电动汽车热泵空调系统的控制研究

郑淳允

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广东省广州市 511434）

当前，电动汽车逐渐进入千家万户，研究热泵空调系统对电动汽车乘坐的舒适性、安全性和节能环保具有重要的意义[1]，合理的系统控制即可延长电动汽车的续航里程，又可以使空调系统得到较好的制冷、制热、电池冷却效果，因此，我们有必要对电动汽车热泵空调系统的控制进行研究，使热泵空调能发挥更佳效能，促进电动汽车的普及化。

1 电动汽车热泵空调系统的组成和工作原理

电动汽车热泵空调系统主要是由电动压缩机、室外冷凝器、水冷冷凝器、气液分离器、HVAC 总成、空调控制器、电子膨胀阀、管路和阀组成，见图1 所示，主要特点是采用水冷冷凝器实现压缩机高温高压制冷剂与冷却回路的冷却液进行换热[2]。

电动汽车热泵空调的工作原理包括制冷和制热循环，制冷循环为压缩机排出的高温高压制冷剂流到车外的冷凝器向车外释放热量；制冷剂被冷却、环境空气被加热。放热后的制冷剂经膨胀阀节流成为低温低压状态，低温低压制冷剂流经车内的蒸发器从乘客舱吸收热量，提供舒适性[3]。制热循环为制冷剂的流向同制冷模式相反。压缩机排出的高温高压制冷剂首先流到车内的换热器向车外释放热量；制冷剂被冷却、车内空气被加热，放热后的制冷剂经膨胀阀节流成为低温低压状态，低温低压制冷剂流经车外的换热器从环境空气中吸收热量[4]。

图1：汽车热泵空调系统组成

2 电动汽车热泵空调系统控制概要

电动汽车热泵空调系统的控制主要是面板控制、TAO值的演算、室外冷凝器的结霜判定，工作模式的判定和切换，以及压缩机目标转速的决定等，见图2 所示。

图2：电动汽车热泵空调控制概要图

3 电动汽车热泵空调系统控制方法

电动汽车热泵空调系统的控制主要是工作模式的判定、结霜判定及除霜控制、目标水温控制和电池冷却控制等，下面具体说明这几方面的控制情况。

3.1 工作模式的控制

电动汽车热泵空调系统的工作模式的控制有制冷、电池冷却、制热和除霜等模式。

根据电池冷却和除霜（DEICE）的要求，外气温度传感器采集到的外气温度（TAM），计算目标吹出温度（TAO），计算公式见（1），从而判定出是制冷模式（COOL）、制热模式（HEAT），还是除霜模式（DEICE），见图3 所示。

式中，TAO：目标吹出温度，℃

Tset：设定温度，℃

Tr：内气温度，℃

Tam：外气温度，℃

Ts：日照量，W/m2

C：修正常数

K(x)：权重系统

有电池冷却要求时，制冷模式优先，目标吹出温度的调整需要通过控制PTC 实现，见图4 所示；无电池冷却要时，通过外气温度和目标吹出温度的关系来判定工作模式，见图5 所示，中间区域通过追加吸入温度条件来判定制冷或制热模式。

表1：热泵空调电池冷却电子膨胀阀目标开度控制

图3：电动汽车热泵空调控制工作模式判定流程图

图4：有电池冷却的温度图

图5：无电池冷却的温度图

3.2 结霜判定及除霜控制

电动汽车热泵空调系统的结霜判定和除霜判定要根据制冷剂吸入温度来推断室外冷凝器的结霜情况，从而判定是否进入除霜模式，在进入除霜模式后根据除霜持续时间或者制冷剂吸入温度判定是否解除除霜模式。此外制冷剂吸入温度及持续时间的具体值，要根据车辆及空调系统状态，最终值需通过台架试验、风洞及实车标定结果确定，模式判定流程图见图6。

图6：电动汽车热泵空调结霜和除霜工作模式判定流程图

图7：电动汽车热泵空调压缩机转速控制示意图

图8：电动汽车热泵空调制冷与电池冷却示意图

3.3 压缩机转速控制

汽车空调在制热时，压缩机转速的控制是以目标吹出温度控制为目标，燃油车空调系统的目标吹出温度是与蒸发器温度、混合风门开度和暖风芯子水温有关，由于蒸发器温度变化较大，故需要在蒸发器不结霜前提下，使蒸发器温度尽量低，以此目标来控制压缩机转速。电动汽车热泵空调系统的压缩机转速控制则与燃油车空调系统的不同，热泵空调的目标吹出温度是与暖风芯子水温和压缩机转速成正比，而且热泵空调的暖风芯子水温变化量较大，蒸发器温度和混合风门的开度变化量较小，这样，热泵空调的压缩机的转速控制是以暖风芯子的水温为目标进行控制，如图7 所示。

3.4 电池冷却控制

电动汽车热泵空调系统的电池冷却通过水冷冷凝器进行制冷剂和水的热交换，冷却水对电池进行冷却，从而达到降温的目的，见图8 所示。电池冷却回路主要依靠电子膨胀阀的开度进行控制，根据电池ECU 发出的冷却要求指令，实施4 段开发控制，见表1 所示。随着电子膨胀阀的开度变大，空调制冷能力可能恶化，为了防止制冷能力过度恶化，将会与蒸发器温度为目标提高压缩机转速。

4 结束语

本文是对电动汽车热泵空调系统控制方法的进行了研究，包括了工作模式的控制、结霜和除霜的控制、压缩机转速的控制以及电池冷却的控制等，通过这些控制，使得电动汽车热泵空调系统能效比高，续航里程延长，相比传统空调系统，可在冬季提升35%。节能性方面也表现较好，相比于采用PTC 加热方式，热泵空调可实现40%的节能[5]。在除霜方面，由于更加的精确控制，电动汽车热泵空调系统的除霜时间也大为减少，有效提高了制热时间，提升了热泵空调系统的使用效率。总的来说，这些控制方法使得电动汽车热泵空调系统在舒适性、安全性和节能性等方面得到有效提升，效果良好。

本文的主要创新点是研究了电动汽车热泵空调系统四种控制方面，全面覆盖了热泵空调系统的控制点，这些控制方法提升了制冷、制热、除霜等的性能，具有实用性、先进性等。