電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)霜特性及除霜策略

梁志豪, 巫江虹, 金鵬, 李會(huì)喜

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣東 廣州 510641；2.北京汽車股份有限公司 汽車研究院, 北京 101300；3.英格索蘭(中國(guó))投資有限公司, 廣東 廣州 510620)

電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)霜特性及除霜策略

梁志豪1, 巫江虹1, 金鵬2, 李會(huì)喜3

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣東 廣州 510641；2.北京汽車股份有限公司 汽車研究院, 北京 101300；3.英格索蘭(中國(guó))投資有限公司, 廣東 廣州 510620)

換熱器結(jié)霜是影響熱泵空調(diào)冬季制熱性能的重要因素。研究電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)微通道換熱器結(jié)霜性能，在不同室外溫度、室外相對(duì)濕度、室外送風(fēng)量工況下，測(cè)試熱泵系統(tǒng)的制熱性能、室外側(cè)微通道換熱器結(jié)霜面積占比及結(jié)霜速率等參數(shù)，分析電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)霜影響因素。研究結(jié)果表明：室外溫度降低、送風(fēng)量減少、相對(duì)濕度增大都使室外換熱器結(jié)霜開始時(shí)間提前、結(jié)霜面積占比增加；分析系統(tǒng)制熱能效比和結(jié)霜速率隨時(shí)間的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)換熱器結(jié)霜速率的變化與系統(tǒng)能效的變化趨勢(shì)一致，運(yùn)行初期結(jié)霜速率增加時(shí)，系統(tǒng)能效增加；運(yùn)行后期結(jié)霜速率下降時(shí)，系統(tǒng)能效同時(shí)下降；經(jīng)過多種工況下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以上規(guī)律；將結(jié)霜速率驟降同時(shí)結(jié)霜區(qū)域占比達(dá)到30%作為反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)霜情況的判斷點(diǎn)，當(dāng)結(jié)霜速率發(fā)生驟降且結(jié)霜區(qū)域占比達(dá)到30%時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入除霜模式；將二值化照片中結(jié)霜區(qū)域的占比作為系統(tǒng)除霜完畢的判斷點(diǎn)，除霜過程中結(jié)霜區(qū)域的占比與初始未結(jié)霜照片占比一致即可認(rèn)為除霜完畢，得到完整的除霜控制策略；該除霜策略有效降低系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)制熱性能。

工程熱物理；電動(dòng)汽車；熱泵空調(diào)；制熱能效比；結(jié)霜速率；結(jié)霜面積占比

0 引言

電動(dòng)汽車克服了燃油汽車的化石燃料依賴問題，能源利用多元化，安靜環(huán)保，代表著未來(lái)汽車發(fā)展的趨勢(shì)[1]。相較于傳統(tǒng)的PTC加熱空調(diào)制冷系統(tǒng)，汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在制熱效率、經(jīng)濟(jì)性上更有優(yōu)勢(shì)[2-3]，是目前業(yè)界研究的重點(diǎn),微通道換熱器由于其高效、節(jié)材、環(huán)保、輕量的特點(diǎn)，是電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)的首選，不少學(xué)者對(duì)微通道換熱器在電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)上的應(yīng)用進(jìn)行了適應(yīng)性研究。Qi等[4]對(duì)比了室內(nèi)側(cè)采用微通道換熱器、室外側(cè)采用平行流換熱器的強(qiáng)化汽車空調(diào)系統(tǒng)與室內(nèi)側(cè)采用層疊式換熱器、室外側(cè)采用平行流的傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明強(qiáng)化汽車空調(diào)系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)性能。巫江虹等[5]對(duì)比了室內(nèi)外側(cè)均采用微通道換熱器的汽車空調(diào)系統(tǒng)與室內(nèi)外側(cè)均采用管翅式的汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能，實(shí)驗(yàn)表明，采用微通道換熱器后系統(tǒng)車內(nèi)外換熱器體積分別減少了62.5%及57.6%，制冷劑充注量減少26.5%，制冷系數(shù)和制熱系數(shù)分別降低1.7%～4.8%和4.2%～9.7%. 盡管微通道換熱器比傳統(tǒng)換熱器有一定的優(yōu)勢(shì)，但在熱泵運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)室外環(huán)境溫度降低時(shí)，室外側(cè)微通道換熱器會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，極大地影響系統(tǒng)的制熱性能。因此，換熱器結(jié)霜特性及與之相關(guān)的除霜控制策略問題亟待解決。

除霜控制策略決定了整機(jī)機(jī)組的制熱效率。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)除霜控制策略做了大量研究，包括定時(shí)控制法、換熱器進(jìn)出風(fēng)溫差控制法、排氣溫度控制法、蒸發(fā)器進(jìn)口制冷劑流量不穩(wěn)定檢測(cè)控制法等[6-7]，一些學(xué)者還將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制法應(yīng)用到除霜控制，提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)除霜控制法[8]和模糊控制除霜法[9]等。

以上的檢測(cè)和控制方法是基于間接參數(shù)檢測(cè)控制，理論上要求間接參數(shù)在熱泵系統(tǒng)全工況運(yùn)行中都要準(zhǔn)確表征除霜點(diǎn)，很難做到，可能導(dǎo)致無(wú)霜除霜、有霜不除、除霜不凈、除凈后不停等問題。相對(duì)的，霜層厚度的檢測(cè)和控制是最直接和準(zhǔn)確的控制除霜方法，為此，Xia等[10]利用纖維鏡將翅片間霜層增長(zhǎng)過程的圖像拍攝記錄下來(lái)，從而對(duì)霜層的增長(zhǎng)進(jìn)行分析。Guo等[11]則利用顯微鏡拍下來(lái)的霜層圖片研究霜層增長(zhǎng)和霜層的形態(tài)對(duì)系統(tǒng)的影響。

遺憾的是，以上方法只能在實(shí)驗(yàn)室對(duì)霜層厚度進(jìn)行測(cè)量，無(wú)法在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中進(jìn)行，因此,部分學(xué)者采用更方便的光電轉(zhuǎn)換設(shè)備對(duì)霜層厚度進(jìn)行測(cè)量。Byun等[12]把9組光電耦合器(OC)平均布置在換熱器上翅片間空隙的兩端，并分別以其中1～6個(gè)OC電壓信號(hào)發(fā)生大幅變化作為除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明把其中6個(gè)OC電壓信號(hào)發(fā)生明顯變化作為除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)的整體制熱性能最高。文獻(xiàn)[13-15]改良了這一方法，通過熱傳導(dǎo)的方式使霜層在一緊貼管路薄銅板的方形槽上生長(zhǎng)，通過光電傳感器觀察該區(qū)域霜層的變化，監(jiān)測(cè)結(jié)霜程度，提高檢測(cè)精度，改善除霜循環(huán)。由于檢測(cè)范圍限制，需要多個(gè)光電傳感器才能對(duì)換熱器整體的結(jié)霜情況進(jìn)行檢測(cè)。

本文研發(fā)出了室內(nèi)外換熱器均為微通道換熱器的純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，用電荷耦合器件(CCD)攝像頭監(jiān)控記錄熱泵系統(tǒng)在不同結(jié)霜工況下室外換熱器的結(jié)霜情況，分析室外溫濕度及送風(fēng)量對(duì)換熱器結(jié)霜的影響，對(duì)比系統(tǒng)結(jié)霜、除霜過程中全局結(jié)霜面積占比、局部結(jié)霜面積占比、結(jié)霜速率、制熱能效比(COP)的變化曲線，將結(jié)霜速率的驟降和結(jié)霜面積占比同時(shí)作為反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)霜情況的判斷點(diǎn)。當(dāng)結(jié)霜速率發(fā)生驟降且結(jié)霜面積占比達(dá)到一定值時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入除霜模式；除霜過程中二值化照片結(jié)霜區(qū)域的占比與初始未結(jié)霜照片占比一致，即可認(rèn)為除霜完畢，該除霜策略有效地避免誤除霜及過除霜現(xiàn)象，降低系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)制熱性能。

1 試驗(yàn)研究

1.1 測(cè)試系統(tǒng)

電動(dòng)汽車空調(diào)性能試驗(yàn)系統(tǒng)圖及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖如圖1、圖2所示。

圖1 電動(dòng)汽車空調(diào)性能試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)圖Fig.1 Measuring points of EV heat pump air conditioning performance testing system

圖2 電動(dòng)汽車空調(diào)性能試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.2 Photograph of EV heat pump air conditioning performance testing system

系統(tǒng)管路的溫度和壓力測(cè)點(diǎn)分別布置在壓縮機(jī)的進(jìn)出口、室內(nèi)外側(cè)換熱器的進(jìn)出口、電子膨脹閥的進(jìn)出口。換熱器表面的溫度測(cè)點(diǎn)布置和CCD攝像頭觀測(cè)記錄位置如圖2所示，全局CCD攝像頭擺放在回風(fēng)口中間位置，右側(cè)為局部拍攝用攝像頭，熱電偶的測(cè)試精度為1.1℃. 焓差室測(cè)試系統(tǒng)的熱平衡精度在2%以內(nèi)，重復(fù)性精度在±1%以內(nèi)。熱泵空調(diào)測(cè)試系統(tǒng)的室內(nèi)外換熱器均采用微通道換熱器，參數(shù)尺寸見表1.

表1 微通道換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of micro-channelheat exchangers

1.2 結(jié)霜測(cè)量

1.2.1結(jié)霜面積占比

換熱器結(jié)霜狀態(tài)由布置在換熱器前方的全局?jǐn)z像頭拍攝記錄，并對(duì)所拍攝圖片進(jìn)行鏡頭校正，消除魚眼和拍攝角度的影響，對(duì)修正后的圖片采用灰度閾值分割法進(jìn)行圖像分割，得到二值化處理圖，與換熱器初始狀態(tài)的二值化狀態(tài)值作對(duì)比，計(jì)算出換熱器結(jié)霜的面積占比。具體方法如下：

假定圖像h(x,y)的灰度范圍為g1～g2，在g1，g2之間選擇一個(gè)灰度值T作為門限(采用最大類間方差法計(jì)算門限值)，并將每個(gè)像素的灰度與其進(jìn)行比較，如(1)式所示，高于門限值的像素分配最大灰度1，低于門限值的像素則分配最小灰度0，從而將圖片轉(zhuǎn)換為一個(gè)二值化圖像。

(1)

式中：gT為處理后圖像灰度；x、y為圖像坐標(biāo)。

全局?jǐn)z像頭拍攝圖、修正圖及處理二值化處理圖如圖3所示。

圖3 換熱器結(jié)霜過程中圖像處理圖Fig.3 Image processing of heat exchanger during frosting

由圖3(c)可知，換熱器表面中處于結(jié)霜狀態(tài)與未結(jié)霜狀態(tài)的區(qū)域有較大區(qū)別,圖3(c)中白色區(qū)域?yàn)閾Q熱器扁管和結(jié)霜的翅片，黑色區(qū)域?yàn)槠渌唇Y(jié)霜的部分。因此，可通過計(jì)算二值化圖像中白色區(qū)域占整體區(qū)域中的占比表示結(jié)霜區(qū)域覆蓋情況。

1.2.2 結(jié)霜速率

換熱器的結(jié)霜速率等于換熱器進(jìn)出風(fēng)含濕量的差值，即可通過測(cè)量換熱器的進(jìn)出風(fēng)溫濕度以及風(fēng)量間接計(jì)算得出：

Δm=m(di-do)，

(2)

式中：Δm為單位時(shí)間內(nèi)的結(jié)霜量，即結(jié)霜速率(g/s)；m為換熱器送風(fēng)質(zhì)量流量(kg/s)；di為換熱器送風(fēng)含濕量(g/kg)；do為換熱器出風(fēng)含濕量(g/kg)。

1.3 測(cè)試工況

室外換熱器入口空氣溫度的變化范圍為5～10 ℃，入口空氣的相對(duì)濕度變化范圍為60%～90%，入口空氣的送風(fēng)量變化范圍為600～1 800 m3/h，工況如表2所示，所有試驗(yàn)工況下室內(nèi)側(cè)環(huán)境溫度均控制在20 ℃，相對(duì)濕度則為50%.

表2 系統(tǒng)性能測(cè)試試驗(yàn)室外換熱器入口空氣工況Tab.2 Supply air condition of outside heat exchanger in the system performance testing

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 影響結(jié)霜因素分析

圖4顯示了熱泵系統(tǒng)制熱工況(蒸發(fā)器室干球溫度為7 ℃，相對(duì)濕度為80%)室外側(cè)不同的送風(fēng)量下的蒸發(fā)器結(jié)霜變化情況。

圖4 不同風(fēng)量下的結(jié)霜情況Fig.4 Frosting condition at different blowing rates

由圖4可知，蒸發(fā)器送風(fēng)量為600 m3/h時(shí)，蒸發(fā)器在系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行10 s后開始結(jié)霜，結(jié)霜面積占比以較大的速率增加，50 s后結(jié)霜速率下降，550 s后結(jié)霜面積占比達(dá)到65%并開始保持不變。風(fēng)量為1 200 m3/h和1 800 m3/h時(shí)，蒸發(fā)器結(jié)霜的發(fā)生時(shí)間依次為30 s和40 s. 3種不同送風(fēng)量工況下結(jié)霜面積占比的整體變化情況基本一致，換熱器結(jié)霜前期，結(jié)霜面積占比變化速率最大，之后逐漸減緩，結(jié)霜面積占比達(dá)到最大值后保持穩(wěn)定。送風(fēng)量為600 m3/h、1 200 m3/h、1 800 m3/h時(shí)，換熱器的最大結(jié)霜面積占比依次是67%、58%和40%. 送風(fēng)量較小時(shí)，空氣緩慢地流過換熱器表面，空氣被冷卻達(dá)到水汽過飽和的時(shí)候，多余的水汽就會(huì)析出，進(jìn)而結(jié)霜。當(dāng)風(fēng)量增大后，空氣通過換熱器表面速度提高，水汽停留在翅片表面的穩(wěn)定性降低，發(fā)生結(jié)霜的可能性降低。因此，在測(cè)試范圍內(nèi)，風(fēng)量越小，換熱器結(jié)霜的發(fā)生時(shí)間越早，越容易大面積結(jié)霜。

圖5顯示了熱泵系統(tǒng)制熱工況(蒸發(fā)器側(cè)相對(duì)濕度為60%，送風(fēng)量為600 m3/h)不同室外溫度下的換熱器結(jié)霜情況。

圖5 不同溫度工況下的結(jié)霜情況Fig.5 Frosting condition at different outside air temperatures

由圖5可知，當(dāng)室外溫度為5 ℃時(shí)，蒸發(fā)器在系統(tǒng)運(yùn)行10 s后開始結(jié)霜，50 s后結(jié)霜速率變緩，350 s后結(jié)霜面積占比達(dá)到最大值60%. 室外溫度為7 ℃和10 ℃時(shí)，換熱器結(jié)霜情況與5 ℃工況下的變化趨勢(shì)一致，只是換熱器結(jié)霜發(fā)生時(shí)間依次推遲，結(jié)霜面積占比最大值也依次減小。空氣溫度越低，與換熱器表面接觸換熱后的溫度越低，更容易達(dá)到過飽和的狀態(tài)，從而析出水分結(jié)成冰晶。因此，在測(cè)試范圍內(nèi)，較低的空氣溫度有助于換熱器表面結(jié)霜以及霜層的生長(zhǎng)。

圖6顯示了熱泵系統(tǒng)制熱工況(蒸發(fā)器側(cè)干球溫度為7 ℃，送風(fēng)量為1 200 m3/h)室外側(cè)不同的相對(duì)濕度工況下的換熱器結(jié)霜情況。

圖6 不同相對(duì)濕度工況下的結(jié)霜情況Fig.6 Frosting condition at different outside air relative humidity

由圖6可知，空氣送風(fēng)相對(duì)濕度為90%工況下，系統(tǒng)運(yùn)行30 s后室外換熱器開始結(jié)霜，400 s后換熱器結(jié)霜面積占比達(dá)到最大值63%. 對(duì)于相對(duì)濕度為80%和60%的工況，其結(jié)霜發(fā)生時(shí)間依次推遲，最大結(jié)霜面積占比也依次減小。在其他參數(shù)不變的情況下，相對(duì)濕度較大意味著更容易析出水分，在空氣流過換熱器表面后，較大相對(duì)濕度的空氣更容易達(dá)到過飽和的狀態(tài)。因此，在測(cè)試范圍內(nèi)，空氣相對(duì)濕度越大，結(jié)霜發(fā)生時(shí)間越早，結(jié)霜面積占比也越大。

2.2 結(jié)霜對(duì)熱泵性能的影響

圖7顯示了室外側(cè)相對(duì)濕度為60%，風(fēng)量為600 m3/h，干球溫度為7 ℃的工況下，換熱器結(jié)霜面積占比、結(jié)霜速率、COP隨時(shí)間的變化關(guān)系。

圖7 室外溫度7 ℃、相對(duì)濕度60%、風(fēng)量600 m3/h下結(jié)霜面積占比、結(jié)霜速率、COP隨時(shí)間的變化關(guān)系圖Fig.7 Frost area proportion, frosting rate and COP vs. time at outside air temperature of 7 ℃, outside air relative humidity of 60% and supply air volume of 600 m3/h

隨著系統(tǒng)運(yùn)行，換熱器在40 s后開始結(jié)霜，空氣側(cè)的水蒸氣發(fā)生相變，換熱器結(jié)霜速率迅速增加，伴隨著相變潛熱的釋放，蒸發(fā)器的換熱量迅速增加，系統(tǒng)的COP也迅速增大。370 s后，換熱器結(jié)霜面積占比達(dá)到52%并開始保持不變，而系統(tǒng)的性能、換熱器結(jié)霜速率也幾乎在同一時(shí)間開始逐漸下降，COP從1.69逐漸下降到1.01，結(jié)霜速率從5.27 kg/h下降到0.69 kg/h. 在另一工況下，三者隨時(shí)間的變化類似(見圖8)。

圖8 室外溫度10 ℃、相對(duì)濕度60%、風(fēng)量600 m3/h結(jié)霜面積占比、結(jié)霜速率、COP隨時(shí)間的變化關(guān)系圖Fig.8 Frost area proportion, frosting rate and COP vs. time at outside air temperature of 10 ℃, outside air relative humidity of 60% and supply air volume of 600 m3/h

在換熱器結(jié)霜早期，結(jié)霜量的增加主要體現(xiàn)在換熱器的結(jié)霜區(qū)域增加上，霜層厚度較薄，對(duì)空氣與制冷劑換熱的阻隔少，而霜層的粗糙表面能增大換熱器的換熱系數(shù)，加之水蒸氣在換熱器表面發(fā)生相變，霜層的存在對(duì)換熱有促進(jìn)作用。因此，在該階段內(nèi)，隨著結(jié)霜面積的增加，結(jié)霜速率增大，蒸發(fā)器的換熱量增大，并通過提升蒸發(fā)溫度間接提升了系統(tǒng)的能效。

而在結(jié)霜區(qū)域逐漸趨于穩(wěn)定后，霜主要從霜層厚度方向增長(zhǎng)，空氣與制冷劑的換熱開始變得困難，水蒸氣發(fā)生相變的可能性減少，霜層對(duì)換熱從提升作用逐漸轉(zhuǎn)換到起阻礙作用，結(jié)霜速率開始減少，系統(tǒng)的能效開始降低。盡管如此，由于此時(shí)霜層厚度還沒增加到一定程度，結(jié)霜速率、系統(tǒng)的能效經(jīng)過突然下降后還保持在較高水平，繼而緩慢下降。

從圖7～圖9可以看出，結(jié)霜速率與COP變化趨勢(shì)較為接近，通過SPSS軟件對(duì)3種工況下結(jié)霜速率與COP的相關(guān)性進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明二者的皮爾遜相關(guān)系數(shù)在3種工況下分別為0.664、0.839和0.912. 而且通過假設(shè)檢驗(yàn)，3種工況下的相關(guān)性由誤差引起的概率p均在0.01級(jí)別內(nèi)，說(shuō)明結(jié)霜速率與COP相關(guān)性顯著。因此，可以基于結(jié)霜速率的驟降判斷系統(tǒng)能效的變化。

圖9 室外溫度5 ℃、相對(duì)濕度80%、風(fēng)量600 m3/h下結(jié)霜速率、COP隨時(shí)間的變化關(guān)系圖Fig.9 Frosting rate and COP vs. time at outside air temperature of 5 ℃, outside air relative humidity of 80% and supply air volume of 600 m3/h

3 除霜控制策略分析

3.1 除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)確定

圖10為局部攝像頭拍攝的換熱器結(jié)霜過程圖像的處理圖。

圖10 換熱器結(jié)霜過程局部圖像處理Fig.10 Image processing under frosting

通過對(duì)換熱器局部結(jié)霜過程進(jìn)行拍攝，并進(jìn)行二值化處理，得到結(jié)霜過程中不同時(shí)刻換熱器的局部結(jié)霜面積變化圖。由圖10可知，換熱器未結(jié)霜時(shí)，白色部分的占比為0.173，隨著換熱器結(jié)霜，白色部分占比逐漸增大，由0.173(見圖10(a))增大到0.614(見圖10(c))，表明此時(shí)畫面中換熱器扁管和翅片的結(jié)霜區(qū)域在逐漸增大，最后白色部分占比變化到0.859并維持穩(wěn)定。由于扁管和翅片接觸區(qū)域結(jié)霜處有下陷，畫面較暗，導(dǎo)致處理的結(jié)果為黑色，因此，可認(rèn)為此時(shí)畫面中換熱器結(jié)霜區(qū)域占比為1，即當(dāng)前畫面中的換熱器區(qū)域已全部結(jié)霜。從而，基于攝像頭拍攝的換熱器局部區(qū)域白色占比的變化能判斷出換熱器結(jié)霜的程度。盡管如此，由于不同位置結(jié)霜程度不一致(見圖3)，單個(gè)攝像頭只能對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行拍攝，還需多個(gè)攝像頭才能判斷出整體換熱器的結(jié)霜程度，而這也可通過全局?jǐn)z像頭實(shí)現(xiàn)。

準(zhǔn)確的除霜時(shí)間點(diǎn)可以確保除霜的及時(shí)、準(zhǔn)確，避免出現(xiàn)誤除霜現(xiàn)象，影響機(jī)組性能。通過全局白色區(qū)域占比與換熱器的結(jié)霜速率同時(shí)約束可以較為準(zhǔn)確地得到換熱器的結(jié)霜情況，判斷機(jī)組性能衰減狀況，進(jìn)而確定系統(tǒng)除霜的進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)。全局白色區(qū)域占比初步定為30%. 通過圖7～圖9的觀察可知，當(dāng)換熱器結(jié)霜速率較其變化峰值有較大程度的迅速下降時(shí)，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱COP也會(huì)有較大幅度的下降，且兩者隨后都以緩慢的速率繼續(xù)下降。因此，當(dāng)結(jié)霜速率發(fā)生驟降且全局白色區(qū)域占比達(dá)到30%時(shí)，可以作為熱泵系統(tǒng)除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)的判定方式。

3.2 除霜退出時(shí)間點(diǎn)確定

圖11為換熱器除霜過程局部攝像頭拍攝圖像處理過程圖。

圖11 換熱器除霜過程圖像處理Fig.11 Image processing under defrosting

換熱器除霜起始時(shí)刻的霜層占比為0.859(見圖10(d))，除霜進(jìn)行20 s時(shí)，霜層占比下降到0.833(見圖11(a))，隨著除霜的進(jìn)行，霜層占比繼續(xù)下降。除霜進(jìn)行5 min后，霜層全部融化為水，此時(shí)白色區(qū)域占比僅為0.201(見圖11(d))，當(dāng)白色區(qū)域占比恢復(fù)到0.173(見圖10(a))時(shí)，代表霜層已經(jīng)完全融化完畢，融霜水也完全蒸發(fā)。

由圖11可知，除霜過程中通過判斷局部攝像頭拍攝處理圖像中白色區(qū)域占比的變化情況可以判斷出除霜進(jìn)行情況，當(dāng)白色區(qū)域占比降到與開始時(shí)刻一致的0.173時(shí)，則判定為除霜完畢。盡管上述拍攝區(qū)域同樣為換熱器的局部區(qū)域，但對(duì)于當(dāng)前采用的反轉(zhuǎn)除霜方式，高溫制冷劑最后流過換熱器的區(qū)域是除霜過程中最晚除霜完畢的區(qū)域，(見圖12)可作為當(dāng)前除霜方式除霜完畢的判斷時(shí)間點(diǎn)。

圖12 除霜最后階段殘存的結(jié)霜區(qū)域Fig.12 Frosting zone at the last stage of defrosting

對(duì)于其他除霜方式，也可通過類似方式找出除霜最晚完畢的區(qū)域，設(shè)置一個(gè)或多個(gè)攝像頭拍攝點(diǎn)作為除霜結(jié)束的判斷點(diǎn)。因此，通過合理放置攝像頭拍攝區(qū)域，能準(zhǔn)確地判斷出除霜過程中換熱器的除霜進(jìn)度。

3.3 結(jié)霜在線檢測(cè)與除霜控制策略

結(jié)霜在線檢測(cè)與除霜控制策略包括除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)控制和除霜完畢退出時(shí)間點(diǎn)控制，其中除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)的判斷主要通過測(cè)量換熱器進(jìn)出風(fēng)溫濕度和送風(fēng)量及全局結(jié)霜區(qū)域面積，從而計(jì)算出室外換熱器的結(jié)霜速率和全局結(jié)霜區(qū)域占比來(lái)確定熱泵系統(tǒng)當(dāng)前結(jié)霜情況，并找到除霜模式的開啟時(shí)間點(diǎn)。除霜完畢退出時(shí)間點(diǎn)判斷系統(tǒng)主要通過找出除霜最晚完畢的區(qū)域，作為除霜結(jié)束的判斷點(diǎn)，監(jiān)測(cè)結(jié)霜前后室外換熱器局部除霜的情況，進(jìn)而確定熱泵系統(tǒng)除霜模式的退出時(shí)間點(diǎn)，具體流程如圖13所示。

圖13 控制系統(tǒng)流程圖Fig.13 Flow chart of controll system

通過傳感器測(cè)量室外側(cè)換熱器的進(jìn)出風(fēng)溫濕度和風(fēng)速，計(jì)算出換熱器的結(jié)霜量。在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，開啟全局?jǐn)z像頭，并短暫開啟局部攝像頭記錄換熱器未結(jié)霜的圖像。當(dāng)結(jié)霜速率較變化峰值有較大下降且全局白色區(qū)域占比達(dá)到30%時(shí)，系統(tǒng)切換到除霜模式，對(duì)換熱器進(jìn)行除霜，并開啟局部攝像頭對(duì)除霜過程進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)到局部白色區(qū)域的占比與系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)的占比一致時(shí)，表明換熱器除霜完畢，系統(tǒng)切換到正常運(yùn)行模式。通過該種除霜控制策略，可以保證系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地判斷除霜的切入點(diǎn)和退出點(diǎn)，避免出現(xiàn)誤除霜、有霜不除、除霜未盡等現(xiàn)象，提高機(jī)組性能。

基于上述方法，開發(fā)出應(yīng)用于汽車空調(diào)系統(tǒng)的檢測(cè)與控制系統(tǒng)(見圖14)。

圖14 汽車空調(diào)結(jié)霜在線檢測(cè)與除霜控制軟件Fig.14 Frosting detectiion and defrosting controll software of EV air conditioning

該控制系統(tǒng)的所有測(cè)量設(shè)備采集的數(shù)據(jù)都會(huì)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)處理單元，進(jìn)行統(tǒng)一處理，具體的安裝測(cè)點(diǎn)布置如圖15所示。

圖15 控制系統(tǒng)安裝測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.15 Measuring points of controll system

3個(gè)風(fēng)速傳感器沿?fù)Q熱器對(duì)角線方向平均布置，最后取三者的平均值作為換熱器的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速，換熱器進(jìn)風(fēng)處設(shè)置一個(gè)溫濕度測(cè)點(diǎn)，出風(fēng)口處設(shè)置3個(gè)溫濕度測(cè)點(diǎn)，攝像頭布置在換熱器熱泵工況下的進(jìn)口側(cè)最下端(換熱器最后除霜完畢處，依系統(tǒng)和換熱器形式而定)，鏡頭距換熱器表面15mm(確保拍攝圖像清晰即可)。由于上述設(shè)備皆為常規(guī)測(cè)量設(shè)備，只需在測(cè)量數(shù)據(jù)后通過單片機(jī)計(jì)算即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，并不需要太大的成本。

4 結(jié)論

本文對(duì)一套室內(nèi)外換熱器均為微通道換熱器的汽車熱泵空調(diào)性能進(jìn)行了結(jié)霜特性測(cè)試。并在對(duì)測(cè)試結(jié)果分析的基礎(chǔ)上建立了除霜在線監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，得出結(jié)論如下：

1)在結(jié)霜測(cè)試工況下，室外換熱器的結(jié)霜面積隨著室外溫度和送風(fēng)量的升高而降低，隨著相對(duì)濕度的增大而升高。

2)換熱器結(jié)霜面積占比與COP變化趨勢(shì)一致，二者的皮爾遜相關(guān)系數(shù)在3種工況下分別為0.664、0.839和0.912，假設(shè)檢驗(yàn)概率p均在0.01級(jí)別內(nèi)，二者相關(guān)性顯著。因此，可以基于結(jié)霜速率的驟降判斷系統(tǒng)能效的變化。

3)本文將結(jié)霜速率的變化作為系統(tǒng)結(jié)霜情況的判斷點(diǎn)，當(dāng)結(jié)霜速率發(fā)生驟降同時(shí)全局白色區(qū)域占比達(dá)到30%時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入除霜模式；將經(jīng)過處理的二值化圖片中白色區(qū)域的占比作為系統(tǒng)是否除霜完畢的判斷點(diǎn)，當(dāng)除霜過程中局部白色區(qū)域的占比與開機(jī)時(shí)一致時(shí)可認(rèn)為除霜完畢。

基于上述結(jié)論，本文提出了用于汽車空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)霜在線檢測(cè)與除霜控制策略，在保持檢測(cè)準(zhǔn)確度的同時(shí)降低檢測(cè)成本，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)節(jié)能。

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Frost Formation and Defrost Methods of Electric Vehicle Heat Pump Air Conditioning System

LIANG Zhi-hao1, WU Jiang-hong1, JIN Peng2, LI Hui-xi3

(1.School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, Guangdong，China；2.Automotive Research Institute, BAIC Motor Co., Ltd.，Beijing 101300, China；3.Ingersoll Rand (China) Co., Ltd., Guangzhou 510620, Guangdong，China)

Heat exchanger frosting deteriorates the heat performance of electrical vehicle heat pump air conditioning system ( HPACS ) in winter. Specially designed micro-channel heat exchangers are applied to electrical vehicle HPACS here. The system is tested at different surrounding air temperature, different surrounding air relative humidity and different air flow rate. Frost area proportion and frosting rate of outdoor heat exchanger are monitored and analyzed to understand different factors that could influence frosting performance of HPACS. The results show that the increase in air relative humidity, and the decrease in ambient temperature and air flow rate lead to quick frosting and bigger frost area proportion. The relationships between dynamic coefficient of performance (COP) and frosting rate are observed in detail. It reveals that frosting rate keeps the same change tendency to COP. At the period of frost beginning to form, COP and frosting rate increase at almost the same time, and as frosting rate curve start to drop, COP curve also drop at the same time. This phenomenon has been validated at different conditions. It is considered as the switch point of defrosting when the frosting sharply drops and the frost area proportion reaches to 30%. On the other hand, the frost area proportion calculated from binary image of frosting is taken as switch point of defrosting finish. When sharp drop of frosting rate and frost area proportion of 30% are detected, HPACS starts to defrost; when frost area proportion is reduced to same value as non-frosting’s, HPACS stops defrosting. The defrosting control strategy may save defrosting energy and improve the heating performance of electrical vehicle HPACS.

engineering thermophysics; electrical vehicle; heat pump air conditioning; COP; frosting rate; frost area proportion

2016-05-05

廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金新能源汽車產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目(粵發(fā)改高技術(shù)(2011)891號(hào)文)；環(huán)境保護(hù)部環(huán)境保護(hù)對(duì)外合作中心項(xiàng)目(C/III/S/15/398)

梁志豪(1990—)，男，碩士研究生。 E-mail：13480204681@139.com

巫江虹(1967—)，女，教授，博士生導(dǎo)師。 E-mail：pmjhwu@scut.edu.cn

TB657.5；TK124

A

1000-1093(2017)01-0168-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.01.022