新型電動(dòng)汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)采暖性能實(shí)驗(yàn)研究

章偉 李康

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;熱泵空調(diào)系統(tǒng);實(shí)驗(yàn);制熱方式;續(xù)航里程

0 引言

目從目前市場(chǎng)上電動(dòng)汽車的性能來(lái)看，汽車的運(yùn)行可靠性和續(xù)航里程是兩個(gè)主要問(wèn)題。在冬季，由于電池和PTC 加熱器在低溫下使用，電動(dòng)汽車在寒冷氣候下的行駛里程急劇下降[1]。為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，提出了可應(yīng)用于電動(dòng)汽車的空氣源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)在家用空調(diào)系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)研究提出，使用熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以在-10℃的環(huán)境溫度下將電動(dòng)汽車的行駛里程提高約25%[2]。然而，由于汽車在行駛過(guò)程中工況的多變性，熱泵空調(diào)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車上的廣泛應(yīng)用還受到其可靠性的制約，所以目前迫切需要對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和零部件質(zhì)量進(jìn)一步完善和優(yōu)化。

目前應(yīng)用于電動(dòng)汽車上的熱泵空調(diào)系統(tǒng)， 主要是以家用熱泵系統(tǒng)中典型的蒸汽壓縮系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。一般情況下，汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)由電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)、換熱器、氣液分離器、膨脹閥、多個(gè)電磁閥和管道組成。根據(jù)系統(tǒng)中使用的換熱器數(shù)量，電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)可分為兩換熱器和三換熱器系統(tǒng)。針對(duì)兩換熱器系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的家用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，首次提出了使用四通換向閥的電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)。雖然四通閥熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但此類型系統(tǒng)的可靠性仍有待提高，以適應(yīng)汽車行駛過(guò)程中的復(fù)雜工況[3]。

在這些廣泛應(yīng)用的汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，寶馬i3 中采用的空調(diào)系統(tǒng)是典型的使用雙三通閥的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而東風(fēng)日產(chǎn)聆風(fēng)則采用了雙旁通閥結(jié)構(gòu)[4-5]。這2 款車熱泵空調(diào)系統(tǒng)都需要另外添加熱交換器，在不同模式下使用暖風(fēng)模塊中不同的換熱器為車廂提供冷量或者熱量。由于電磁閥比三通閥更可靠、更便宜，因此雙旁通閥結(jié)構(gòu)比雙三通閥結(jié)構(gòu)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有更好的發(fā)展前景和競(jìng)爭(zhēng)力。此外，基于該雙旁通閥的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，可設(shè)計(jì)一種蒸汽噴射式熱泵空調(diào)系統(tǒng)，蒸汽噴射式系統(tǒng)可以以較低的能耗達(dá)到較好的制熱能力，并以較低的排氣溫度達(dá)到延長(zhǎng)壓縮機(jī)壽命的效果[6]。

因此可以推斷，今后電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展和優(yōu)化將主要基于現(xiàn)有的雙旁通閥結(jié)構(gòu)。本文提出了一種新設(shè)計(jì)的雙旁通閥電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室能力范圍內(nèi)對(duì)其制熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在不同的工況條件下，實(shí)驗(yàn)收集了系統(tǒng)中各零部件進(jìn)出口的制冷劑參數(shù)，分析了進(jìn)風(fēng)流量和環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。并且，對(duì)應(yīng)用了此熱泵空調(diào)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車進(jìn)行了續(xù)航里程的計(jì)算，并與裝配了PTC 加熱器的電動(dòng)汽車的續(xù)航能力進(jìn)行了比較。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與設(shè)備

汽車熱管理實(shí)驗(yàn)室示意圖如圖1 所示。此系統(tǒng)通過(guò)切換2 個(gè)電磁閥來(lái)改變制冷劑流動(dòng)路徑，從而實(shí)現(xiàn)為車廂提供冷量和熱量的基本功能。電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)、室外換熱器、室內(nèi)冷凝器、室內(nèi)蒸發(fā)器、熱力膨脹閥（具有截止閥功能）、電子膨脹閥和氣液分離器組成，有2 個(gè)流量計(jì)和2 個(gè)電磁閥，制冷劑為R134a。環(huán)境控制系統(tǒng)用于控制室外換熱器和室內(nèi)換熱器的入口參數(shù)，如室外側(cè)的風(fēng)量以及空調(diào)箱的入口空氣溫度、濕度和速度。

本電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由1 個(gè)實(shí)驗(yàn)室和2 個(gè)獨(dú)立的環(huán)境室組成。環(huán)境室分為室內(nèi)環(huán)境室和室外環(huán)境室，每個(gè)環(huán)境室都配有獨(dú)立的環(huán)境控制系統(tǒng)來(lái)控制環(huán)境的溫度和濕度，為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供相對(duì)穩(wěn)定的所需環(huán)境條件。實(shí)驗(yàn)室主要由壓縮機(jī)、室外換熱器、電子膨脹閥、熱力膨脹閥、氣液分離器、平行流微通道室內(nèi)蒸發(fā)器和室內(nèi)冷凝器構(gòu)成實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要部分。

室外部分可控溫度范圍區(qū)間為-20 ～ 60℃，溫度控制精度±0.2℃ ;室內(nèi)部分可控溫度范圍區(qū)間為-10 ～ 60℃，控制精度±0.2℃。本系統(tǒng)利用鼓風(fēng)機(jī)為室內(nèi)外換熱器提供穩(wěn)定的風(fēng)量，采用的鼓風(fēng)機(jī)可提供高達(dá)1 500 m3/h 的風(fēng)量。數(shù)據(jù)的采集主要由壓力傳感器、溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集儀完成。系統(tǒng)采用排量為27 mL/r 的電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)，由CAN 程序控制調(diào)速。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理與工況

本電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在熱泵模式下運(yùn)行的系統(tǒng)制冷劑流向如下所示：高溫高壓狀態(tài)的制冷劑氣體從壓縮機(jī)中排出后進(jìn)入室內(nèi)冷凝器中冷凝放熱，為車廂提供熱量，冷凝后的液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)電子膨脹閥節(jié)流后進(jìn)入室外換熱器蒸發(fā)換熱，最終流回壓縮機(jī)進(jìn)行下一次的循環(huán)。在此過(guò)程中，電磁閥2 打開(kāi)，電磁閥1 關(guān)閉，室外換熱器在系統(tǒng)中充當(dāng)蒸發(fā)器。

本實(shí)驗(yàn)采用的工況條件如表1 所示，控制室內(nèi)進(jìn)風(fēng)的相對(duì)濕度為50% 和室外側(cè)風(fēng)量為1 600 m3/h，調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)風(fēng)流量和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，在不同的工況條件下研究了壓縮機(jī)的溫度和壓力的變化。在定轉(zhuǎn)速的條件下，分析了系統(tǒng)性能和效能的幾個(gè)參數(shù)如：壓縮機(jī)耗功，COP，制熱量和出風(fēng)溫度在不同環(huán)境溫度和風(fēng)量情況下的變化情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)主要性能的變化

系統(tǒng)在熱泵模式下運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)耗功以及空調(diào)系統(tǒng)單位功率下的制熱量（COP）在壓縮機(jī)定轉(zhuǎn)速條件下，隨不同環(huán)境溫度變化的變化趨勢(shì)如圖2 所示。一般來(lái)說(shuō)，提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)產(chǎn)生較高的能耗。由圖中可以看出，在相同的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下，環(huán)境溫度的升高也會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)耗功的增加。在系統(tǒng)不同的進(jìn)風(fēng)風(fēng)量的條件下，壓縮機(jī)耗功隨溫度的變化程度略有不同，但都是呈上升趨勢(shì)。

由圖2 可以看出，在相同的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速條件下，不同的進(jìn)風(fēng)風(fēng)量對(duì)壓縮機(jī)耗功與環(huán)境溫度有一定的影響。隨著環(huán)境溫度從-10℃升高到0 ℃，壓縮機(jī)耗功和COP 分別增加了31% 和27%。系統(tǒng)COP 是制熱量與壓縮機(jī)耗功共同作用的結(jié)果，是系統(tǒng)能效的直接指標(biāo)。在相同的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速條件下，COP 隨著環(huán)境溫度的升高而升高。

系統(tǒng)的制熱量與出風(fēng)溫度是研究電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在不同的環(huán)境工況下，以熱泵模式穩(wěn)定運(yùn)行后得到的性能容量和出口溫度如圖3 所示。圖中收集了系統(tǒng)在定轉(zhuǎn)速的條件下，制熱量和COP 在不同實(shí)驗(yàn)工況下的變化曲線。

由圖3 可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，定風(fēng)量條件下的系統(tǒng)制熱量和出風(fēng)溫度的變化曲線呈上升趨勢(shì)。但當(dāng)環(huán)境溫度不變，風(fēng)量發(fā)生改變時(shí)，制熱量和COP 會(huì)發(fā)生不同的變化。風(fēng)量從300 m3/h 增加到400 m3/h 時(shí)， 隨著環(huán)境溫度從-10℃升高到0 ℃，制熱量增加了6% ～ 13%，出口空氣溫度降低了8% ～ 25%。這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)風(fēng)風(fēng)量增大時(shí)，入口空氣與換熱器之間的強(qiáng)制對(duì)流增強(qiáng)，導(dǎo)致制熱量增加。

但是風(fēng)量增大會(huì)導(dǎo)致入口空氣沒(méi)有足夠的時(shí)間與換熱器進(jìn)行熱量交換，從而使出口空氣溫度降低。當(dāng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)風(fēng)量一致時(shí)，高環(huán)境溫度工況下的系統(tǒng)換熱能力較強(qiáng)，制熱量較大。同時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度為-10℃時(shí)，在不同風(fēng)量的工況條件下出口空氣溫度的范圍為12 ～ 15℃。考慮到溫度損失，系統(tǒng)此時(shí)必須打開(kāi)PTC 以滿足舒適性要求。

2.2 行駛里程的計(jì)算與比較

為了探討熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于電動(dòng)汽車上的節(jié)能能力，對(duì)在寒冷冬季采取不同方式為車廂供暖的電動(dòng)汽車行駛里程進(jìn)行了比較。假定PTC 電加熱器熱效率為1，車速為60 km/h，行駛里程計(jì)算公式如下：

Ah——電池容量

v——汽車行駛速度

t——汽車沒(méi)有加熱的時(shí)間

WPTC——滿足車輛所需負(fù)荷的PTC 耗功

WHP——系統(tǒng)在熱泵模式運(yùn)行時(shí)壓縮機(jī)的功耗。

電動(dòng)汽車在不同的環(huán)境溫度下的熱負(fù)荷結(jié)果如圖4 所示。由圖中可以看出，環(huán)境溫度越低，汽車駕駛艙內(nèi)的冷負(fù)荷越大，需要通過(guò)熱泵空調(diào)抵消的負(fù)荷越大。

不同環(huán)境溫度下，使用不同供熱方式的電動(dòng)汽車在行駛車速為60 km/h 運(yùn)行條件下的續(xù)航里程如圖5 所示。從圖中可以看出，使用不同的供熱方式對(duì)電動(dòng)汽車的行駛里程有較為明顯的影響。冬季采暖時(shí)，PTC 加熱器會(huì)使行駛里程減少32% ～ 47%。而使用熱泵空調(diào)制熱后，由于能耗降低了25% ～ 31%，汽車?yán)m(xù)航里程將會(huì)延長(zhǎng)，在較低的環(huán)境溫度下汽車的續(xù)航效果會(huì)更好。

3 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)會(huì)在很大程度上影響汽車的續(xù)航里程，是目前備受關(guān)注的一個(gè)研究領(lǐng)域。在本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，對(duì)電動(dòng)汽車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量了熱泵循環(huán)中的壓力、溫度和壓縮機(jī)耗功的變化，并對(duì)出風(fēng)溫度和換熱器換熱能力進(jìn)行了分析。通過(guò)一系列可重復(fù)的試驗(yàn)，驗(yàn)證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。本文主要結(jié)論如下。

（1）壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)有明顯影響，轉(zhuǎn)速越大，壓縮機(jī)耗功越大;壓縮機(jī)和冷凝器的出口溫度壓力及壓力隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大，這也導(dǎo)致了較高的制熱量。

（2）對(duì)于熱泵空調(diào)系統(tǒng)，入口空氣風(fēng)量和環(huán)境溫度對(duì)暖風(fēng)系統(tǒng)出口空氣溫度有顯著影響。入口空氣風(fēng)量的增大會(huì)導(dǎo)致制熱量增加但出風(fēng)溫度降低。在環(huán)境溫度-10℃下，當(dāng)風(fēng)量為300 m3/h 時(shí)，最大制熱量比400 m3/h 提高13%。此時(shí)，在不同風(fēng)量的工況條件下出口空氣溫度的范圍為12 ～ 15℃?？紤]到溫度損失，系統(tǒng)此時(shí)必須打開(kāi)PTC 以滿足舒適性要求。

（3）實(shí)驗(yàn)證明，在冬季的低溫條件下，使用熱泵系統(tǒng)制熱的電動(dòng)汽車比使用PTC 加熱器的更節(jié)能。在本文的實(shí)驗(yàn)對(duì)比下，前者相比后者可以使行駛里程增加25% ～ 31%。本文提出的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案，既可增加整車?yán)m(xù)航里程，又能提供較高的制熱量滿足車廂舒適性。