熱泵型純電動汽車空調系統特性

(浙江盾安人工環境股份有限公司 杭州 310051)

全球氣候變暖、大氣污染及能源成本高漲等問題日益嚴峻，大力發展清潔能源汽車已成為普遍共識。電動汽車具有低排放、經濟性好、不依靠石油資源等優點，已成為未來汽車領域的一個重要發展方向，但電動汽車由于使用電池作為動力來源，沒有內燃機，現有電動汽車熱泵系統技術，大多采用單冷系統加PTC加熱，純粹的PTC加熱會消耗電池大量電能，進而減少電動汽車的續航里程。

闕雄才等[1]指出，新能源汽車在冷卻系統和加熱系統啟動時，汽車的續航里程減少比例從16.7%上升至50%，表明冷卻和加熱系統對新能源汽車的續航里程的影響較大。B. Torregrosa等[2]研究發現，現有純電動車幾乎都使用PTC加熱，PTC加熱一般都大于2 kW，且效率均小于1，電池滿負荷時，PTC加熱器能使電動汽車的續航里程減少24%。D. Clodic等[3]測試結果表明，新能源汽車的能量損耗中汽車空調系統占了很大比例，在低溫環境下，純電動汽車的熱泵空調系統能使汽車續航里程減少8%。R. Farrington等[4]的研究表明，電動汽車的續航里程能達到200 kW，但加熱和冷卻系統運行時，其續航里程會縮減至40%左右。

因此，采用高效的熱泵汽車空調系統對提高純電動汽車的續航里程起著至關重要的作用。李麗等[5]設計了一套適用于電動汽車的蒸氣壓縮式冷暖雙模式熱泵空調系統，系統的制熱/制冷轉換由四通換向閥完成，以R134a作為運行工質。結果表明，外界環境對熱泵空調的性能影響較大，隨著車室外環境溫度的降低，系統壓力降低，壓縮機排氣溫度降低，單位時間內制熱量減少。M. Hosoz等[6]研究發現，R134a熱泵空調系統，在常溫下加熱性能良好，但在環境溫度較低時，其加熱能力迅速下降，需要輔助加熱設備來維持所需熱量。L. P. Scherer等[7]研發了R134a及R152a的電動汽車熱泵空調系統，該系統采用三通閥來控制系統制熱及制冷模式的切換。T. Suzuki等[8]對比了傳統汽車和電動汽車的空調系統，并提出了一套電動汽車空調系統，包括四通閥、兩個熱力膨脹閥及多個單向閥，該系統能實現冷卻、加熱、除霧、除濕等功能，采用R134a制冷劑，在40 ℃及-10 ℃工況下實驗測得其COP分別為2.9和2.3。

為避免四通閥兩換熱器系統在制冷/制熱模式切換時，行車視線可能會被擋風玻璃上產生的水霧阻礙，影響駕駛安全[9]，本系統加裝內部熱交換器促使水霧蒸發，避免空調系統干擾行車安全。采用電磁閥對系統的制冷及制熱模式進行切換，保證汽車空調的抗震性。本研究采用三換熱器熱泵系統，實現冷卻、加熱、除霧、除濕等功能，目前該系統已完成開發階段，進入驗證階段。

1 純電動汽車熱泵空調系統

圖1 電動汽車熱泵空調系統及實驗室布置Fig.1 The principle and the equipment figure of heat pump air-conditioning system for electric vehicle

電動汽車熱泵空調實驗系統及實驗室布置如圖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，工質流入內部冷凝器，經冷凝器冷凝后變為中溫高壓的液體，并向車內散熱，經電磁閥4后進入膨脹閥節流降壓變為低溫低壓的氣液混合物，最后工質在外部冷凝器內蒸發變為低溫低壓氣體，并從環境中吸收熱量，低溫低壓氣體經過電磁閥進入氣液分離器，最后回到壓縮機，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，工質流經內部冷凝器及電磁閥5，進入外部冷凝器，經冷凝后變為中溫高壓的液體，并向環境中散熱，流經電磁閥1后進入膨脹閥節流降壓變為低溫低壓的氣液混合物，接著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，低溫低壓氣體進入氣液分離器后回到壓縮機，完成一次循環。

在制冷循環下，內部冷凝器只作為通道，制冷劑流經內部冷凝器，并不進行換熱。

為測試純電動汽車熱泵空調系統的性能，本文搭建了熱泵系統臺架，并進行了臺架實驗測試。為模擬電動汽車的真實冷熱負荷，臺架搭建分為室內側及室外側，其中內部換熱器和蒸發器安裝在室內側臺架，其余部件安裝在室外側臺架。對壓縮機進出口溫度壓力，內部冷凝器進出口溫度壓力、外部冷凝器進出口溫度壓力、蒸發器進出口溫度壓力進行監測。

本系統設計負荷為制冷量3 kW，制熱量3 kW，壓縮機選用南京奧特佳26 mL/r排量的渦旋電動壓縮機，壓縮機轉速為1 500～6 500 r/min。熱泵系統3個換熱器均采用微通道換熱器，其中蒸發器尺寸為260 mm×40 mm×265 mm，內部冷凝器尺寸為266 mm×32 mm×226 mm，外部冷凝器尺寸為624 mm×25.4 mm×293 mm，膨脹閥為5.28 kW H型熱力膨脹閥，壓縮機進出口、蒸發器進出口、內部冷凝器進出口采用軟管連接，熱泵空調系統其余各部件均采用銅管連接，并采用保溫材料對銅管進行包裹，以保證系統管路的保溫性能。尤其是蒸發器出口到壓縮機進口段，防止高溫環境下，蒸發器出口制冷劑吸收環境溫度，溫度升高，導致壓縮機進口溫度過高，進而影響壓縮機正常工作及系統性能。選用安全、不易燃、不破壞臭氧層、溶油性良好的R134a 作為制冷劑。

實驗地點為浙江盾安人工環境股份有限公司實驗中心(簡稱實驗中心)2號性能實驗室，實驗所使用焓差室、多點溫度計、相對濕度計、壓力計、傳感器、數據采集儀等由浙江盾安人工環境股份有限公司實驗中心提供。實驗室采用的壓力傳感器量程為0～6 MPa，精度為±1.5%；溫度傳感器采用T型熱電偶，量程為-200～350 ℃。實驗臺由盾安人工環境實驗室測試人員搭建，根據電動車汽車空調的標準進行風管布置，將換熱器接入實驗室風管，通過實驗室軟件計算，實時監測換熱器的換熱量。

2 實驗結果與分析

實驗測試開始之前，對該系統進行制冷劑量的標定，考慮目前汽車空調制冷劑的充注量約為500 g，該系統為熱泵空調系統，且為臺架系統，系統管路較長，因此實驗中系統制冷劑的充注量從500 g開始，逐次增加25 g，待系統穩定，最終確定650 g為最佳充注量。在后續不同工況的測試中均采用650 g制冷劑的充注量。

對該空調系統進行5個工況的測試，其測試工況如表1所示。

表1 實驗工況Tab.1 Experimental conditions

2.1 壓縮機轉速對系統性能的影響

在不同環境工況，壓縮機轉速分別為3 000、4 500、5 500 r/min的條件下，進行電動汽車空調系統制冷制熱工況的實驗，并對實驗數據進行采集和分析。分析不同工況下，不同壓縮機轉速對系統的吸排氣溫度、高低壓力及換熱量等的影響。

圖2所示為名義制冷工況下，蒸發器風量為420 m3/h時系統參數隨壓縮機轉速的變化。由圖2可知，名義制冷工況下，隨著壓縮機轉速的升高，系統的高壓和排氣溫度均升高，而系統的低壓和低溫均降低，系統的風側換熱量隨壓縮機轉速的升高而增加，系統EER隨壓縮機轉速的升高而降低。系統壓縮機轉速增加，風側換熱量增加，壓縮機功率也增加，壓縮機功率增加的幅度大于風側換熱量的增加幅度，故系統EER降低。

圖2 名義制冷工況下，蒸發器風量為420 m3/h時系統參數隨壓縮機轉速的變化Fig.2 The variation of system parameters with compressor speed under nominal cooling condition when the evaporator air amount is 420 m3/h

圖3所示為名義制熱工況下，蒸發器風量為420 m3/h時系統參數隨壓縮機轉速的變化。由圖3可知，名義制熱工況下，系統的高壓和排氣溫度均隨壓縮機轉速的升高而升高，而系統的低壓和吸氣溫度均降低，系統的風側換熱量隨壓縮機轉速的升高而增加，系統EER隨壓縮機轉速的升高而降低。

由圖2、圖3可知，無論是制冷工況還是制熱工況，壓縮機轉速對各參數的影響是一致的，壓縮機的轉速直接影響系統的循環體積流量，該渦輪壓縮機排量為26 mL/r，轉速越高壓縮機出口工質的體積流量越高，單位時間內熱泵空調的制冷量及制熱量就越高。

圖3 名義制熱工況下，蒸發器風量420 m3/h時系統參數隨壓縮機轉速的變化Fig.3 The variation of system parameters with compressor speed under nominal heating condition when the evaporator air amount is 420 m3/h

2.2 風量對系統性能的影響

該汽車空調熱泵系統的換熱器為微通道平行流換熱器，風機安裝在換熱器背面且風量可調，風量的大小對于換熱器的換熱量大小影響顯著。風量越大，換熱器的換熱效果越好，系統的風側換熱量越大，壓縮機及風機的功率越大。實驗測試了不同蒸發器風量和壓縮機轉速對系統參數的影響。

圖4所示為名義制冷工況下，壓縮機不同轉速下，系統的風側換熱量及COP隨蒸發器風量的變化。由圖4可知，壓縮機轉速變化時，風側換熱量及系統COP隨風量變化的趨勢是一致的。當風量增加時，系統的風側換熱量及系統COP均增加，系統效率提升。

圖4 名義制冷工況下，系統參數隨蒸發器風量的變化Fig.4 The variation of system parameters with different evaporator air amount under nominal cooling condition

圖5 名義制熱工況下，系統參數隨蒸發器風量的變化Fig.5 The variation of system parameters with different evaporator air amount under nominal heating condition

圖6 壓縮機轉速為3 000 r/min時，不同工況下變風量時系統COP的變化Fig.6 The variation of system COP under various conditions with different air amount when the compressor speed is 3 000 r/min

圖5所示為名義制熱工況下，壓縮機不同轉速下，系統的風側換熱量及COP隨蒸發器風量的變化。由圖5中可知壓縮機轉速變化時，風側換熱量及系統COP隨風量變化的趨勢是一致的。當風量增加時，系統的風側換熱量及系統COP均增加，系統效率提升。

2.3 環境工況對系統性能的影響

制冷劑在不同環境溫度下，其制冷性能會產生很大的變化，主要與制冷劑的物理性質有關。本實驗采用R134a制冷劑，在定比容條件下，制冷劑的壓力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。因此低溫環境(如-20 ℃)下，壓縮機進口溫度及壓力都非常低，導致系統的制熱效率很低(基本為1)。

圖6所示為壓縮機轉速為3 000 r/min時，不同工況下，變風量時系統COP的變化。由圖6可知，不同工況下，系統COP差異明顯。制熱時，隨著溫度的降低下，尤其0 ℃以下，系統COP下降很快。壓縮機轉速為3 000 r/min 時，名義制冷工況下，系統EER能達到3，而最大制冷COP小于2；名義制熱的COP能達到3，而低溫制熱及超低溫制熱的COP均小于2。由此可見，環境溫度對于R134a制冷的運行影響顯著，且R134a制冷劑的低溫制熱特性并不是很優，但優于PTC制熱。

由測試數據可知，熱泵空調系統在低溫下效率大于傳統PTC加熱，可以節省電能，進而提高電動汽車續航里程。

3 結論

1)當換熱器風機風量及環境工況恒定時，壓縮機轉速越高，空調熱泵系統的風側換熱量越大，但系統COP超過某一峰值后，會隨壓縮機轉速的升高而減小。

2)壓縮機轉速及環境工況恒定時，換熱器風機風量越大，空調熱泵系統的風側換熱量越大，系統COP越高，系統效率越高。

3)壓縮機轉速及換熱器風機風量恒定，制冷時，環境溫度越高，系統COP越低；制熱時，環境溫度越低，系統COP越低。

4)制冷系統使用R134a制冷劑，在低溫環境工況下，制熱效果較差，后期可以考慮使用R410A等新型制冷劑。

5)該熱泵系統的COP在極端工況下均大于1，較傳統PTC加熱效率高，節約電能，可應用于電動汽車，提高電動汽車續航里程。