電動車用空調熱泵系統(tǒng)制冷劑充注量試驗研究

吳金玉

摘 要：文章通過電動車熱泵系統(tǒng)制冷劑充注量的臺架試驗研究，驗證了制冷模式下，外部冷凝器的出口壓力和出口過冷度，壓縮機進口過熱度，與制冷劑充注量的關系，得出制冷模式下的最佳充注范圍為980～1480g；制熱模式下內部冷凝器的出口壓力和出口過冷度，壓縮機進口過熱度與制冷劑充注量的關系，得出制冷模式下的最佳充注范圍為900～1400g，綜合考慮制冷和制熱模式下，得出系統(tǒng)的最佳充注量為1300±50g。

關鍵詞：電動車；熱泵空調；充注量；外部冷凝器；內部冷凝器；過冷度；過熱度

中圖分類號：U463.85+1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）21-0040-04

Abstract： In this paper， through the bench test of the refrigerant charge of the electric vehicle heat pump system， the relationship between the outlet pressure and the outlet undercooling of the external condenser， the inlet superheat of the compressor and the refrigerant charge are verified. It is concluded that the optimum charging range in refrigeration mode is 980～1480 g， and the relationship between the outlet pressure and outlet undercooling of internal condenser， the inlet superheat of compressor and the charge of refrigerants in heating mode. It is concluded that the optimum filling range of the refrigeration mode is 900～1400 g， and the optimum charge amount of the system is 1300 ± 50 g when the refrigeration and heating modes are taken into account.

Keywords： electric vehicle； heat pump air conditioning； charge； external condenser； internal condenser； undercooling； superheat

前言

近年來，隨著新能源汽車的蓬勃發(fā)展，續(xù)航里程不足的問題成為越來越突出的矛盾，尤其在冬季制熱的情況下，續(xù)航里程將大幅度縮短，這就成了制約電動車發(fā)展的關鍵因素。而熱泵空調是一種可以將低位熱源的熱能轉移到高位熱源的空調裝置，在冬季制熱工況下COP可達2-4，能效多倍于當今普遍使用的PTC加熱，可以有效延長20%以上的續(xù)航里程，在電池技術沒有突破性進展的前提下，熱泵空調是當前傳統(tǒng)空調損耗續(xù)航里程問題為數不多的有效解決方案。

本文主要針對國內某電動車熱泵空調系統(tǒng)的充注量進行研究，利用實車管路臺架試驗對系統(tǒng)制冷模式和制熱模式充注量進行試驗研究，得出制冷模式和制熱模式下的最佳充注范圍，并制定出該系統(tǒng)的最佳充注量。

1 熱泵系統(tǒng)實車管路臺架試驗樣件和設備

1.1 試驗樣件

本文主要針對國內某電動車熱泵系統(tǒng)進行研究，系統(tǒng)主要由以下部件組成： （1）空調箱總成（Front HVAC），該空調箱總成集成了（2）內部冷凝器（inner condenser），（3）高壓空氣PTC （PTC-Air），（4） 蒸發(fā)器（Cabin EVAP），（5）電子膨脹閥（EXV），（6）板式換熱器（Chiller），（7）電磁膨脹閥；（8）電動壓縮機；（9）同軸管；（10）外部冷凝器（Condenser/EVAP）；（11）低壓熱回收換熱器模塊（LP Chiller）；（12）儲液罐 （receive dryer）；（13）電磁截止閥（solenoid valve）；（14）單向閥（one way valve）；（15）壓力溫度傳感器（PT sensor）；以及連接各個零部件的管路。

制冷模式系統(tǒng)的連接原理：打開電磁截止閥SV_Cmpr_Ohex，使制冷劑從壓縮機出來后，依次進入外部冷凝器，儲液罐，IHX，蒸發(fā)器，板式換熱器，再回到壓縮機。

制熱模式系統(tǒng)的連接原理：打開電磁截止閥SV_Cmpr_Icond， SV_Ohex， 使制冷劑從壓縮機出來后，依次進入內部冷凝器，儲液罐，外部冷凝器，低壓熱回收換熱器模塊，再回到壓縮機。

1.2 試驗設備

該試驗主要在汽車空調綜合性能試驗室進行，試驗室結構為壓縮機箱，冷凝器室，蒸發(fā)器室，和操作控制室等組成，其中冷凝器B室和蒸發(fā)器A室和蒸發(fā)器C室，分別設有制冷系統(tǒng)和加熱加濕系統(tǒng)對三個房間的環(huán)境狀態(tài)進行控制，每個房間都有風洞為樣件提供送風系統(tǒng)，并在相應的位置安裝溫度和壓力傳感器采集溫度和壓力數據并傳遞至計算機進行處理。

本實驗主要在蒸發(fā)器C室中進行，利用C室來進行環(huán)境溫濕度的控制，壓縮機和電子膨脹閥，電磁閥由系統(tǒng)臺架的控制模塊獨立控制。試驗設備的測量精度：溫度±0.5℃，壓力：±10kPa。

1.3 試驗工況

車用熱泵空調系統(tǒng)和傳統(tǒng)空調系統(tǒng)的不同之處在于制冷劑充注量的標定有制冷和制熱兩種模式，需要對兩種模式進行充注量的標定對比，從而找到合適兩種模式運行的最佳制冷充注量，試驗工況見表1。

考慮到熱泵系統(tǒng)比較復雜，系統(tǒng)中有儲液罐，因此該試驗中的系統(tǒng)充注量先預充800g制冷劑，以后每50g充注一次，每次充注后待系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄相應的系統(tǒng)參數。

2 試驗結果及分析

2.1 制冷模式的充注量結果分析

熱泵系統(tǒng)的制冷劑充注量對制冷模式的影響，主要是通過檢查外部冷凝器的出口壓力，外部冷凝器的出口壓力（即系統(tǒng)的高壓），壓縮機進口的過熱度，并校核充注平臺和儲液罐的容量。

外部冷凝器的出口過冷度是判斷系統(tǒng)制冷劑充注量是否合適的重要依據之一，外部冷凝器的出口過冷度隨制冷劑充注量的變化曲線如圖2所示，可以看出，在試驗開始階段，外部冷凝器的出口過冷度基本為零，隨著充注量的不斷增加，外部冷凝器的出口過冷度依然維持在零度，這主要是由于在熱泵系統(tǒng)中使用的非過冷式冷凝器，所以在冷凝器出口的過冷度基本沒有，此時系統(tǒng)多余的制冷劑主要儲存在儲液罐中，隨著制冷充注量的增加，出口過冷度呈上升趨勢，在制冷劑充注量到達1480g時，冷凝器的出口過冷度為4℃，這說明系統(tǒng)的儲液罐已滿，當繼續(xù)增加制冷劑，冷凝器出口的過冷度急劇上升到10℃，說明系統(tǒng)出現(xiàn)過充，這將也不利于系統(tǒng)制冷性能的發(fā)揮。因此，從外部冷凝器出口過冷度曲線可以看出，該系統(tǒng)在制冷模式下的充注量應小于1480g。

外部冷凝器的出口壓力（系統(tǒng)的高壓）也是判斷系統(tǒng)制冷劑充注量是否合適的重要依據之一。外部冷凝器的出口壓力隨制冷劑充注量的變化曲線如圖2所示，可以看出，在試驗開始階段，到相當長的一段時間內，系統(tǒng)的充注量從880g到1480g時，外部冷凝器的出口壓力基本穩(wěn)定，維持在14bar左右。隨著制冷充注量的繼續(xù)增加，外部冷凝器的出口壓力出現(xiàn)突變，系統(tǒng)出現(xiàn)過充，這個過冷度的表現(xiàn)是一致的，系統(tǒng)高壓急劇上升將嚴重影響系統(tǒng)制冷性能的發(fā)揮，因此，從外部冷凝器出口壓力的曲線可以看出，該系統(tǒng)在制冷模式下的充注量應小于1480g。

壓縮機進口過熱度也是判斷系統(tǒng)制冷劑充注量是否合適的重要依據之一。壓縮機進口過熱度隨制冷劑充注量的變化曲線如圖2所示，在試驗開始階段，當制冷劑的充注量較少時，壓縮機進口的過熱度很高，過高的過熱度將使系統(tǒng)的能力下降，隨著制冷劑的增加，壓縮機進口的過熱度逐漸降低，充注量在980g到1480g時，壓縮機的進口過熱度表現(xiàn)平穩(wěn)，基本維持在18℃，隨著制冷劑的進一步增加，過熱度將降低，過低的過熱度將增加壓縮機液擊的風險。因此，從壓縮機進口過熱度的曲線可以看出，該系統(tǒng)在制冷模式下的充注量應大于980g。

綜合外部冷凝的出口壓力，過冷度，壓縮機進口的過熱度三種因素可以看出，該熱泵系統(tǒng)在制冷模式下的最佳充注范圍為980～1480g，充注平臺為500g。該系統(tǒng)的儲液罐容積為520g，該系統(tǒng)的充注平臺與儲液罐的容積相匹配。

2.2 制熱模式的充注量結果分析

熱泵系統(tǒng)的制冷劑充注量對制熱模式的影響，主要是通過檢查內部冷凝器的出口過冷度，內部冷凝器的出口壓力（即系統(tǒng)的高壓），壓縮機進口的過熱度來確定系統(tǒng)的最佳充注量范圍。

制熱模式下，內部冷凝器的出口壓力和出口過熱與制冷劑充注量的關系如圖3所示，和制冷模式類似，內部冷凝器的出口壓力和過冷度在充注量較少的時候就開始進入平臺期，此時，系統(tǒng)多余的制冷劑主要儲存在儲液罐中，隨著制冷劑充注量的不斷增加，當充注量大于1400g時，內部冷凝器的出口壓力和過冷度陡升，進入突變階段，系統(tǒng)出現(xiàn)過充，不利于系統(tǒng)的運行。因此在制熱模式下該系統(tǒng)的制冷劑充注量應不高于1400g。

熱泵系統(tǒng)制熱模式下，整個系統(tǒng)在較低的溫度下進行，系統(tǒng)的高低壓相對較低，這就對壓縮機提出了更高的要求，因此在制熱模式下要時刻注意壓縮機進口的過熱度，防止壓縮機液擊。如圖3所示，壓縮機進口的過熱度在制冷劑較少時，過熱度較低，存在液擊的風險，隨著制冷劑充注量的增加，過熱度上升，并在制冷劑量在900～1400g時，過熱度出現(xiàn)平臺期，基本維持在4℃左右，隨著制冷劑量的繼續(xù)增加，壓縮機進口的過熱度呈下降趨勢，這將增加壓縮機液擊的風險。因此，該系統(tǒng)在制熱模式下的最佳充注量范圍為900～1400g，充注平臺為500g。

綜合制冷模式和制熱模式下，制冷劑充注量和外部冷凝器出口壓力和出口過冷度，內部冷凝器出口壓力和出口過冷度，壓縮機進口過熱度的相互影響關系，充分校核充注平臺和儲液罐的容量，把該系統(tǒng)的最佳充注量應設定在1300±50g。

3 結論

通過對電動車熱泵系統(tǒng)實車臺架充注量試驗的研究，分析了制冷劑充注量在制冷和制熱模式下對系統(tǒng)各參數的影響，確定了系統(tǒng)儲液罐的容積，確定了系統(tǒng)的最佳充注量為1300±50g，該數據和整車環(huán)模試驗的充注量1350g吻合得很好，充注量與外部冷凝器，內部冷凝器出口壓力和過冷度，壓縮機進口的過熱度的相互影響關系與整車環(huán)模的試驗結果基本一致。實車臺架試驗可以有效的驗證熱泵系統(tǒng)的性能。

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