随着电动汽车热管理技术的进步，应用热泵 空调逐渐成为冬季车辆制热的重要节能措施[1]。热 泵空调通过吸收空气中的热量，减少使用一种正 温度系数的加热器（Positive Temperature Coefficient, PTC）加热，效率则可达 200%左右。但热 泵空调系统也存在一定的不足。随着电动汽车使 用的地域范围在不断扩大，以北京为例，冬季最 低气温能达到-20 ℃。目前产业化应用的热泵空调 系统主要采用与普通空调相同的 R134a 冷媒，一 般仅能在-10 ℃以上的环境温度取得较好的使用 效果[2]。拓宽热泵空调系统的低温使用环境温度范 围，进一步提升热泵空调系统的热效率，已成为 行业的重要命题。
热泵的理论基础来源于热力学逆卡诺循环， 热泵型空调系统的制冷和制热，均采用专用的热 泵空调压缩机驱动制冷或制热循环[3]。因本文主要 解决热泵空调系统低温使用环境的制热效率问 题，下文重点阐述热泵空调系统低温制热及余热 回收工作原理，如图 1 所示。
热泵空调系统低温制热工作原理：热泵空调 压缩机将高温低压的气态冷媒 A，压缩为高温高 压的液态冷媒 B；通过车内换热器冷凝，与车内空气热交换，车内空气温度上升，冷媒温度下降， 成为低温高压的液态冷媒 C；再通过单向阀 1 和 电子膨胀阀 1，成为低温低压的气态冷媒 D；通过 车外换热器，与车外气体热交换，车外空气温度 降低，冷媒温度升高，成为高温低压的气态冷媒 A， 进入下一轮制热循环。如此往复，实现车外热量 交换至车内制热的效果。在满足一定条件下，单 向阀 2、电子膨胀阀 2 打开，余热回收换热器通过 冷媒与电池、电机热交换，回收电池、电机工作 时发出的余热，提升低温条件制热性能。
本文研究的某纯电动汽车余热回收热泵空调 系统，总体上由乘员舱内换热部分、乘员舱外换 热部分、动力电池舱和电驱动舱换热部分组成， 有冷媒回路和冷却液回路两大回路。
主要部件包括：热泵空调压缩机；六个换热 器，即车外换热器、余热回收换热器、车内换热 器、车内蒸发器、动力电池换热器、车外散热器；四个电磁阀；三个电子膨胀阀，即车外换热器用 电子膨胀阀、余热换热器用电子膨胀阀、动力电 池用电子膨胀阀。具体设计方案的结构图如图 2 所示。
电池和驱动电机系统为液冷系统，工作时发 出的余热，可由冷却液与通过动力电池换热器的 冷媒充分热交换，供车内制热使用，从而拓宽热 泵空调系统制热功能的使用温度范围，并且通过 控制车外换热器电子膨胀阀和车内换热器电子膨 胀阀的开度，实现余热回收利用最大化。
有三种余热回收制热模式，包括余热回收换 热器单独回收电机余热、余热回收换热器同时回 收电机和电池余热、余热回收换热器和车外换热 器同时回收空气余热。依据不同的环境温度、提 供余热的电池、电机冷却液温度，控制系统自动 决定具体采用哪种工作模式，如表 1 所示。其中，电池温度≤10 ℃，无法提供电池余热；电池温度 ≥15 ℃，才可提供电池余热。
回收电机余热是提升热泵空调系统性能重要 方式，只要存在必要性，就应尽量回收利用。余 热回收换热器单独回收电机余热模式的热泵工作 原理如图 3 所示。
具体工作过程：热泵空调压缩机将冷媒压缩 为高温高压的液体，通过电磁阀 1（打开），在车 内换热器处与车内低温的空气热交换，车内温度 升高，冷媒成为高压低温状态的气体；接着通过 单向阀 2，之后通过余热回收换热器电子膨胀阀， 在余热回收换热器处热交换，充分吸收冷却液回 路输送来的电机余热，成为低压高温的气体；接 着通过电磁阀 3（打开）和气液分离器，最后进入 热泵空调压缩机，进入下一个制热循环。
冷却液回路将电机余热输送到余热回收换热 器的过程：冷却液通过电子三通阀的 V2-V1 端口，接着通过五通阀的 3 水口和 5 水口，再通过余热 回收换热器，最后回到驱动电机。
当动力电池包温度较高时，电池作为一种热 容量较大的系统，可以为热泵空调系统贡献较多 的余热。同时回收电机和电池的余热，可进一步 提高热泵空调系统的效率和使用环境温度范围。同时回收电机和电池余热的热泵工作原理如图 4 所示。
具体工作过程：热泵空调压缩机将冷媒压缩 为高温高压的液体，通过电磁阀 1（打开），在车 内换热器处与车内低温的空气热交换，车内温度 升高，冷媒成为高压低温状态的气体；接着通过 单向阀 2，之后通过余热回收换热器电子膨胀阀， 在余热回收换热器处热交换，充分吸收冷却液回 路输送来的电机和电池的余热，成为低压高温的气体；接着通过电磁阀 3（打开）和气液分离器， 最后进入热泵空调压缩机，进入下一个制热循环。
冷却液回路将电机和电池余热输送到余热回 收 换 热 器 的 过 程 ：冷 却 液 通 过 电 子 三 通 阀 的 V2-V1 端口，接着通过五通阀的 3 水口和 2 水口， 通过动力电池包，再通过 1 水口和 5 水口，通过余热回收换热器，最后回到驱动电机。
当环境温度较低，而冷却液回路温度与空气 温度相差很小时，此时电机和电池温度已趋于稳 定，无余热供回收，热泵空调系统制热时主要回 收空气的余热制热。为了进一步提升该种工况下 的能效，一般的车外换热器和余热回收换热器共 同回收空气热量。车外换热器和余热回收换热器同时回收空气余热功能的热泵工作原理如图 5 所示。
具体工作过程为：热泵空调压缩机将冷媒压 缩为高温高压的液体，通过电磁阀 1（打开），在 车内换热器处与车内低温的空气热交换，车内温 度升高，冷媒成为高压低温状态的气体；接着通 过单向阀 2，之后通过余热回收换热器电子膨胀阀 和车外换热器电子膨胀阀，在余热回收换热器和 车外换热器处热交换，充分吸收空气中的余热， 成为低压高温的气体；接着通过电磁阀 3（打开） 和气液分离器，最后进入热泵空调压缩机，进入 下一个制热循环。此种模式冷却液回路不参与制热。
前述的三种制热工况，均需控制余热回收换 热器或车外换热器电子膨胀阀的开度，从而得到 最优制热性能。电子膨胀阀调节方式为基于排气 目标温度的比例-积分-微分（Proportion Integral Differential, PID）调节，控制框图如图 6 所示，t 为排气温度。
（1）采集排气压力、温度数据：在热泵空调 压缩机排气管路出口上布置压力温度 P&T 传感 器，直接采集排气压力与温度。
（2）确定热泵空调压缩机目标排气温度 Tset。Tset 为热泵空调压缩机转速、热泵空调压缩机 吸气状态、热泵空调压缩机排气状态、环境温度之间的关联式。即
式中，Tset 为热泵空调压缩机目标排气温度；Tc 为 热泵空调压缩机排气压力对应的饱和温度；Te 为 热泵空调压缩机吸气压力对应的饱和温度；n 为热 泵空调压缩机转速；K1 为热泵空调压缩机排气状态系数；K2 为热泵空调压缩机吸气状态系数；K3 为热泵空调压缩机转速系数；K4 为环境温度系数。K1、K2、K3、K4 为常数。通过试验标定得出，K1=0.3；K2=0.5；K3=1.15/100。K4 基于环境温度−20℃～ 20℃，0～20 线性差值变化。
车外换热器和余热回收换热器同时回收空气 余热制热的模式，在车外换热器电子膨胀阀开度 PID 调节的基础上，增加对余热回收换热器电子膨 胀阀开度的控制如下：
（1）先将车外换热器电子膨胀阀打开，电子 膨胀阀开度基于排气目标温度进行 PID 调节。调 节 1 min，1 min 后热泵空调压缩机转速、吸排气 压力将相对稳定。
（2）记录此时刻的吸气压力 P1，开始调节余 热回收换热器电子膨胀阀开度。余热回收换热器 电子膨胀阀开度从 5%开始调节，每 10 s 增加 1%， 吸气压力 P1 会随开度增大而增大。吸气压力 P1 达到最大值时刻的电子膨胀阀开度即为最佳开 度。
（3）热泵空调压缩机再运行 1 min 后，继续 对车外换热器电子膨胀阀开度实施 PID 调节，如 此循环动态调节。
（4）车外换热器和余热回收换热器同时回收空气余热模式下，车外换热器内的冷媒直接与空 气换热，比通过余热回收换热器换热的能力强， 无论电子膨胀阀如何调节，余热回收换热器的电 子膨胀开度始终确保控制为小于车外换热器电子 膨胀开度。
为了防止异常情况，如传感器失效，需对上 述电子膨胀阀开度和热泵空调压缩机目标排气温 度范围做限制，防止出现功能丧失等情况。限定条件如下：
（1）余热回收换热器回收余热（含电机余热、 电机+电池余热）限定条件如表 2 所示。
先按 PID 调节方法，调节车外换热器电子膨 胀阀，再调节余热回收换热器电子膨胀阀，如此 循环调节。余热回收换热器电子膨胀阀开度比车 外换热器至少小 2%。
在相应温度条件下，对比测试无余热回收和 有余热回收功能的两种热泵空调系统的能耗、制 热量，计算能效比，对比节能效果如表 3 所示， 节能效果最高达 42.3%。
为了拓宽热泵空调系统的低温使用环境温度 范围，进一步提升热泵空调系统的热效率，本文 基于公司某款纯电动汽车，提出了一种具备余热 回收功能的热泵空调系统，详细分析了工作原理， 设计了以一个热泵空调压缩机，六个换热器，四 个电磁阀，三个电子膨胀阀为主体的系统技术方案，重点说明了余热回收换热器单独回收电机余 热、余热回收换热器同时回收电机和电池余热、 余热回收换热器和车外换热器同时回收空气余热 的三种重要工作模式。针对决定系统节能效果的 核心部件电子膨胀阀，制定了基于排气目标温度 的 PID 调节控制方法，并在此基础上提出了车外 换热器和余热回收换热器同时回收空气余热制热 模式下的余热回收换热器电子膨胀阀开度的控制 方法。最后实车在黑河试验场冬季实地验证了该 系统节能效果，相比当前已量产的普通的无余热 回收的热泵空调有 40%以上的提升。本文提出的余热回收热泵空调系统的技术方案及其三种工作 模式，为当前电动汽车领域较为创新的空调技术 方案，可供业内参考。
