電動汽車新型熱泵空調系統的設計與試驗研究*

彭慶豐，趙 韓，陳祥吉，方運舟，趙家威

(1.合肥工業大學機械與汽車工程學院，合肥 230009； 2.奇瑞新能源汽車技術有限公司，蕪湖 241002；3.南京奧特佳冷機有限公司，南京 210022)

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2015246

電動汽車新型熱泵空調系統的設計與試驗研究*

彭慶豐1,2，趙 韓1，陳祥吉3，方運舟2，趙家威2

(1.合肥工業大學機械與汽車工程學院，合肥 230009； 2.奇瑞新能源汽車技術有限公司，蕪湖 241002；3.南京奧特佳冷機有限公司，南京 210022)

空調系統的性能對純電動汽車續航里程具有重要影響，在對采用不同制冷劑和壓縮機的電動汽車熱泵空調系統進行分析比較的基礎上，設計和研制了一種采用二級壓縮噴射熱泵的電動汽車熱泵空調系統，并與PTC采暖方式進行了實車對比試驗。結果表明，與PTC采暖系統相比，新型熱泵空調系統能夠節能15%以上，整車續航里程延長15km以上。

電動汽車；熱泵空調；二級壓縮；實車試驗

前言

純電動汽車完全依靠動力電池作為驅動動力能源，其空調系統不同于傳統內燃汽車[1-2]。與此同時，由于動力電池的容量有限[3-4]，純電動汽車空調系統的能耗占電池容量的比例較高，可達15%～20%。因此，純電動汽車空調系統的性能將對電動汽車續航里程造成直接影響。

目前，電動汽車熱泵空調的研究主要分為3種類型：(1)基于現有制冷劑R134a的熱泵系統；(2)源于德國試驗室制冷劑CO2的熱泵技術；(3)太陽能熱泵空調系統[5-6]。根據換熱器的數目，這些系統又可分為單換熱器和雙換熱器兩種；根據壓縮機的不同，系統又分滑片壓縮機和渦旋壓縮機兩種不同類型[7]。不同系統各具優缺點，適用于不同場合。

大部分電動汽車空調系統在夏季制冷時與汽油機一樣采用壓縮機，冬季采暖則采用PTC(正溫度系數熱敏電阻)電加熱方式。PTC的電加熱方式本身性能、效率和安全存在一定問題，而且降低了電動汽車在冬季的續航里程。因此，探索研究新型熱泵空調系統對加快電動汽車的技術進步和市場拓展具有重要的現實意義。

本文中在總結國內外汽車熱泵空調系統研究的基礎上，設計了一種基于制冷劑R134a的純電動汽車二級壓縮噴射熱泵空調系統，通過引入噴射器，首次將采用二級壓縮噴射技術的小型渦旋壓縮機應用在純電動汽車熱泵空調系統中[8-11]。為了驗證所設計的純電動汽車熱泵空調系統的性能，對該系統進行了實車試驗，試驗結果表明，與電動汽車原有空調系統相比，新型熱泵空調系統能夠節能15%以上，提高了電動汽車續航里程。

1 純電動汽車二級壓縮噴射熱泵空調系統設計

1.1 二級壓縮噴射熱泵系統

渦旋式壓縮機具有力矩變化小、振動小和噪聲低等優點，多應用于小型家用空調系統。因此所設計的二級壓縮噴射器熱泵系統中的二級壓縮機是在原電動汽車電動渦旋壓縮機的基礎上進行重新設計。渦旋壓縮機動靜渦旋盤結構復雜，渦旋壓縮機的噴射二級壓縮補氣區設計涉及更多內容，其具體補氣開發區如圖1所示。渦旋壓縮機二次增加補氣的開始與結束是隨渦旋盤的旋轉自動打開或關閉。相關研究表明，熱泵系統制熱量和功耗隨著噴射器溫度(壓力)增大而增大，通過調試，可在某一中間開度(溫度壓力)獲得最佳的制熱量和能效比(COP)[12-13]。

較早的純電動汽車熱泵空調系統主要通過四通閥附屬設備改變制冷劑的流向，實現冬季制熱、夏季制冷的功能，其具體結構如圖2所示。但此類熱泵系統效率低，能耗高，嚴重影響冬季電動車的續航里程。本文中提出的新型電動汽車熱泵空調系統如圖3所示，通過引入噴射器和二次壓縮技術的熱泵系統，改變壓縮機里冷媒工質的壓力流速，增加壓縮機出口冷媒的排氣量和壓力，提高壓縮機的排氣溫度，提高熱泵系統效率[14-15]。二級壓縮噴射熱泵系統的壓焓圖及其與常規電動熱泵系統壓焓比較如圖4所示。圖中，常規熱泵系統流程為a-b-c’-c-d-e；二級壓縮噴射熱泵系統流程為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，可以明顯看出二級壓縮的熱泵系統制熱量增加約20%～30%。

1.2 二級壓縮噴射熱泵系統性能分析

根據二級壓縮噴射熱泵系統工作原理可知其如下性能。

(1) 1-2壓縮過程

W1-2=(h2id’-h1)/η2

(1)

h2=h1+W1-2

(2)

(2) 2-3二次壓縮過程

W2’-3=(h3id’-h2’)/η3

(3)

h3=h2’+W2’-3

(4)

式中：W1-2為壓縮機噴射壓縮過程1-2做的功，kJ；h2id’為壓縮機中入口狀態1點等熵壓縮至狀態2對應焓值，kJ/kg；h3id為壓縮機中入口狀態1點等熵壓縮至狀態2對應焓值，kJ/kg；h1,h2和h3分別為對應狀態點的制冷劑焓值，kJ/kg；η2和η3分別為噴射過程偏離等熵壓縮過程效率。

(3) 熱泵系統制熱量

Qk=mk(h3-h4)

(5)

(4) 壓縮功

W=W1-2+W2-2’+W2’-3

(6)

(5) 制熱性能系數(能效比)

COP=Qk/Pk

(7)

式中：Qk為熱泵系統制熱量；mk為熱交換介質質量；h4為狀態4點的焓值，kJ/kg；Pk為制熱消耗的電功率。

根據式(1)～式(7)理論計算，二級壓縮噴射熱泵系統與常規熱泵系統和目前普遍采用的PTC加熱系統進行對比分析如下。

(1) 與常規熱泵系統比較，當環境溫度0℃(蒸發溫度-9℃)時，二級壓縮噴射熱泵系統的制熱量可提高25%，能效比COP提高15%。

(2) 與PTC加熱系統比較，因為PTC系統因環境不同而系統效率差異明顯，按照兩種情況對比如下：在環境溫度-2～7℃下，假設PTC的效率為97%，在給車內供暖3.8kW時，其能耗如表1所示；在環境溫度-8～-2℃下，假設PTC的效率為97%，在給車內供暖3.29kW時，其能耗如表2所示。

表1 環境溫度-2～7℃下能耗比較表

表2 環境溫度-8～-2℃下能耗比較表

2 純電動汽車二級壓縮噴射熱泵空調系統試驗

2.1 試驗裝置和測試條件

在理論分析和設計的基礎上研制了電動汽車熱泵空調系統實物樣機，并將其搭載在某純電動汽車上進行性能試驗。空調試驗室按照國際標準建設，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℃以內的高溫試驗。試驗方法和數據處理均依據中國汽車行業標準QC/T 656—2000汽車空調制冷裝置性能要求和QC/T 657—2000汽車空調制冷裝置試驗方法。測試儀表符合QC/T 657—2000的規定。試驗環境條件：環境溫度-8±0.5℃和0±0.5℃。

2.2 試驗結果分析

-8℃環境下PTC采暖溫度曲線和噴射熱泵采暖溫度曲線分別如圖5和圖6所示。圖5中,-8℃低溫環境下，PTC采暖運行約20min，空調采暖出風口溫度穩定在42～43℃，PTC額定功率為3.9kW；圖6中，噴射熱泵系統運行約27min，空調采暖出風口平均溫度穩定在36～38℃，駕駛員(副駕駛員)座頭部平均溫度20℃，熱泵壓縮機耗功1.3kW。由圖5和圖6可以看出，熱泵采暖升溫速率較慢(壓縮機由低速自動變速到高速過程)、穩定后出風口平均溫度比PTC制熱低4～5℃，折算采暖量少0.5kW，而消耗功率少2.1kW。根據式(1)得出噴射熱泵能效比約為2.46。

0℃環境下PTC采暖溫度曲線、噴射熱泵采暖溫度曲線和常規熱泵采暖曲線圖分別如圖7～圖9所示。圖7中，0℃低溫環境下，PTC(功率3.9kW)采暖約20min，出風口平均溫度穩定在45℃；圖8中，噴射熱泵系統正常運行約25min，空調采暖出風口平均溫度穩定在42℃，駕駛員(副駕駛員)座頭部平均溫度是22℃；熱泵壓縮機耗功1.14kW；由圖7和圖8可以看出，噴射熱泵采暖升溫速率較慢(壓縮機由低速自動變速到高速)穩定后出風口平均溫度比PTC制熱低3℃，折算采暖量少0.3kW，消耗功率少2.75kW。根據式(1),噴射熱泵能效比約為3.15。

由圖9中可以看出，0℃低溫環境下，常規熱泵系統工作20min后，空調采暖出風口平均溫度穩定在33℃，噴射熱泵溫度比常規熱泵采暖出風溫度高9℃左右，且升溫速率相對較快，熱量相對提高約25%。

由試驗結果可以看出，冬季(-10～10℃)搭載噴射熱泵系統比現有電動空調系統(PTC采暖)的整車節能15%以上，提高續航里程15km以上，但采暖溫升稍慢，穩定溫度略低。

3 結論

純電動汽車是國家新能源汽車產業化重要的發展戰略，其續航里程一直是關鍵制約因素之一。因此，本文中所提出的新型熱泵空調系統對于提高電動汽車續航里程，加快電動汽車的發展具有重要意義。

通過比較采用不同制冷劑和壓縮機的電動汽車熱泵空調系統，提出基于二級壓縮噴射熱泵的電動汽車熱泵空調系統設計方法，在此基礎上，研制了電動汽車二級壓縮噴射熱泵空調系統實物并進行了實車試驗。試驗結果表明，與電動汽車現有空調系統(PTC采暖)相比，新型熱泵空調系統能夠節能15%以上，但采暖效果稍有遜色。

[1] 李麗,魏名山,彭發展,等.電動汽車用熱泵空調系統設計與實驗[J].制冷學報,2013,13(6):60-63.

[2] 閆福瓏.純電動乘用車熱泵空調系統設計與性能仿真研究[D].長春:吉林大學,2012.

[3] 張利,朱雅俊,劉征宇.鋰離子電池SOC與模型參數聯合估算研究[J].電子測量與儀器學報,2012,26(4):320-324.

[4] 尹安東,周斌,江昊,等.自適應神經模糊系統的LiFePO4電池SOC預測[J].電子測量與儀器學報,2014,28(1):84-90.

[5] 祁照崗,謝卓,陳江平,等.汽車空調熱泵系統可行性分析[C].上海市制冷學會2005年學術年會論文集,2005.

[6] 馬國遠,史保新,吳立志,等.太陽能輔助電動汽車熱泵空調系統的研究[J].太陽能學報,2001,22(2):176-180.

[7] 謝卓,陳江平,陳芝久.電動車熱泵空調系統的設計分析[J].汽車工程,2006,28(8):763-765.

[8] 江挺候,張昌勝,康志軍.電動汽車熱泵系統研究進展[J].制冷技術,2012,32(2):71-74.

[9] Hosoz M, Direk M. Performance Evaluation of an Integrated Automotive Air Conditioning and Heat Pump System[J]. Energy Conversion and Management,2006(47):545-559.

[10] 許樹學,馬國遠,彭瓏.準二級壓縮-噴射熱泵的設計與試驗研究[J].化學工程,2010,38(1):99-102.

[11] Ma G Y, Ch Q H. Characteristics of an Improved Heat Pump Cycle for Cold Regions[J]. Applied Energy,2004,77(3):235-247.

[12] 許樹學,馬國遠,彭瓏.常用制冷壓縮機的準二級壓縮循環特性分析[J].石油化工設備,2009,38(4):1-4.

[13] 龐宗占,馬國遠.噴射器對準二級壓縮—噴射復合熱泵系統性能的影響[J].制冷學報,2007,28(5):26-30.

[14] Jorge I Hemmandez, Ruben J Dorantes. The Behavior of a Hybrid Compressor and Ejector Refrigeration System with Refrigerants 134a and 142b[J]. Applied Themal Engineering,2004,24:1765-1783.

[15] Pourbeik P, Agrawal B. A Hybrid Model for Representing Air-conditioner Compressor Motor Behavior in Power System Studies[C]. Pittsburgh: Proceedings of the IEEE PES Geheral Meeting,2008.

2015247

Design and Experimental Study of Novel Heat PumpAir Conditioning System for Electric Vehicles

Peng Qingfeng1,2, Zhao Han1, Chen Xiangji3, Fang Yunzhou2& Zhao Jiawei2

1.SchoolofMachineryandAutomobileEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Heifei230009；2.CheryNewEnergyAutomotiveTechnologyCo.,Ltd.,Wuhu241002; 3.NanjingAotecarRefrigeratingCo.,Ltd.,Nanjing210022

The performance of air conditioning system has an important effect on the driving range of electric vehicle (EV). Based on a comparative analysis on the heat pump air conditioner (HPAC) with different refrigerants and compressors for EV, a novel HPAC system with two-stage compression injection heat pump for EV is designed, manufactured and tested on real vehicle with comparison to its counterpart with PTC heating mode. The results show that compared with PTC heating system, the novel HPAC system consumes over 15% less energy with a vehicle driving range extends by more than 15km.

electric vehicle; heat pump air conditioner; two-stage compression; real vehicle test

*國家863計劃電動汽車關鍵技術與系統集成重大項目(2011AA11A220；2011AA11A216)資助。

原稿收到日期為2014年5月5日，修改稿收到日期為2014年8月20日。