基于Simulink的汽车空调系统建模与性能分析.pdf

第 61 卷 第 10 期Vol.61 No.102023 年 10 月October 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.10.026基于 Simulink 的汽车空调系统建模与性能分析于号，李征涛，王智楷（200082 上海市 上海理工大学 能源与动力工程学院）摘要 为探究汽车空调系统性能与环境温度、压缩机转速的动态响应情况，为制冷系统运行策略及乘员舱改进指出方向，基于 Simulink 对汽车空调系统与乘员舱热环境系统进行建模，分析了分别使用 R410a 与 R134a 制冷剂时系统性能指标变化。结果表明：随着压缩机转速的增加，制冷系统的制冷功率与能耗随之增加，但 COP 呈现出降低的趋势。使用 R134a 冷媒的系统在制冷功率上较 R410a 有约 6%的提升；在运行策略方面，可在开启系统时使压缩机高速运转产生较高的制冷功率，让乘员舱快速降到目标温度，再维持低转速的较高能效比运行状态，以达到最优的节能目的。随着环境温度的梯度升高，冷媒的冷凝效率降低使系统能效比相应降低，同时导致乘员舱与外界换热量增大，故可在设计制冷系统时提高冷凝器性能冗余，增加整车的隔热保温性以提升系统能效。关键词 汽车空调；Simulink；制冷量；压缩机转速；COP 中图分类号 U463.85+1 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)10-0120-05引用格式：于号,李征涛,王智楷.基于 Simulink 的汽车空调系统建模与性能分析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(10):120-124.Modeling and performance analysis of automotive air conditioning system based on SimulinkYU Hao,LI Zhengtao,WANG Zhikai(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200082,China)Abstract In order to explore the dynamic response of the performance of automobile air-conditioning system to the change of ambient temperature and the rotation speed of its own compressor,so as to give directions for the improvement of the refrigeration system operation strategy and the passenger compartment,the automobile air-conditioning system and the cabin thermal environment system were modeled based on Simulink,and the performance index variation of the systems using R410a and R134a refrigerants respectively was analyzed.The results showed that with the increase of compressor speed,the refrigeration power and energy consumption of the refrigeration system also increased,but COP showed a downward trend.The refrigeration power of the system using R134a refrigerant was about 6%higher than that of R410a.In terms of operation strategy,when the system was turned on,the compressor could run at a high speed to generate higher cooling power,so that the passenger compartment could quickly drop to the target temperature,and then maintain a high COP operation state at a low speed to achieve the optimal energy conservation purpose.With the increase of the ambient temperature,the reduction of the condensing efficiency of the refrigerant would reduce the energy efficiency ratio of the system accordingly,and would also lead to an increase in the heat exchange between the cabin and the environment.Therefore,when designing the refrigeration system,the performance redundancy of the condenser could be improved while increasing the thermal insulation performance of the vehicle to improve the energy efficiency of the system.Key words vehicle air conditioning;Simulink;refrigerating capacity;compressor speed;COP0 引言在节能减排与“双碳”的大背景下，电动汽车凭借其节能环保、良好的驾驶体验及智能驾驶科技的应用，迎来了发展的黄金期1-2。作为为乘员舱营造舒适驾乘温湿度环境以及整车热管理提供冷热源的核心设备，电动汽车空调热泵凭借着较高的工作效率减少了因使用PTC加热器对电量的消耗，增加了续航里程，逐渐成为行业的研究热点3。学者们对汽车空调低温环境下的制热性能进行了研究。张磊等4对使用 R410a 制冷剂的补气增焓型电动汽车空调进行了制热性能研究，结果表明，与使用 R134a 制冷剂的普通型机组相比，新系统在-15 与 0 环境下的制热性能比普通型机组分别提升 17%与 21%；张海等5提出一种回收电机余热为乘员舱制热以减少空调能耗的系统，仿真及试验证明了模型的准确性；Zhang 等6将电动汽车回风系统与防雾相结合，通过设置不同的回风与新风比例对热泵空调系统展开研究，结果表明，收稿日期：2022-09-16121第 61 卷第 10 期在室外环境温度为-20 -5 时，新系统比原系统的制热需求降低了 46.4%62.1%；Lee 等7在低温环境下在汽车空调系统中加入空空换热器，以降低车内开启新风系统时热泵系统的能耗，实验结果表明，系统开启再循环时热负荷和除湿负荷降低了12.3%与 12.9%。热泵空调系统因其较高的工作效率及节能的特点适用于电动汽车，但汽车空调系统的室外换热器在寒冷环境下较易结霜，进而降低了系统的工作效率、增加了能耗，这是急需解决的问题8-9。在基于使用 R1234yf 制冷剂的电动汽车热泵平台上，王芳10对室外换热器的结霜与融霜特性进行了研究，发现融霜时间随着车外环境温度、压缩机转速、车内风机风量的增大而减小，且中压补气可有效缩短 26.25%的融霜周期；武卫东等11针对空调换热器结霜问题提出低压热气除霜和高压热气除霜 2 种模式，发现低压热气除霜不仅所需时间长，且压缩机能耗较大，高压热气融霜速度较快，排气压力最高 0.65 MPa，且能耗最小。综上所述，汽车空调的效率与能耗以及各子系统的性能逐渐提升优化，但系统各部件的性能匹配以及运行策略仍需进一步研究。基于 Simulink 对物理模型的建立有着结构简单且准确性较高的特点，本文基于 MATLAB/simulink 的物理建模平台，对汽车用热泵空调系统进行建模并仿真，研究室外环境温度、压缩机转速等变量对系统制冷量与整体能耗的影响。1 系统模型的建立1.1 系统工作原理汽车空调主要分为三换热器系统与双换热器系统。三换热器系统主要由电动压缩机、车外换热器、车内蒸发器、车内冷凝器、膨胀阀与传感器等组成，通过系统中各个电磁阀的开闭实现制冷与制热模式的切换，有着稳定且耐久性好的特点。双换热器系统与前者不同的是车内仅包含一个热交换器，由四通换向阀的转换实现冷暖模式的切换。系统的工作原理为逆卡诺循环，基本工作循环包括 4 个过程：制冷剂以低温低压的过热蒸汽状态进入压缩机，经压缩机压缩成为高温高压蒸汽后进入室外冷凝器，经与空气换热被冷凝为高压过冷液体，高压过冷液态的冷媒后经过电子膨胀阀等节流装置压力降低，状态变为气液两相混合物，此时进入蒸发器与室内空气换热，冷媒蒸发吸热进而为室内输送冷量，经蒸发器出口进入压缩机完成一个制冷循环。其循环原理图如图 1 所示。1.2 系统模型的搭建本文采用 MATLAB/Simulink 对汽车空调系统进行模型搭建，电动汽车空调的各子系统如图 2 所示。蒸发器子系统模型如图 2（a）所示，冷媒与空气分别从蒸发器的两端进出，经换热器完成热交换，冷媒从 A 端口进入经蒸发吸热从 B 端口进入压缩机，制冷后的空气经循环风机驱动进入车舱内为车内提供冷量。压缩机子系统模型如图 2（b）所示，驱动信号由 0 变为 1 时压缩机开始按照设定的转速工作，冷媒蒸汽从端口 A 进入压缩机以接近等熵压缩的过程转为高温高压蒸汽，同时布置于压缩机出口的传感器采集到冷媒的温度与压力参数。冷凝器模型及工作原理与蒸发器类似，如图 2（c）所示。由于汽车空调整体工作功率较低，经过蒸发器时冷媒的压降较小，因此选用内平衡式热力膨胀阀作为子系统的节流装置，如图2（d）所示。（b）（a）图 1 空调系统制冷循环示意图Fig.1 Schematic diagram of refrigeration cycle of air conditioning system膨胀阀蒸发器 室内机吸热散热室外机冷凝器液体气体液体气体气体压缩机液体于号 等：基于 Simulink 的汽车空调系统建模与性能分析122农业装备与车辆工程 2023 年乘员舱与车内外环境热传递网络的建模如图 3所示。使用 Constant Volume Chamber 模块作为汽车的乘员舱环境，乘员的热、湿负荷由相应的增益模块表示，如图 3（a）所示。车身整体与外界换热部分经简化后包括车顶、车窗玻璃与车门，车内空气与车外环境通过热对流与热传导方式传递，换热过程由相应的热传递网络表示，如图 3（b）所示。空调系统工作后，车舱内温度开始降低，当温度传感器检测到的温度低于或高于设定温度时，信号转换器将此温差信息传递到控制器，控制器向系统压缩机、循环风机等运动部件发送关闭或开启信号，以此来保证乘员舱内温度一直处于所设定的目标温度的合理区间。仿真模型使用的制冷剂为 R410a，系统参数设定：蒸发温度为 10，乘员舱内设定温度为 24，蒸发器出口过热度为 5，冷凝温度为 45，冷凝器的过冷度为5，系统的连接管径为0.008 m，蒸发与冷凝器外的风量由进出口温差与制冷功率计算得出。汽车空调系统模型示意图如图 4 所示。1.3 数据处理系统运行过程中，布置在各部件进出口的传感器采集到的压力和温度数据在压焓图上表示的冷媒状态转化的过程如图 5 所示。（a）（b）图 3 乘员舱与热传递网络模型示意图Fig.3 Schematic diagram of cabin andheat transfer network model图 4 汽车空调系统模型Fig.4 Vehicle air conditioning system model（c）（d）图 2 汽车空调子系统示意图Fig.2 Schematic diagram of vehicle air conditioning subsystem（a）蒸发器 （b）压缩机 （c）冷凝器 （d）节流装置图 5 系统运行过程中冷媒的压焓图Fig.5 Pressure enthalpy diagram of refrigerant during system operation压力/MPa200 250 300 350 400 450 500压焓/(kJ/kg)10010-1R-410a270230270310350390310350270230350310270123第 61 卷第 10 期于号 等：基于 Simulink 的汽车空调系统建模与性能分析衡量系统性能指标的计算公式分别为系统制冷量：Qqhh,evap outevap inm0$=-h (1)压缩机对冷媒做功：Wqhh,compcomp outcomp inm$=-h (2)系统理论能效比：COPWWWQ,compfan evapfan conds0=+(3)式中：hevap,out、hevap,in蒸发器进出口冷媒的焓值，kJ/kg；hcomp,out、hcomp,in压缩机进出口冷媒的焓值，kJ/kg；Wfan,evap、Wfan,conds蒸发器与冷凝器风扇功耗，kW。2 结果与分析在搭建的汽车空调系统模型中，改变压缩机转速与室外环境温度，分别分析冷媒为 R134a 与R410a 时系统总功耗（包含压缩机、冷凝器侧与蒸发器侧的功耗）、能效比 COP、制冷量等性能指标，进而对系统特性和运行策略作进一步研究。2.1 压缩机转速对系统的影响系统初始条件：乘员舱内温度为 22、室外环境温度为 35，压缩机转速 1 8004 600 r/min情况下系统性能指标变化趋势如图 6 所示。制冷量随压缩机转速的变化如图 6（a）所示，不同转速下系统使用冷媒为 R134a 的制冷量高于使用冷媒R410a 的情况，在转速为 3 200 r/min 时使用 R134a冷媒的制冷量为 2.47 kW，较后者高 0.145 kW，提升约 6.1%。在使用不同冷媒随着压缩机转速的提高制冷量皆以一定的斜率升高，这是由于转速升高，单位时间内增大了系统冷媒的循环量，在单位制冷量不变的情况下使得制冷量升高；如图 6（b）所示，随着压缩机转速的增加，包含压缩机功率在内的系统总功率也随之增大，且使用 R134a 冷媒的系统能耗低于使用 R410a 的。转速 2 500 r/min 时使用R134a冷媒的能耗为653 W，比使用 R410a 低 31 W；由图 6（c）可见，冷媒 R134a 系统能效比随转速的增大从 3.59 减小到 2.8，即系统能效比随转速增大而降低，且使用 R134a 的系统 COP 较高，由此说明 R134a 冷媒的热物理性质比 R410a 更适合用于汽车空调系统。在运行策略方面，图 6（a）和图 6（c）表明，可在开启系统时使压缩机高速运转，产生较高的制冷功率，使乘员舱快速达到目标温度，此后，维持低转速、较高能效比运行，从而达到最优节能目的。2.2 车外环境温度对系统的影响压缩机转速设定为 2 400 r/min，乘员舱内温度为 22，性能指标随车外温度 30 38 的变化情况如图 7 所示。由图 7（a）可见，使用 2 种冷媒的系统制冷量皆随环境温度升高以一定斜率降低，主要是因为随着温度的升高，乘员舱与室外环境的换热温差增大，使系统制冷负荷增大，同时冷媒与空气的换热温差逐渐减小进而导致换热量大幅度降低，使冷媒产生过冷度减小甚至不完全冷凝导致；图 7（b）所示系统功耗随室外温度的升高而增大也证明了这一点。相同环境下使用 R134a 冷媒产生的制冷量高于 R410a，在室外温度为 30 时，前者的制冷量为 2.28 kW，高于后者 0.1 kW。如上文所述，这是由于前者热物理性质在小型制冷系统中优于后者造成的。伴随着系统能耗的增加与制冷功率的降低，由图 7（c）可得，系统在环境温度（a）（b）（c）图 6 系统性能指标参数随压缩机转速的变化Fig.6 Variation of system performance index parameters with compressor speed（a）制冷量 （b）系统功率 （c）能效比1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500 5 000压缩机转速/(r/min)3.02.82.62.42.22.01.81.6制冷量/kWR410AR134A1.21.11.00.90.80.70.60.5系统功耗/kWR410AR134A1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500 5 000压缩机转速/(r/min)3.63.43.23.02.82.62.4能效比 COPR410AR134A1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500 5 000压缩机转速/(r/min)124农业装备与车辆工程 2023 年逐渐升高时能效比 COP 会有较大的损失。综上所述，乘员舱外温度的升高使车内外换热量增大，即增大了车内的制冷负荷；环境温度升高也会造成冷凝器中冷媒的散热量不足导致过冷度不够或不完全冷凝，系统制冷功率降低也意味着需要更长的运行时间才能达到车内所设定到的温度。3 结论为探究与优化汽车空调系统的设计与运行策略，以提升系统运行的能效比，本文基于MATLAB/Simulink 搭建空调制冷系统模型、汽车乘员舱内环境模型与外界换热的热传递网络模型，研究分析了室外环境温度与压缩机转速的变化对分别使用冷媒 R134a 与 R410a 的空调系统能效的影响，结论如下：（1）随着压缩机转速的增加，制冷系统的制冷功率与能耗也随之增加，但能效比呈现出降低的趋势，使用 R134a 冷媒的系统在制冷功率上较 R410a 有约 6%的提升，且能效比更高，说明R134a 凭借其较好的热物理性质更适用于小型制冷系统；在运行策略方面得出，在开启系统时使压缩机高速运转，产生较高的制冷功率使乘员舱快速达到目标温度，再维持低转速、较高能效比运行状态，达到最优的节能目的；（2）随着环境温度从 30 至 38 梯度升高，冷媒的冷凝效率降低，以致制冷量减小、压缩机功耗增大，同时环境温度的升高也会导致乘员舱与外界换热量增大。因此，在设计制冷系统时需要使用换热功率与效率更高的冷凝器、更高功率的冷凝风机以增加系统的性能冗余，同时提升整车的隔热保温性以提升整体系统能耗表现。参考文献1 李方生,赵世佳,胡友波.欧洲新能源汽车产业发展动向及对我国的启示 J.汽车工程学报,2021,11(03):157-163.2 李仲兴,李颖,周孔亢，等.纯电动汽车不同行驶工况下电池组的温升研究 J.机械工程学报,2014,50(16):180-185.3 刘妮,贺剑锋,崔强,等.电动汽车空调室外换热器空气侧流动换热模拟研究 J.低温物理学报,2022,44(02):124-130.4 张 磊,贺 春 辉,张 威,等.应 用 R410a 制 冷 剂 的 补 气增焓热 泵 型 电 动 汽 车 空 调 的 制 热 性 能 实 验 研 究 J.暖 通 空调,2019,49(06):131-134.5 张海,张宸瑜,郭木生.电动汽车空调制热系统设计及研究 J.湖南大学学报(自然科学版),2021,48(12):36-43.6 ZHANG Guiying,ZOU Huiming,QIN Fei,et al.Investigation on an improved heat pump AC system with the view of return air utilization and anti-fogging for electric vehiclesJ.Applied Thermal Engineering,2017,115:726-735.7 LEE S,CHUNG Y,JEONG Y,et al.Investigation on the 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