電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)試驗研究

趙家威， 郭二寶

（1.奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖 241002；2.安徽建筑大學環(huán)境與能源學院，合肥 230601）

1 前 言

電動車使用電池作為驅(qū)動動力，它的空調(diào)系統(tǒng)采用電力驅(qū)動而非機械驅(qū)動［1］。電動空調(diào)系統(tǒng)的能耗占電池容量的15－20%，電動空調(diào)系統(tǒng)對電動車行程有很大的影響。目前電動車大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)夏季制冷采用電動壓縮機，冬季采暖使用PTC電加熱方式。PTC電阻電加熱方式本身能耗、安全存在一定問題，降低了冬季電動車的續(xù)航里程。因此，探索研究熱泵空調(diào)系統(tǒng)對電動汽車市場擴展具有現(xiàn)實的意義。

2 電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)研究

2.1 系統(tǒng)研究

目前電動汽車熱泵空調(diào)研究［2］［3］有：1）基于現(xiàn)有壓縮機的常規(guī)熱泵系統(tǒng)；2）太陽能熱泵空調(diào)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)差異主要在于室內(nèi)換熱器數(shù)量及壓縮機的類型。本文主要比較研究二級壓縮噴射熱泵和常規(guī)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。噴射熱泵系統(tǒng)與原有汽車熱泵系統(tǒng)［2］［3］相比，引入噴射器、二級壓縮技術(shù)。二級壓縮噴射技術(shù)一般應(yīng)用在體積較大的活塞式、螺桿式、離心式等壓縮機熱泵系統(tǒng)中，對于渦旋式壓縮機系統(tǒng)應(yīng)用較少［4－6］，尤其小型渦旋壓縮機應(yīng)用在電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)幾乎沒有研究。電動汽車常規(guī)熱泵空調(diào)系統(tǒng)都未含有噴射增壓。如圖1所示，主要通過四通閥附屬設(shè)備改變冷媒的流向，實現(xiàn)冬季制熱、夏季制冷的功能。本文在國內(nèi)外汽車空調(diào)研究基礎(chǔ)上，提出的新型電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)如圖2，通過噴射器實現(xiàn)二次增壓的噴射熱泵系統(tǒng)，改變壓縮機里冷媒工質(zhì)的壓力流速，增加壓縮機出口冷媒的排氣量、壓力；提高壓縮機的排氣溫度，提高熱泵系統(tǒng)效率。圖3是常規(guī)電動熱泵系統(tǒng)與二級壓縮噴射熱泵系統(tǒng)壓焓比較圖。常規(guī)熱泵系統(tǒng)的流（a－b－c＇－cd－e），二級壓縮噴射熱泵系統(tǒng)流程（a－5＇－2＇－3－4＇－4－7－7＇），由圖中3－7段與b－d段兩段直線長度（焓差）比較，可以看出二級壓縮的熱泵系統(tǒng)制熱量和功耗同時增加，但效率是上升的。

圖1 電動汽車常規(guī)熱泵空調(diào)系統(tǒng)圖

圖2 電動汽車二級壓縮噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)圖

圖3 常規(guī)熱泵系統(tǒng)與二級壓縮噴射系統(tǒng)焓差比較圖

2.2 理論計算

1.二級壓縮噴射理論計算（如圖3）：

熱泵系統(tǒng)制熱量

壓縮功：

制熱性能系數(shù)

其中，W1－2為壓縮機噴射壓縮過程1－2做的功（kJ）；W2－2＇為壓縮機噴射壓縮過程2－2＇做的功（kJ）；W2＇－3為壓縮機噴射壓縮過程2＇－3做的功（kJ）；h3，h4為制冷劑進出散熱器狀態(tài)焓值（kJ／kg）。

其中，Qk為車內(nèi)換熱器空氣側(cè)換熱量，熱泵采暖量；C 為空氣定壓比熱，等于1.005kg／（kJ·℃ ）；m為車內(nèi)換熱器流通空氣質(zhì)量，密度1.28kg／m3，迎風面積為0.202＊0.15m2，風速為2.5m／s；Δt為車內(nèi)換熱器進出風溫差；

其中，I為系統(tǒng)工作電流，A ；U 為系統(tǒng)工作電壓，V。

3 熱泵空調(diào)系統(tǒng)對比試驗

3.1 實驗裝置與測試條件

依據(jù)理論研制了電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并將其搭載在電動車上進行試驗?？照{(diào)試驗室按照國際標準建設(shè)，低溫試驗室可以完成－20℃低溫除霜試驗，高溫試驗室可以完成45℃以內(nèi)的高溫試驗。試驗方法和數(shù)據(jù)處理均依據(jù)中國汽車行業(yè)標準QC／T656－2000《汽車空調(diào)制冷裝置性能要求》和QC／T 657－2000《汽車空調(diào)制冷裝置試驗方法》。測試儀表符合QC／T 657－2000的規(guī)定。試驗環(huán)境條件：環(huán)境溫度－15±0.5℃，－8±0.5℃，2±0.5℃。試驗結(jié)果整理成性能曲線。

3.2 試驗結(jié)果分析

1、如圖4所示，－15℃低溫環(huán)境下，噴射壓縮機熱泵采暖運行約40分鐘，空調(diào)采暖出風口溫度穩(wěn)定在37℃，車內(nèi)平均溫度約15.5℃；圖5所示，常規(guī)熱泵系統(tǒng)運行約35分鐘，空調(diào)采暖出風口平均溫度穩(wěn)定在23.5℃，車內(nèi)（副駕頭部）平均溫度11.5℃。

從圖4和圖5數(shù)據(jù)曲線曲率可以看出：在系統(tǒng)開始運行前期噴射熱泵系統(tǒng)升溫速率比常規(guī)熱泵小，這是由于噴射壓縮熱泵系統(tǒng)工作循環(huán)里有個中溫冷媒回流增壓的過程；穩(wěn)定后噴射熱泵系統(tǒng)出風口平均溫度相對高13℃。

圖4 －15℃噴射熱泵采暖曲線圖

圖5 －15℃常規(guī)熱泵采暖曲線圖

2、如圖6所示，－8℃低溫環(huán)境下，噴射熱泵系統(tǒng)采暖運行40分鐘，空調(diào)采暖出風口溫度穩(wěn)定在42℃，車內(nèi)平均溫度穩(wěn)定在23.5℃；如圖7所示，常規(guī)熱泵系統(tǒng)正常運行約35分鐘，空調(diào)采暖出風口平均溫度穩(wěn)定在33℃，駕駛（副駕）座頭部溫度平均是16℃；熱泵壓縮機耗功1.45KW；在升溫速率及相對平均溫度結(jié)論上與結(jié)論1相似。

圖6 －8℃噴射熱泵采暖曲線圖

圖7 －8℃常規(guī)熱泵采暖曲線圖

3、如圖8、圖9所示，2℃低溫環(huán)境下，噴射熱泵系統(tǒng)的出風口平均溫度比常規(guī)熱泵系統(tǒng)相對高5－6℃，且兩者升溫速率相似。從變化可以看出，環(huán)境溫度越低，噴射熱泵系統(tǒng)相對制熱作用更明顯，即其相對熱效率更高。

圖8 2℃噴射熱泵采暖曲線圖

圖9 2℃常規(guī)熱泵采暖曲線圖

4、由試驗數(shù)據(jù)計算表1可知：噴射熱泵的熱效率比常規(guī)熱泵系統(tǒng)高出10%左右，這個數(shù)據(jù)結(jié)果與前面的研究結(jié)論類似。－8℃以上時噴射熱泵的熱效率隨著溫度的升高而降低，這個趨勢與結(jié)論3內(nèi)容互為佐證。

表1 熱泵系統(tǒng)耗功測試

4 結(jié) 論

電動汽車是國家新能源汽車產(chǎn)業(yè)化一個重要的發(fā)展戰(zhàn)略，其續(xù)航里程一直是制約因素。本文研究提出的新型熱泵空調(diào)系統(tǒng)對于提高電動汽車續(xù)航里程，加快電動汽車的發(fā)展具有重要意義。新型熱泵空調(diào)后期發(fā)展有如下幾點希望和各位研究者探討：

（1）結(jié)合整車工況進行熱泵系統(tǒng)的運行環(huán)境及控制策略優(yōu)化研究，以提高整車的續(xù)航里程；

（2）噴射渦旋式壓縮機的性能穩(wěn)定研究，是提高熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定及其產(chǎn)業(yè)化的一個研究方向；

（3）基于R134a的熱物性，在－15℃環(huán)境以下，熱循環(huán)采暖量下降很快，研究探尋具有更低溫（適合－30℃低溫）特性的冷媒是未來研究的重要方向。

1 謝 卓，陳江平，陳芝久.電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計分析［J］.汽車工程，2006（8）：763－765.

2 祁照崗，謝 卓，陳江平，等.汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)可行性分析［C］.上海市制冷學會二00五年學術(shù)年會論文集，2005（12）.

3 馬國遠，史保新.太陽能輔助電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究［J］.太陽能學報，2001，（2）：176－180.

4 江挺候，張勝昌，康志軍.電動汽車熱泵系統(tǒng)研究發(fā)展［J］.制冷技術(shù)，2012（2）：61－64.

5 許樹學，馬國遠，彭 瓏.準二級壓縮－噴射熱泵的設(shè)計與實驗研究［J］.化學工程，2010（1）：99－102.

6 李穎明，李躍中.熱泵技術(shù)在地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用可行性分析［J］.電力機車與城軌車輛，2009（3）：45－47.