块相结合,车外的冷空气首先会与电机冷却循环回路中的散热器发生热交换,在吸收了电机余热之后再与蒸发器发生热交换,从而提高了蒸发器的环境温度,达到抑制蒸发器结霜、提高空调制热性能的效果。若蒸发器仍然发生结霜现象,则开启PTC加热器,提高蒸发器进气口的空气温度,从而将霜融化,达到除霜的效果。

图4 新型热泵空调仿真模型

2.4 仿真工况

本文研究的新型汽车空调系统主要针对冬季低温环境下的制热性能,所以设置冬季汽车空调工作条件作为仿真工况,车外环境温度为-10℃～5℃,空气相对湿度为60%,压缩机转速为4000r/min,电动机转速取5000r/min代表中等转速,PTC功率设置为0和1000W两个状态,具体工况设置如表3所示。表3 仿真工况设置

3 系统仿真分析

3.1 蒸发器温度分析

本文的仿真计算是在蒸发器不发生结霜现象下进行的,而蒸发器的结霜现象的发生与蒸发器的进风温度、湿度和湿度都有关,为简化模型,本文中假设蒸发器的进风温度为0℃、湿度为60%、质量流量为0.3kg/s时,模型中蒸发器的结霜速率与化霜速率处于动态平衡状态,即蒸发器处于结霜的临界状态。按照表3中1、2、3工况点运行仿真得到新型空调系统蒸发器进风温度的情况如图5所示。

图5 蒸发器进风温度分析普通空调的蒸发器进风温度即是车外环境温度,而新型空调的蒸发器进风温度是环境中的空气经过电机余热或者PTC加热器加热之后的空气温度。从图5中可以看出,新型热泵空调系统的蒸发器进风温度随着仿真运行时间的增加而增大。当环境温度在0℃左右时,普通空调的蒸发器会发生结霜现象,而新型热泵空调不会发生结霜现象；当环境温度为-10℃,新型热泵空调的蒸发器也会发生结霜,此时需要开启PTC加热器耦合制热来抑制结霜；当环境温度为-10℃,同时开启PTC时,仿真运行20分钟后可以达到临界结霜温度。这是由于电机循环水的初始温度设置为和环境温度一致,PTC加热器需要先对循环水加热,实际工况中可以增加PTC功率来缩短这段加热时间。

3.2 空调系统制热能效比分析

空调系统的制热能效比COP（Coefficie nt of Performance）是反映空调制热能耗大小的重要指标,同时也是评价制热性能优劣的重要参数。式(8)中,Q为空调系统的制热量,单位J；W为压缩机的功耗,单位J。根据表3所示仿真工况中1、2、3、4工况点运行得到普通空调系统的COP与带电机余热回收功能的空调系统COP的对比情况如表4所示。表4 两种空调系统COP对照表

注：仿真中假设蒸发器未发生结霜现象，蒸发器的换热系数表。其中,开启PTC加热器后新型热泵空调的能效比为等效等效比,即式(8)中W为压缩机与PTC功耗之和。从表4中可以看出,带有电机余热回收功能的新型热泵空调系统的COP有较大提升,当环境温度为0℃时,在蒸发器不发生结霜的情况下,COP能够提升14.5%,能够有效减少能量的浪费,提高热泵空调的制热性能；当环境温度为-10℃,同时开启PTC加热器时,热泵空调的等效能效比为1.10,仍然大于单独使用PTC加热器进行制热的能效比。

4 结语

1）运用AMESim软件搭建了电机循环散热回路仿真模型,对电机在运行中所产生的热量变化情况进行分析,由仿真模型可以看出,电机余热的热功率随着电机运行时间的增加而增大,随着电机转速的增大而增大,在电机频繁以中高转速运行的工况下,电机余热具有很大的回收价值。2）针对电机余热设计带能量回收的热泵空调系统,利用AMEsim软件建立了压缩机、换热器、膨胀阀、气液分离器等新型空调系统模型,联合电机循环散热回路模型对电动汽车热泵空调的冬季制热性能进行优化,由仿真模型可以看到,模型的假设以及简化符合实际研究范围,仿真模型满足设计要求。3）根据不同的工况条件,对所建立的热泵空调系统模型进行仿真分析,并与普通空调进行对比,得到新型热泵空调能够更好的抑制蒸发器结霜现象的发生,并且可以在发生结霜时进行除霜；同时,新型热泵空调系统的制热能效比COP比普通热泵空调提升了13.5%～18.7%,即使在-10℃的环境温度下开启PTC进行抑制结霜,系统的等效COP也大于1。本文设计的新型热泵空调系统从抑制车外换热器结霜出发,将电机余热与热泵空调系统以一种全新的方式结合来优化热泵空调的低温制热性能,使得热泵空调可以在更低的环境温度下工作,同时提出了热泵空调、PTC加热器和电机余热三者耦合制热的新思路。