基于CO2热泵的电动汽车直热式集成热管理系统低温性能研究

纯电动汽车（BEV）在未来具有巨大的潜力，而纯电动汽车中不同部件的温度在很大程度上影响着能量的利用。因此，需要开发先进的电动汽车热管理系统(TMS)来优化这些部件之间的热量流动。由于没有来自发动机的热源和电气元件的加入，电动汽车热管理系统的结构与传统汽车热管理系统不同。机舱、电池和电机都被考虑在内。在寒冷的外部环境下，为满足这些部件的温度需求所消耗的能量，使得总行驶里程减少超过30%。因此，在满足各部件最优运行温度需求的前提下，有必要通过结构设计和控制优化来提高热管理系统的性能。

由于较好的低温加热性能，二氧化碳热泵成为电动汽车热管理发展中饱受关注的技术之一。而制冷剂直接加热技术由于良好的热效率优势，可以降低加热过程中的传热损失。因此，在低温条件下，联合两种技术的新型电动汽车集成热管理系统性能以及考虑各部件之间耦合的热管理系统动态表现有较大的研究价值。

为研究基于CO2热泵的综合热管理系统（TMS）的动态和稳态表现，创建了多部件耦合模型，对低环境温度下，世界轻型汽车测试循环工况（WLTC）中，该热管理系统的性能进行了一维仿真研究。首先，结果表明，混合通风下，仅座舱加热的最佳排气压力为62bar。其次，在加热座舱与电池的并联与串联结构之间，串联预热通过维持亚临界循环并通过利用座舱吸收制冷剂的过热热量，保证冷板中制冷剂潜热传递，可以保持电池温度均匀来改善电池加热的效果。而冷凝温度应维持在18°C以确保亚临界循环，冷板出口处的CO2质量分数应为零以防止过冷，从而确保电池的温度均匀性。 此外，对于电机的过剩热量回收，在热管理系统的吸热源仅为电机与吸热源为电机和环境之间，前者具有更高的 COP（性能系数）。而排气压力应维持在 48bar来获得可接受的电机温度下降速率和系统整体较高的COP。最后，一种可切换模式和模式内优化的组合控制策略能够在环境温度为 −15°C下，连续WLTC运行下，实现座舱、电池和电机的协同温度控制和系统COP优化。

仅座舱加热模式下，保持舱内温度为18℃时，最佳排气压力为62 bar，最大COP为3.62。随着排气压力的增大，内换热器出口CO2的温度变化分为两个阶段。在第一阶段，质量流量变化的影响超过了冷凝温度的影响，导致冷却板出口温度变化较大。在第二阶段，这两种效应相当，引起轻微的温度变化。出口温度变化影响了系统COP。

图1 系统示意图——乘员舱制热模式

图2 乘员舱加热结果：(a) 排气压力对COP、加热功率和系统耗功的影响; (b) 从58 到78 bar的排放压力的P-H图

座舱和电池同时加热模式下，并联模式的最优COP为2.47，但由于冷却板中CO2的过热和过冷状态，各排气压力下的温差不良。该结构下过冷过热态较难避免。而对于串联模式，最大COP为3.29。由于客舱吸收了过热的热量，避免了制冷剂过冷，在大多数排气压力下，电池温差比并联模式要低。通过压缩机将冷凝温度控制在 18°C，并通过膨胀阀将冷却板出口的工质质量分数控制为 0，系统 COP、电池温差、电池预热速度和电池升温结束时的机舱温度均可以接受。

图3 系统示意图——乘员舱和电池串联制热模式

图4 串联预热结果：(a)排气压力对 COP 和温差的影响;(b) 从54 至 120 bar 的排放压力 P-H 图

余热利用模式下，同样保持座舱温度为18 °C，对于双热源模式， 电机热量没有得到很好的利用，热负荷甚至更重，最优 COP为3.55 比仅乘员舱加热模式更低 。然而，对于单热源模式，系统COP和电机吸热率高于双热源模式。通过压缩机转速将冷凝温度控制在 18 °C，并通过膨胀阀开度将排放压力控制在48 bar，具有最高的吸热率和相对较高的COP。

图5 系统示意图——单热源模式

图6 单热源模式结果：排气压力对质量流量、蒸发温度和吸热率的影响; 排气压力对系统功率和COP的影响

图7：控制策略示意图；低温动态运行结果,包括模式切换和模式内优化的控制策略

在环境温度为-15℃的3个WLTC循环中，稳定了座舱和电池的温度，冷却了电机，并回收了电机热量。初始系统工作在电池预热模式，800s时电池温度达到5℃，系统切换到座舱加热模式。874s时，座舱加热到18℃，稳定至2926 s，电机温度升至65℃，系统触发余热回收模式，直到5054s时，模式1重启。