電動汽車熱泵空調制熱模式啟動性能的試驗研究

黃海圣 魏名山 彭發展 張虹 李麗

（北京理工大學）

電動汽車熱泵空調制熱模式啟動性能的試驗研究

黃海圣 魏名山 彭發展 張虹 李麗

（北京理工大學）

利用電動汽車熱泵空調試驗系統，測試了熱泵空調系統制熱模式從啟動至穩定過程中，不同環境溫度及壓縮機轉速下系統高壓側壓力、低壓側壓力、壓縮機出口溫度、車外換熱器進口溫度、車室內溫度隨時間變化的關系，并分析了環境溫度及壓縮機轉速對電動汽車熱泵空調制熱模式啟動性能的影響。試驗表明，環境溫度越低，電動汽車熱泵空調系統未啟動時平衡壓力越低，啟動后達到穩定狀態的時間越長，熱泵空調系統制熱量越低；壓縮機轉速越高，系統達到穩定狀態的時間越短，熱泵空調系統制熱量越高。

1 前言

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

TakahisaSuzuki和KatsuyaIshii[5]開發了以R134a為工質的電動汽車熱泵空調系統，系統制熱能效比COP值在較低環境溫度下可達2.3以上；Moo-Yeon Lee[6]檢測了電動汽車熱泵空調系統在不同試驗條件下的制熱性能，表明隨車外環境溫度的上升熱泵空調系統的制熱量增加。可見，電動汽車熱泵空調能效比較高，對整車結構改變小，故在電動汽車上采用熱泵空調具有廣闊的前景。目前電動汽車熱泵空調的運行效果還不理想，主要表現在熱泵空調系統的低溫適應性和車外換熱器表面結霜及除霜等問題[7]。為此，利用電動汽車熱泵空調試驗系統，對熱泵空調系統制熱工況下的啟動性能進行分析。

2 電動汽車熱泵空調系統

電動汽車熱泵空調試驗系統如圖1所示。制熱循環過程為：壓縮機對低溫低壓的氣態工質做功，使其被壓縮成高溫高壓氣體，工質經過四通換向閥流入車內換熱器，經等壓冷凝后變為中溫高壓的液體，并向車內散熱，然后經膨脹閥的節流降壓變為低溫低壓的氣液混合物，最后工質在車外換熱器內蒸發變為低溫低壓氣體，并從環境中吸收熱量，完成一次循環。制冷循環過程為：壓縮機對低溫低壓的氣態工質做功，使其被壓縮成高溫高壓氣體，工質經過四通換向閥流入車外換熱器，經等壓冷凝后變為中溫高壓的液體，并向環境中散熱，然后經膨脹閥的節流降壓變為低溫低壓的氣液混合物，最后工質在車內換熱器內蒸發變為低溫低壓氣體，并從車內吸收熱量，完成一次循環。

為模擬真實的電動汽車冷熱負荷，熱泵空調試驗系統安裝在一個車形測試臺架上，車內換熱器、鼓風機及其風道安裝在車內，電機、壓縮機、車外換熱器等部件安裝在車外。熱泵試驗系統選取可變排量壓縮機、內平衡式膨脹閥，車外換熱器選取平行流換熱器，車內換熱器選取管片式換熱器。熱泵空調系統各部件之間采用銅管連接，并采用保溫材料對管路進行包裹，以保證系統管路的保溫性能。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數據采集系統，采集板連接變送器和傳感器，對壓縮機進口溫度和壓力、壓縮機出口溫度和壓力、車內換熱器出口溫度和壓力、車外換熱器進口溫度和壓力，以及環境溫度、車內溫度進行監測。

3 理論分析

熱泵是將熱能從低溫物系（環境大氣）向高溫熱源（車內空氣）輸送的裝置。在電動汽車熱泵空調制熱工況下，熱泵在車內空氣溫度（即高溫熱源溫度）和大氣溫度（即低溫熱源溫度）之間工作，其效果是使車內空氣獲得熱量[8]。

熱泵空調系統制熱模式理論上可以實現壓縮蒸汽的逆向卡諾循環。蒸氣壓縮式熱泵空調系統工作原理如圖2所示，其主要由壓縮機、節流機構、換熱器和換向閥等組成。當系統處于制冷模式時，工質在換熱器III中從低溫熱源吸收熱量Qin進行蒸發，在換熱器I中冷凝向高溫熱源放出熱量Qout；當系統處于制熱模式時，工質通過換向閥II時改變流動方向，在換熱器III中冷凝向高溫熱源放出熱量Qout，在換熱器I中蒸發從低溫熱源吸收熱量Qin。

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

4 試驗結果與分析

4.1 熱泵空調制熱模式啟動性能分析

對壓縮機轉速為3 400 r/min、環境溫度為-3℃時的熱泵空調制熱工況啟動階段的性能進行試驗。熱泵空調系統從壓力平衡狀態下啟動后，系統從壓縮機出口經車內換熱器至膨脹閥入口的高壓側壓力近似均衡，從膨脹閥出口經車外換熱器至壓縮機進口的低壓側壓力近似均衡。熱泵空調系統啟動后，在壓縮機的驅動下，系統高壓側和低壓側的壓力分別向不同的方向一致變化。

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

圖5為熱泵空調系統壓縮機出口溫度、車外換熱器進口溫度隨時間變化曲線。熱泵空調系統啟動后，壓縮機出口溫度持續上升，從啟動至390 s，車外換熱器進口溫度降低至-22℃，從390 s至770 s，車外換熱器進口溫度上升，然后保持穩定。

從系統啟動至390 s，膨脹閥節流降壓后管道內壓力迅速降低，氣液混合物的壓力低于其溫度對應的飽和壓力，制冷劑快速氣化，當制冷劑完全氣化后，在壓縮機的抽吸作用下，低壓側壓力會繼續降低。由于制冷劑的快速氣化吸熱，熱量只能來源于尚未蒸發的液態本身，因此會造成制冷劑溫度的大幅度下降。從390 s至770 s，膨脹閥節流后壓力不再低于其溫度對應的飽和壓力，不再出現閃發性蒸發現象，膨脹閥出口的溫度逐漸上升。隨車外換熱器內氣體壓力的升高，壓縮機的進口壓力升高，變排量壓縮機控制閥開度增大，活塞行程增大，熱泵空調系統制熱量增大，車內溫升迅速上升。此時，壓縮機進口壓力升高，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，熱泵空調系統制熱量減小，車內溫升速度減緩。

4.2 環境溫度對熱泵空調制熱模式啟動性能的影響

由R134a的壓焓圖可知，在定比容(單位質量物質所占的體積一定)條件下，隨溫度的降低，制冷劑存在由氣相變為氣液兩相的過程。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。

熱泵空調系統內填充的制冷劑在換熱器、管道與環境之間存在熱量交換，制冷劑的溫度隨環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。由試驗測試結果可知，電動汽車熱泵空調系統未啟動時，在環境溫度分別為3℃、0℃和-3℃處于平衡狀態下，系統平均壓力依次為405.8 kPa、341.3 kPa和316.4 kPa。

在壓縮機轉速為3 400 r/min、環境溫度分別為3℃、0℃和-3℃的條件下，進行電動汽車熱泵空調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）不同環境溫度對系統高壓側壓力、低壓側壓力、壓縮機出口溫度、車外換熱器進口溫度、車內溫度的影響。

圖6為不同環境溫度下電動汽車熱泵空調系統壓力隨時間變化的對比曲線。由圖6可看出，當環境溫度為3℃時，系統從啟動至480 s，系統高壓側壓力、低壓側壓力均存在波動，然后高壓側壓力平穩上升，低壓側壓力保持穩定；當環境溫度為0℃時，系統從啟動至620 s，系統高壓側壓力、低壓側壓力存在波動，然后高壓側壓力平穩上升，低壓側壓力保持穩定；環境溫度為-3℃時，系統從啟動至860 s，系統高壓側壓力、低壓側壓力存在波動，然后高壓側壓力平穩上升，低壓側壓力保持穩定。

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

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

在環境溫度越低的情況下，電動汽車熱泵空調系統在未啟動狀態下的系統平衡壓力越低，則系統建立穩定的高低壓壓差所需的時間延長，系統達到穩定狀態的時間越長。熱泵空調系統啟動時環境溫度越低，由膨脹閥節流降壓造成的閃發性氣化蒸發現象越嚴重。閃發性氣化蒸發現象會降低車外換熱器進口溫度和壓縮機出口溫度，從而降低熱泵空調在啟動階段的制熱量，使熱泵空調系統的制熱效果較差。

4.3 壓縮機轉速對熱泵空調制熱模式啟動性能的影響

在環境溫度為0℃、壓縮機轉速分別為1700r/min、3 400 r/min的條件下，進行電動汽車熱泵空調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）不同壓縮機轉速對系統高壓側壓力、低壓側壓力、壓縮機出口溫度、車外換熱器進口溫度、車內溫度的影響。

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

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

圖11為不同壓縮機轉速下車內平均溫度隨時間變化的對比曲線。由圖11可看出，壓縮機轉速為1 700 r/min時，系統啟動后車內平均溫度平穩上升，在1 230 s時達到18℃；環境溫度為0℃時，系統從啟動至620 s，車內平均溫度存在波動，在480 s時達到18℃，然后保持平穩上升。當壓縮機轉速較低時，車內內溫度上升較緩慢；當壓縮機轉速越高時，在系統啟動初期車內內平均溫度保持短暫的穩定后快速升高，可滿足熱泵空調系統快速升溫的需要。

壓縮機排量為壓縮機每一轉的輸氣體積流量，壓縮機轉速影響單位時間內壓縮機出口工質的體積流量，因而不同壓縮轉速下熱泵空調系統內工質循環流量不同。壓縮機轉速越高，熱泵空調系統內工質循環流量越高，單位時間內熱泵空調的制熱量越高。另外，壓縮機轉速越低，熱泵空調系統啟動后經膨脹閥節流降壓造成的閃發性氣化蒸發現象嚴重，長時間降低了車外換熱器進口溫度和壓縮機出口溫度，制熱效果差。

5 結束語

a.由于膨脹閥節流降壓后工質閃發性氣化蒸發，電動汽車熱泵空調在啟動階段影響車外換熱器進口壓力和溫度，從而影響熱泵空調系統啟動階段的制熱量。

b.在壓縮機轉速一定的條件下，環境溫度越低，熱泵空調系統建立穩定的高、低側壓差的時間越長，系統達到穩定狀態的時間越長，且熱泵空調系統啟動階段車外換熱器進口閃發性氣化蒸發現象嚴重，制熱效果差。

c.在環境溫度一定的條件下，壓縮機轉速越低，熱泵空調系統內工質循環流量越低，單位時間內熱泵空調的制熱量越低，且熱泵空調系統啟動后經膨脹閥節流降壓造成的閃發性氣化蒸發現象嚴重，制熱效果差。

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

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

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

4徐磊，林用滿，宋文吉，等.電動汽車用熱泵空調系統的設計與研究.汽車技術，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陳鎮凱，胡文舉.制約空氣源熱泵推廣應用的技術因素的研究現狀.制冷與空調，2012，12（1）：12～18.

8沈維道，童鈞耕.工程熱力學.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

電動汽車熱泵空調系統制熱模式啟動性能

U463.85+1

：A

：1000-3703(2014)01-0034-05