電動汽車熱泵空調(diào)制熱模式啟動性能的試驗研究

黃海圣 魏名山 彭發(fā)展 張虹 李麗

（北京理工大學(xué)）

電動汽車熱泵空調(diào)制熱模式啟動性能的試驗研究

黃海圣 魏名山 彭發(fā)展 張虹 李麗

（北京理工大學(xué)）

利用電動汽車熱泵空調(diào)試驗系統(tǒng)，測試了熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱模式從啟動至穩(wěn)定過程中，不同環(huán)境溫度及壓縮機轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)高壓側(cè)壓力、低壓側(cè)壓力、壓縮機出口溫度、車外換熱器進(jìn)口溫度、車室內(nèi)溫度隨時間變化的關(guān)系，并分析了環(huán)境溫度及壓縮機轉(zhuǎn)速對電動汽車熱泵空調(diào)制熱模式啟動性能的影響。試驗表明，環(huán)境溫度越低，電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)未啟動時平衡壓力越低，啟動后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間越長，熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱量越低；壓縮機轉(zhuǎn)速越高，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間越短，熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱量越高。

1 前言

空調(diào)系統(tǒng)作為電動汽車功耗最大的輔助子系統(tǒng)，其功耗占所有輔助子系統(tǒng)功耗的60%～80%，因此對電動汽車的續(xù)航里程和驅(qū)動性能影響很大[1]。電動汽車空調(diào)系統(tǒng)由于無發(fā)動機余熱可以利用，必須采取其它方式實現(xiàn)取暖功能[2]。目前，電動汽車空調(diào)系統(tǒng)廣泛采用PTC熱敏電阻電加熱取暖，但此方式能耗高、制熱效率低，嚴(yán)重影響電動汽車的續(xù)航里程[3]。因此，研究適用于電動汽車的冷暖一體式熱泵空調(diào)對其節(jié)能、乘座舒適性、安全性具有重要意義[4]。

TakahisaSuzuki和KatsuyaIshii[5]開發(fā)了以R134a為工質(zhì)的電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)制熱能效比COP值在較低環(huán)境溫度下可達(dá)2.3以上；Moo-Yeon Lee[6]檢測了電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在不同試驗條件下的制熱性能，表明隨車外環(huán)境溫度的上升熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱量增加?？梢姡妱悠嚐岜每照{(diào)能效比較高，對整車結(jié)構(gòu)改變小，故在電動汽車上采用熱泵空調(diào)具有廣闊的前景。目前電動汽車熱泵空調(diào)的運行效果還不理想，主要表現(xiàn)在熱泵空調(diào)系統(tǒng)的低溫適應(yīng)性和車外換熱器表面結(jié)霜及除霜等問題[7]。為此，利用電動汽車熱泵空調(diào)試驗系統(tǒng)，對熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱工況下的啟動性能進(jìn)行分析。

2 電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

電動汽車熱泵空調(diào)試驗系統(tǒng)如圖1所示。制熱循環(huán)過程為：壓縮機對低溫低壓的氣態(tài)工質(zhì)做功，使其被壓縮成高溫高壓氣體，工質(zhì)經(jīng)過四通換向閥流入車內(nèi)換熱器，經(jīng)等壓冷凝后變?yōu)橹袦馗邏旱囊后w，并向車內(nèi)散熱，然后經(jīng)膨脹閥的節(jié)流降壓變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔?，最后工質(zhì)在車外換熱器內(nèi)蒸發(fā)變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w，并從環(huán)境中吸收熱量，完成一次循環(huán)。制冷循環(huán)過程為：壓縮機對低溫低壓的氣態(tài)工質(zhì)做功，使其被壓縮成高溫高壓氣體，工質(zhì)經(jīng)過四通換向閥流入車外換熱器，經(jīng)等壓冷凝后變?yōu)橹袦馗邏旱囊后w，并向環(huán)境中散熱，然后經(jīng)膨脹閥的節(jié)流降壓變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔?，最后工質(zhì)在車內(nèi)換熱器內(nèi)蒸發(fā)變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w，并從車內(nèi)吸收熱量，完成一次循環(huán)。

為模擬真實的電動汽車?yán)錈嶝?fù)荷，熱泵空調(diào)試驗系統(tǒng)安裝在一個車形測試臺架上，車內(nèi)換熱器、鼓風(fēng)機及其風(fēng)道安裝在車內(nèi)，電機、壓縮機、車外換熱器等部件安裝在車外。熱泵試驗系統(tǒng)選取可變排量壓縮機、內(nèi)平衡式膨脹閥，車外換熱器選取平行流換熱器，車內(nèi)換熱器選取管片式換熱器。熱泵空調(diào)系統(tǒng)各部件之間采用銅管連接，并采用保溫材料對管路進(jìn)行包裹，以保證系統(tǒng)管路的保溫性能。選用安全、不易燃、不破壞臭氧層、具有很好的溶油性和較高COP值的R134a作為制冷劑。

利用Lab View軟件編寫電動汽車熱泵空調(diào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集板連接變送器和傳感器，對壓縮機進(jìn)口溫度和壓力、壓縮機出口溫度和壓力、車內(nèi)換熱器出口溫度和壓力、車外換熱器進(jìn)口溫度和壓力，以及環(huán)境溫度、車內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)測。

3 理論分析

熱泵是將熱能從低溫物系（環(huán)境大氣）向高溫?zé)嵩矗ㄜ噧?nèi)空氣）輸送的裝置。在電動汽車熱泵空調(diào)制熱工況下，熱泵在車內(nèi)空氣溫度（即高溫?zé)嵩礈囟龋┖痛髿鉁囟龋吹蜏責(zé)嵩礈囟龋┲g工作，其效果是使車內(nèi)空氣獲得熱量[8]。

熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱模式理論上可以實現(xiàn)壓縮蒸汽的逆向卡諾循環(huán)。蒸氣壓縮式熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理如圖2所示，其主要由壓縮機、節(jié)流機構(gòu)、換熱器和換向閥等組成。當(dāng)系統(tǒng)處于制冷模式時，工質(zhì)在換熱器III中從低溫?zé)嵩次諢崃縌in進(jìn)行蒸發(fā)，在換熱器I中冷凝向高溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌out；當(dāng)系統(tǒng)處于制熱模式時，工質(zhì)通過換向閥II時改變流動方向，在換熱器III中冷凝向高溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌out，在換熱器I中蒸發(fā)從低溫?zé)嵩次諢崃縌in。

當(dāng)電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)處于制熱模式時，工質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)部主要經(jīng)過壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)等過程，在壓縮功的補償下，將低溫環(huán)境中的熱量源源不斷地泵送到車內(nèi)，其壓焓圖（p-h圖）和溫熵圖（T-s圖）如圖3所示。圖3中，1-2表示工質(zhì)在壓縮機內(nèi)絕熱壓縮過程，2-2′-3表示工質(zhì)在車內(nèi)換熱器中等壓冷凝散熱過程，3-4表示工質(zhì)在膨脹閥中節(jié)流降壓過程，4-1表示工質(zhì)在車外換熱器中等壓蒸發(fā)吸熱過程。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 熱泵空調(diào)制熱模式啟動性能分析

對壓縮機轉(zhuǎn)速為3 400 r/min、環(huán)境溫度為-3℃時的熱泵空調(diào)制熱工況啟動階段的性能進(jìn)行試驗。熱泵空調(diào)系統(tǒng)從壓力平衡狀態(tài)下啟動后，系統(tǒng)從壓縮機出口經(jīng)車內(nèi)換熱器至膨脹閥入口的高壓側(cè)壓力近似均衡，從膨脹閥出口經(jīng)車外換熱器至壓縮機進(jìn)口的低壓側(cè)壓力近似均衡。熱泵空調(diào)系統(tǒng)啟動后，在壓縮機的驅(qū)動下，系統(tǒng)高壓側(cè)和低壓側(cè)的壓力分別向不同的方向一致變化。

圖4為熱泵空調(diào)系統(tǒng)高壓側(cè)和低壓側(cè)壓力隨時間變化曲線，高壓側(cè)壓力取壓縮機出口壓力，低壓側(cè)壓力取膨脹閥出口壓力。由圖4可看出，系統(tǒng)從啟動至40 s，系統(tǒng)壓力迅速變化，高壓側(cè)壓力升高速率比低壓側(cè)壓力降低速率快；從40 s至340 s，系統(tǒng)高壓側(cè)壓力保持穩(wěn)定，低壓側(cè)壓力持續(xù)降低；從340 s至690 s，高壓側(cè)壓力和低壓側(cè)壓力均升高；從690 s至860 s，高壓側(cè)壓力和低壓側(cè)壓力均降低；然后，高壓側(cè)壓力平穩(wěn)上升，低壓側(cè)壓力保持穩(wěn)定。

圖5為熱泵空調(diào)系統(tǒng)壓縮機出口溫度、車外換熱器進(jìn)口溫度隨時間變化曲線。熱泵空調(diào)系統(tǒng)啟動后，壓縮機出口溫度持續(xù)上升，從啟動至390 s，車外換熱器進(jìn)口溫度降低至-22℃，從390 s至770 s，車外換熱器進(jìn)口溫度上升，然后保持穩(wěn)定。

從系統(tǒng)啟動至390 s，膨脹閥節(jié)流降壓后管道內(nèi)壓力迅速降低，氣液混合物的壓力低于其溫度對應(yīng)的飽和壓力，制冷劑快速氣化，當(dāng)制冷劑完全氣化后，在壓縮機的抽吸作用下，低壓側(cè)壓力會繼續(xù)降低。由于制冷劑的快速氣化吸熱，熱量只能來源于尚未蒸發(fā)的液態(tài)本身，因此會造成制冷劑溫度的大幅度下降。從390 s至770 s，膨脹閥節(jié)流后壓力不再低于其溫度對應(yīng)的飽和壓力，不再出現(xiàn)閃發(fā)性蒸發(fā)現(xiàn)象，膨脹閥出口的溫度逐漸上升。隨車外換熱器內(nèi)氣體壓力的升高，壓縮機的進(jìn)口壓力升高，變排量壓縮機控制閥開度增大，活塞行程增大，熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱量增大，車內(nèi)溫升迅速上升。此時，壓縮機進(jìn)口壓力升高，帶動壓縮機出口壓力升高，啟動690 s后，隨壓縮機出口壓力升高，斜盤箱壓力升高，變排量壓縮機控制閥開度降低，活塞行程減小，造成壓縮機出口壓力降低，熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱量減小，車內(nèi)溫升速度減緩。

4.2 環(huán)境溫度對熱泵空調(diào)制熱模式啟動性能的影響

由R134a的壓焓圖可知，在定比容(單位質(zhì)量物質(zhì)所占的體積一定)條件下，隨溫度的降低，制冷劑存在由氣相變?yōu)闅庖簝上嗟倪^程。無論處于氣相還是氣液兩相，制冷劑壓力都隨溫度的降低而降低，且制冷劑處于氣液兩相時壓降對溫降的敏感程度更明顯。

熱泵空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)填充的制冷劑在換熱器、管道與環(huán)境之間存在熱量交換，制冷劑的溫度隨環(huán)境溫度的降低而降低。在制冷劑填充量不變、管道容積不變的情況下，可視為定比容條件，制冷劑的壓力會隨溫度的降低而降低。由試驗測試結(jié)果可知，電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)未啟動時，在環(huán)境溫度分別為3℃、0℃和-3℃處于平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)平均壓力依次為405.8 kPa、341.3 kPa和316.4 kPa。

在壓縮機轉(zhuǎn)速為3 400 r/min、環(huán)境溫度分別為3℃、0℃和-3℃的條件下，進(jìn)行電動汽車熱泵空調(diào)制熱工況啟動性能試驗，并對比分析了在啟動階段（0～1 200 s）不同環(huán)境溫度對系統(tǒng)高壓側(cè)壓力、低壓側(cè)壓力、壓縮機出口溫度、車外換熱器進(jìn)口溫度、車內(nèi)溫度的影響。

圖6為不同環(huán)境溫度下電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)壓力隨時間變化的對比曲線。由圖6可看出，當(dāng)環(huán)境溫度為3℃時，系統(tǒng)從啟動至480 s，系統(tǒng)高壓側(cè)壓力、低壓側(cè)壓力均存在波動，然后高壓側(cè)壓力平穩(wěn)上升，低壓側(cè)壓力保持穩(wěn)定；當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時，系統(tǒng)從啟動至620 s，系統(tǒng)高壓側(cè)壓力、低壓側(cè)壓力存在波動，然后高壓側(cè)壓力平穩(wěn)上升，低壓側(cè)壓力保持穩(wěn)定；環(huán)境溫度為-3℃時，系統(tǒng)從啟動至860 s，系統(tǒng)高壓側(cè)壓力、低壓側(cè)壓力存在波動，然后高壓側(cè)壓力平穩(wěn)上升，低壓側(cè)壓力保持穩(wěn)定。

圖7 為不同環(huán)境溫度下壓縮機出口及車外換熱器進(jìn)口溫度隨時間變化的對比曲線。由圖7可看出，環(huán)境溫度為3℃時，壓縮機出口溫度持續(xù)上升，系統(tǒng)從啟動至205 s，車外換熱器進(jìn)口溫度降低至-10℃，從205 s至370 s，溫度上升，然后保持穩(wěn)定；環(huán)境溫度為0℃時，壓縮機出口溫度持續(xù)上升，系統(tǒng)從啟動至210 s，車外換熱器進(jìn)口溫度降低至-17℃，從210 s至470 s，溫度上升，然后保持穩(wěn)定；環(huán)境溫度為-3℃時，壓縮機出口溫度持續(xù)上升，系統(tǒng)從啟動至390 s，車外換熱器進(jìn)口溫度降低至-22℃，從390 s至770 s，溫度上升，然后保持穩(wěn)定。

圖8為不同環(huán)境溫度下車內(nèi)平均溫度隨時間變化的對比曲線。由圖8可看出，環(huán)境溫度為3℃時，系統(tǒng)從啟動至480 s，車內(nèi)平均溫度存在波動，在320 s時達(dá)到18℃（冬季人體舒適溫度），然后保持平穩(wěn)上升；環(huán)境溫度為0℃時，系統(tǒng)從啟動至620 s，車內(nèi)平均溫度存在波動，在480 s時達(dá)到18℃，之后保持平穩(wěn)上升；環(huán)境溫度為-3℃時，系統(tǒng)從啟動至860 s，車內(nèi)平均溫度存在波動，至1 200 s時車內(nèi)溫度尚未達(dá)到18℃。

在環(huán)境溫度越低的情況下，電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在未啟動狀態(tài)下的系統(tǒng)平衡壓力越低，則系統(tǒng)建立穩(wěn)定的高低壓壓差所需的時間延長，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間越長。熱泵空調(diào)系統(tǒng)啟動時環(huán)境溫度越低，由膨脹閥節(jié)流降壓造成的閃發(fā)性氣化蒸發(fā)現(xiàn)象越嚴(yán)重。閃發(fā)性氣化蒸發(fā)現(xiàn)象會降低車外換熱器進(jìn)口溫度和壓縮機出口溫度，從而降低熱泵空調(diào)在啟動階段的制熱量，使熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱效果較差。

4.3 壓縮機轉(zhuǎn)速對熱泵空調(diào)制熱模式啟動性能的影響

在環(huán)境溫度為0℃、壓縮機轉(zhuǎn)速分別為1700r/min、3 400 r/min的條件下，進(jìn)行電動汽車熱泵空調(diào)制熱工況啟動性能的試驗，并對比分析了在啟動階段（0～1 800 s）不同壓縮機轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)高壓側(cè)壓力、低壓側(cè)壓力、壓縮機出口溫度、車外換熱器進(jìn)口溫度、車內(nèi)溫度的影響。

圖9為不同壓縮機轉(zhuǎn)速下電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)壓力隨時間變化的對比曲線。由圖9可看出，壓縮機轉(zhuǎn)速為1 700 r/min時，啟動后系統(tǒng)高壓側(cè)壓力平穩(wěn)上升，系統(tǒng)從啟動至1 150 s，低壓側(cè)壓力逐步降低，然后逐步上升，最后保持穩(wěn)定；壓縮機轉(zhuǎn)速為3 400 r/min時，系統(tǒng)從啟動至620 s，系統(tǒng)高壓側(cè)壓力、低壓側(cè)壓力存在波動，之后高壓側(cè)壓力保持平穩(wěn)上升，低壓側(cè)壓力保持穩(wěn)定。

圖10為不同壓縮機轉(zhuǎn)速下壓縮機出口及車外換熱器進(jìn)口溫度隨時間變化的對比曲線。由圖10可看出，壓縮機轉(zhuǎn)速為1700r/min時，壓縮機出口溫度持續(xù)上升，系統(tǒng)從啟動至210s，車外換熱器進(jìn)口溫度降低至-24℃，從210 s至1 150 s，溫度上升，然后保持穩(wěn)定；壓縮機轉(zhuǎn)速為3400r/min時，壓縮機出口溫度持續(xù)上升，系統(tǒng)從啟動至210s，車外換熱器進(jìn)口溫度降低至-17℃，從210s至470s，溫度上升，然后保持穩(wěn)定。

圖11為不同壓縮機轉(zhuǎn)速下車內(nèi)平均溫度隨時間變化的對比曲線。由圖11可看出，壓縮機轉(zhuǎn)速為1 700 r/min時，系統(tǒng)啟動后車內(nèi)平均溫度平穩(wěn)上升，在1 230 s時達(dá)到18℃；環(huán)境溫度為0℃時，系統(tǒng)從啟動至620 s，車內(nèi)平均溫度存在波動，在480 s時達(dá)到18℃，然后保持平穩(wěn)上升。當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速較低時，車內(nèi)內(nèi)溫度上升較緩慢；當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速越高時，在系統(tǒng)啟動初期車內(nèi)內(nèi)平均溫度保持短暫的穩(wěn)定后快速升高，可滿足熱泵空調(diào)系統(tǒng)快速升溫的需要。

壓縮機排量為壓縮機每一轉(zhuǎn)的輸氣體積流量，壓縮機轉(zhuǎn)速影響單位時間內(nèi)壓縮機出口工質(zhì)的體積流量，因而不同壓縮轉(zhuǎn)速下熱泵空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)循環(huán)流量不同。壓縮機轉(zhuǎn)速越高，熱泵空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)循環(huán)流量越高，單位時間內(nèi)熱泵空調(diào)的制熱量越高。另外，壓縮機轉(zhuǎn)速越低，熱泵空調(diào)系統(tǒng)啟動后經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓造成的閃發(fā)性氣化蒸發(fā)現(xiàn)象嚴(yán)重，長時間降低了車外換熱器進(jìn)口溫度和壓縮機出口溫度，制熱效果差。

5 結(jié)束語

a.由于膨脹閥節(jié)流降壓后工質(zhì)閃發(fā)性氣化蒸發(fā)，電動汽車熱泵空調(diào)在啟動階段影響車外換熱器進(jìn)口壓力和溫度，從而影響熱泵空調(diào)系統(tǒng)啟動階段的制熱量。

b.在壓縮機轉(zhuǎn)速一定的條件下，環(huán)境溫度越低，熱泵空調(diào)系統(tǒng)建立穩(wěn)定的高、低側(cè)壓差的時間越長，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間越長，且熱泵空調(diào)系統(tǒng)啟動階段車外換熱器進(jìn)口閃發(fā)性氣化蒸發(fā)現(xiàn)象嚴(yán)重，制熱效果差。

c.在環(huán)境溫度一定的條件下，壓縮機轉(zhuǎn)速越低，熱泵空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)循環(huán)流量越低，單位時間內(nèi)熱泵空調(diào)的制熱量越低，且熱泵空調(diào)系統(tǒng)啟動后經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓造成的閃發(fā)性氣化蒸發(fā)現(xiàn)象嚴(yán)重，制熱效果差。

1閔海濤，王曉丹，曾小華.電動汽車空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)匹配與計算研究.汽車技術(shù)，2009（6）:19～22.

2謝卓，陳江平，陳芝久.電動車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計分析.汽車工程，2006，28（8）：763～765.

3張優(yōu)，張海東，黃紹軍，等.純電動汽車空調(diào)制熱方案探討. SAE-C2010P160.

4徐磊，林用滿，宋文吉，等.電動汽車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計與研究.汽車技術(shù)，2013（11）:55～58.

5Takahisa Suzuki，Katsuya Ishii.Air Conditioning System for Electric Vehicle.SAE paper 960688.

6Moo-Yeon Lee，Chung-Won Cho，Jong-Phil Won etal.Performance characteristics of mobile heat pump for a large passenger electric vehicle.Applied Thermal Engineering，2013，50（1）：660～669.

7陳鎮(zhèn)凱，胡文舉.制約空氣源熱泵推廣應(yīng)用的技術(shù)因素的研究現(xiàn)狀.制冷與空調(diào)，2012，12（1）：12～18.

8沈維道，童鈞耕.工程熱力學(xué).北京：高等教育出版社，2007.修改稿收到日期為2013年10月23日。

（責(zé)任編輯文楫）

Experimental Study on Starting Performance of Electric Vehicle's Heat Pump Air-conditioning under Heating Mode

Huang Haisheng，Wei Mingshan，Peng Fazhan，Zhang Hong，Lili
（Beijing Institute of Technology）

With the use of an experimental system of heat-pump air conditioning on electric vehicles，various parameters of the system versus time from startup to steady state under heating condition are tested at different ambient temperatures and compressor speeds.The parameters include pressure at both high-pressure side and low-pressure side，outlet temperature of compressor，inlet temperature of external heat exchanger and interior temperature.The effects of ambient temperature and compressor speed on heat-pump air conditioning's starting performance under heating condition are tested and analyzed.The results show that the lower the ambient temperature is，the lower the equilibrium pressure is of the system when it is not started which also leads to a longer time the system reaches a steady state and a lower heating capacity of the heat pump air conditioning system.Besides，the higher the compressor speed is，the shorter time the system reaches a steady state，and the higher heating capacity of the system.

Electric vehicle,Heat pump air-conditioning,Heating condition,Starting performance

電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱模式啟動性能

U463.85+1

：A

：1000-3703(2014)01-0034-05