插電混動/純電動汽車用高效熱泵系統(tǒng)

0 前言

一般來說，發(fā)動機(jī)的排氣熱量會作為配裝有發(fā)動機(jī)的汽車熱源使用(如混合動力汽車(PHEV))。豐田2012款Prius插電式混合動力汽車就是使用發(fā)動機(jī)的排氣熱量作為熱源。在純電動(EV)模式下，當(dāng)暖風(fēng)機(jī)工作時發(fā)動機(jī)也需要工作。如此，在無發(fā)動機(jī)排氣熱量可用EV模式下，為了不使電機(jī)頻繁工作，需要使用大功率的加熱器，如圖1所示。

圖1 PHEV座艙加熱概念

對于環(huán)保型汽車來說，長續(xù)航里程代表了較高的商業(yè)價值。但是，由于這些車型的可用余熱是有限的，需要額外的熱源，例如電加熱器來實(shí)現(xiàn)座艙加熱。如圖2所示，座艙加熱的能量消耗對EV模式下的續(xù)航里程有很大影響。因此，汽車需要增加高效的座艙加熱系統(tǒng)以增加續(xù)航里程。

圖2 座艙加熱能量消耗對EV模式續(xù)航里程的影響

降低座艙加熱系統(tǒng)的能量消耗常用的傳統(tǒng)方法有兩種：一種是降低座艙加熱負(fù)荷，如使用通風(fēng)控制或使用兩套采暖通風(fēng)空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)分別控制空氣供給及循環(huán)空氣[1]；另外一種方式是使用附加高效熱源，如電加熱器等。然而，傳統(tǒng)方法的效率提升潛力是有限的。而使用熱泵實(shí)現(xiàn)座艙加熱是一種行之有效的方法，因?yàn)槠湮窄h(huán)境中的熱量并利用熱交換(Qo)和空調(diào)壓縮機(jī)將熱量輸送到座艙[2](圖3)。

圖3 降低座艙加熱系統(tǒng)能量消耗的技術(shù)

1 環(huán)保汽車空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能

汽車空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要作用是冬天加熱和夏天制冷使座艙保持令乘員感到舒適的溫度。除濕對舒適性和低溫下前擋風(fēng)玻璃的除霧也非常重要。低于0 ℃的低溫環(huán)境下，除濕需要空氣流通，保持座艙舒適需要較好的加熱性能?？諝庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)采用再加熱的方式對潮濕空氣進(jìn)行除濕，通過蒸發(fā)器使潮濕空氣降到露點(diǎn)溫度以下，然后在0 ℃低溫環(huán)境下再加熱空氣到特定的目標(biāo)溫度或更高?？偟膩碚f，需要控制除濕和再加熱性能。

對于利用發(fā)動機(jī)可用余熱取暖的汽車空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，制冷循環(huán)只需要控制除濕性能，再加熱性能是通過HVAC模塊中的調(diào)溫閥門控制的。然而對于純電動汽車的熱泵系統(tǒng)來說，由于沒有發(fā)動機(jī)余熱可用，制冷循環(huán)同時需要控制除濕和再加熱性能。

1.1 低溫環(huán)境下良好的座艙加熱性能

圖4 傳統(tǒng)制冷循環(huán)與蒸汽噴射加熱循環(huán)的比較

在一定的空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下，隨著低溫尤其是低于0 ℃的環(huán)境下制冷劑密度降低，制冷劑質(zhì)量流量也隨之降低。如此一來，熱泵系統(tǒng)的外部熱交換器從環(huán)境中吸收的熱量減少，空調(diào)壓縮機(jī)抽取的制冷劑減少，從而降低了加熱性能。圖4所示的蒸汽噴射循環(huán)用以解決這個問題[3]。蒸汽噴射循環(huán)首先將制冷劑從高壓狀態(tài)膨脹到中壓狀態(tài)。中壓狀態(tài)的兩相制冷劑隨后被分離成氣態(tài)和液態(tài)。蒸汽制冷劑被重新噴射回空調(diào)壓縮機(jī)，液態(tài)制冷劑被再次膨脹到低壓狀態(tài)并輸送到外部熱交換器進(jìn)行蒸發(fā)。中壓狀態(tài)的蒸汽制冷劑被旁通后噴射回空調(diào)壓縮機(jī)，從而使用于蒸發(fā)吸收環(huán)境熱量的液態(tài)制冷劑比例提高，進(jìn)而增加焓值。噴射高密度的蒸汽制冷劑到空調(diào)壓縮機(jī)的中壓通道，增加了制冷劑流量，從而提高了加熱性能。此系統(tǒng)可使蒸汽噴射循環(huán)采用簡單的結(jié)構(gòu)，其由氣液分離器、第二個節(jié)流閥和改變流量的集成閥組成。

圖5示出了蒸汽噴射加熱循環(huán)的工作原理。從空調(diào)壓縮機(jī)排出的高溫高壓蒸汽制冷劑在內(nèi)部冷凝器的冷凝作用下釋放熱量到座艙。蒸汽制冷劑通過電子膨脹閥1進(jìn)行減壓，隨后通過集成閥分離成氣態(tài)和液態(tài)。蒸汽制冷劑被噴射回空調(diào)壓縮機(jī)，液態(tài)制冷劑經(jīng)過分離器內(nèi)部的節(jié)流閥進(jìn)一步減壓。隨后，制冷劑通過外部熱交換器從環(huán)境中吸收熱量。

圖5 蒸汽噴射加熱循環(huán)制冷劑流向

圖6 緊湊式氣液分離器

圖6示出了緊湊型氣液分離器的簡圖。其利用旋風(fēng)湍流效應(yīng)分離蒸汽和液體，這個裝置可以設(shè)計(jì)得比較緊湊是因?yàn)槠洳恍枰评鋭┬钜浩?。?dāng)切換循環(huán)，如制冷-加熱/加熱-制冷時，可以控制壓差控制閥和二通閥來旁通下面的節(jié)流閥。上面是1個壓差控制閥，其由節(jié)流閥產(chǎn)生的壓差驅(qū)動。如此，這兩個閥只需要1個二通閥就能實(shí)現(xiàn)打開和關(guān)閉。當(dāng)和節(jié)流閥并聯(lián)的二通閥關(guān)閉時，節(jié)流閥上游和下游產(chǎn)生壓差使壓差控制閥打開。

1.2 除濕和加熱

對于傳統(tǒng)汽車空調(diào)，其可以利用廢熱來實(shí)現(xiàn)座艙加熱，通過控制制冷循環(huán)來除濕。暖風(fēng)機(jī)芯體前的空氣混合調(diào)節(jié)門控制加熱性能，多余的熱量通過散熱器釋放到環(huán)境中。然而，對于汽車熱泵系統(tǒng)來說，其無廢熱可用，仍然通過控制制冷循環(huán)來除濕，但外部熱交換器的性能(散熱或吸熱)對于再加熱控制至關(guān)重要，因?yàn)樵偌訜崛Q于除濕和制冷循環(huán)(圖7)。如果外部熱交換器用于散熱到環(huán)境中，系統(tǒng)只能使用除濕的一部分熱量用于再加熱以滿足較低的加熱需求。另一方面，如果外部熱交換器用于吸熱，除了除濕的熱量，從環(huán)境中吸收的熱量也可以用于再加熱以滿足較高的加熱需求。通過制冷循環(huán)的平衡來控制外部熱交換器散熱或吸熱[2]。

圖7 除濕加熱的性能控制

圖8展示了具有不同除濕加熱循環(huán)的兩個系統(tǒng)，二者都可以使出口空氣達(dá)到特定的目標(biāo)溫度，其隨環(huán)境溫度變化。第一是串聯(lián)除濕循環(huán)，其含有1個蒸發(fā)器，布置在外部熱交換器的下游。要實(shí)現(xiàn)座艙的出口空氣溫度最大化，需要通過降低外部熱交換器的壓力到與蒸發(fā)器壓力相同從而使制冷劑與環(huán)境溫度的溫差最大化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外部熱交換器的吸熱量最大化。要降低座艙的出口空氣溫度，需要通過提高運(yùn)行壓力以最小化制冷劑與環(huán)境溫度的溫差，進(jìn)而降低外部熱交換器的吸熱量。另一方面，在較高環(huán)境溫度下，多余的熱量必須散熱到環(huán)境中，此時串聯(lián)除濕模式的作用是通過提高外部熱交換器的壓力到高于環(huán)境溫度下飽和壓力、直到和座艙內(nèi)部冷凝器壓力相同而實(shí)現(xiàn)的。另一個除濕循環(huán)模式是并聯(lián)模式，即低壓端蒸發(fā)器和外部熱交換器相互并聯(lián)。這種模式可以使座艙出口空氣溫度比串聯(lián)模式高，因?yàn)槠渫ㄟ^控制外部熱交換器的壓力低于蒸發(fā)器的壓力，從而實(shí)現(xiàn)制冷劑與環(huán)境溫度更大的溫差。通過使用這兩個除濕循環(huán)，在環(huán)境溫度0 ℃以下都可以達(dá)到所需的除濕性能和出口空氣溫度甚至更高。

圖8 除濕加熱模式循環(huán)控制

1.3 串聯(lián)除濕加熱模式

圖9 串聯(lián)除濕加熱循環(huán)制冷劑流向

圖9示出了串聯(lián)除濕加熱模式的工作原理。在這種模式下，電子膨脹閥1使制冷劑減壓，隨后制冷劑通過外部熱交換器，再通過膨脹閥2，其使制冷劑再次減壓后進(jìn)入蒸發(fā)器、回到蓄液器。在除濕加熱模式下，蒸發(fā)器對空氣進(jìn)行降溫用于除濕，座艙內(nèi)部冷凝器加熱空氣到HVAC目標(biāo)出口空氣溫度，外部熱交換器從環(huán)境中吸熱或散熱到環(huán)境中，其由兩個電子膨脹閥控制。外部熱交換器的傳熱量和傳熱方向控制除濕和加熱性能。

1.4 并聯(lián)除濕加熱模式

圖10示出了并聯(lián)除濕加熱模式工作原理。在這種模式下，座艙內(nèi)部冷凝器散熱到座艙，隨后制冷劑被分為兩路。一路經(jīng)電子膨脹閥1減壓后流進(jìn)外部熱交換器，其用于吸收環(huán)境中的熱量。另外一路經(jīng)電子膨脹閥2減壓后流入蒸發(fā)器冷卻座艙空氣。壓力閥布置在蒸發(fā)器下游，其保持蒸發(fā)溫度高于特定值以防止結(jié)霜。這種除濕加熱模式允許外部熱交換器的蒸發(fā)溫度低于蒸發(fā)器的溫度，以便使外部熱交換器可以從環(huán)境空氣中吸收更多的熱量，當(dāng)環(huán)境溫度在0 ℃左右時，此系統(tǒng)可以達(dá)到更高的加熱性能。

圖10 并聯(lián)除濕加熱循環(huán)制冷劑流向

2 結(jié)果

2.1 蒸汽噴射加熱循環(huán)的影響

圖11 傳統(tǒng)熱泵循環(huán)制冷劑流向

對比蒸汽噴射熱泵循環(huán)和傳統(tǒng)熱泵循環(huán)(圖11)，可以體現(xiàn)蒸汽噴射熱泵循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。圖12和圖13示出了加熱性能和能量消耗的臺架試驗(yàn)對比。在同樣的空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下，蒸汽噴射加熱循環(huán)的加熱性能比傳統(tǒng)加熱循環(huán)高出26%。在同樣的加熱性能(假定加熱效率為100%)下蒸汽噴射加熱循環(huán)的能耗比PTC高63%。圖2示出了座艙加熱能耗和EV模式續(xù)航里程的關(guān)系，將降低能量消耗的結(jié)果應(yīng)用到圖2中，EV模式續(xù)航里程增加21%。

圖12 蒸汽噴射加熱性能

圖13 蒸汽噴射加熱效率

2.2 串聯(lián)除濕加熱模式的溫度控制

圖14示出了串聯(lián)除濕加熱模式的溫度控制。蒸發(fā)器和出口空氣溫度可以通過控制外部熱交換器的熱交換量和電子膨脹閥單獨(dú)控制。總的來說，通過臺架試驗(yàn)確認(rèn)了HVAC出口空氣溫度可以控制在10～50 ℃，蒸發(fā)器下游的空氣溫度控制在10 ℃左右。

圖14 串聯(lián)除濕加熱模式外部空氣溫度控制

2.3 并聯(lián)除濕加熱模式的溫度控制

圖15 并聯(lián)除濕加熱模式外部空氣溫度控制和能量消耗

圖15示出了并聯(lián)除濕加熱模式的溫度控制。當(dāng)蒸發(fā)器壓力調(diào)節(jié)器維持座艙蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力時，隨著空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提高，控制外部熱交換器的蒸發(fā)壓力可以達(dá)到加熱目標(biāo)。如此一來，當(dāng)蒸發(fā)器性能被控制時(除濕性能)，外部熱交換器吸熱量增加。通過臺架試驗(yàn)確認(rèn)了出口空氣溫度可以控制在30～60 ℃，蒸發(fā)器下游的空氣溫度保持在1 ℃。這種除濕模式的能量消耗比PTC電加熱器低57%。將降低能量消耗的結(jié)果應(yīng)用到圖2中，EV模式續(xù)航里程增加15%。

3 結(jié)語

提高PHEV和BEV的續(xù)航里程需要實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。熱泵系統(tǒng)是一種潛在高效的加熱技術(shù)。熱泵系統(tǒng)的開發(fā)可以有效地保證座艙舒適性和低溫下前擋風(fēng)玻璃的除霜。熱泵系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在豐田2017款Prius Prime車型上。通過推廣使用帶節(jié)能技術(shù)的環(huán)境友好型汽車可為全球可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。