廢熱回收型純電動汽車熱泵系統試驗研究

李 萍， 谷 波， 繆夢華

(上海交通大學 制冷與低溫工程研究所， 上海 200240)

純電動汽車的動力源為蓄電池，它不依靠傳統汽車的內燃機作為動力輸出，在冬季，純電動汽車不能直接獲取內燃機余熱為車內提供熱量[1].若直接將熱泵系統應用于純電動汽車，熱泵系統的耗電將直接影響純電動汽車的續航里程[2].因此，保證冬季熱舒適性以及兼顧純電動汽車的續航里程是目前需要解決的關鍵問題.相較于其他熱泵系統，純電動汽車熱泵系統具有運行工況多變、傳熱空間限制大、車身振動嚴重等特點[3].許多學者對純電動汽車熱泵系統性能進行了研究[4-7],但大部分是單熱源熱泵系統以及混合動力汽車熱泵系統.文獻表明：在惡劣環境工況下，單熱源熱泵系統在冬季會出現制熱量不足的情況[8]，而電池和電機的散熱卻很少被利用.錢程等[9]研究了雙熱源熱泵系統的性能，結果表明：吸收500 W廢熱后，制熱量提高了 24.16%，能效比(COP)和功率都大大提高.但文中的試驗工況仍處于環境溫度較適中，沒有達到惡劣工況，且未對電機散熱部分進行廢熱回收.因此分析電池和電機兩部分的廢熱回收對熱泵系統性能影響，以及在惡劣工況下，分析該系統能否較好滿足熱舒適性十分必要.

本文研究的廢熱回收型熱泵系統包括空氣源、電機熱源以及電池熱源.其中，電機熱源和電池熱源為廢熱源.試驗中，關閉空氣熱源，僅依靠廢熱源提供熱量來觀察該系統在不同環境溫度下的性能參數和冬季熱舒適性滿足情況.

1 廢熱回收型純電動汽車熱泵系統

純電動汽車采用蓄電池作為車的電力驅動，沒有傳統發動機作為空調壓縮機的動力源，不能提供熱源，取暖動力僅由蓄電池提供.因此，純電動汽車的空調系統需要兼顧制冷與制熱功能，并盡可能減少用電量，保證續航里程.為滿足以上需求，本文設計了一套帶有廢熱回收型的熱泵空調系統.該系統主要基于熱泵空調系統，在純電動汽車原車上進行改造，由于車型空間有限，系統采用單風道系統.該系統需要滿足夏季制冷、夏季電池冷卻、冬季制熱、冬季電機熱回收以及冬季除霜除霧等功能.系統包含3個回路，如圖1 所示，主回路為空調系統回路，通過四通換向閥來切換制冷以及制熱模式；分回路為電池和電機回路，采用電磁閥控制.

圖1 廢熱回收型純電動汽車熱泵系統圖Fig.1 Heat pump system with waste-heat recovery

2 試驗

2.1 試驗系統

試驗在根據GB/T7725-2004要求建造的環境艙內進行，如圖2所示，模擬車速設定為怠速；環境溫度設定為 -7 ℃和2 ℃；濕度控制為50%.考慮到低溫工況的特殊性，以最快達到熱舒適(即車內溫度達到23 ℃)為目的，采用內循環100%回風.試驗測試的物理量有室內機出風溫度、室內溫度、壓縮機轉速和壓縮機功率；計算性能參數有制熱量和COP.低溫環境主要由電機驅動風機進行制冷，風機在電動汽車正前方，當艙內溫度達到要求溫度并保持半小時后開始整車試驗.廢熱回收型純電動汽車熱泵系統主要包括空氣源熱泵回路、電機冷卻系統以及廢熱回收系統.系統采用的制冷劑為R134a，充注量為580 g.

圖2 環境艙圖Fig.2 Environmental chamber

當開啟冬季制熱模式時，在無熱回收模式下，電磁閥、水泵都關閉，經壓縮機壓縮的制冷劑流過四通換向閥、室內冷凝器、干燥過濾器、室內蒸發器側電子膨脹閥、室外蒸發器，氣液分離器回到壓縮機，從室外空氣中吸收熱量；在有熱回收模式下，電磁閥1、3、6和水泵打開，從冷凝器出來的過冷液體分流到空氣源熱泵回路和電機回路，分別經由室內蒸發器側電子膨脹閥和板式換熱器側電子膨脹閥的節流，流入室外蒸發器和板式換熱器中吸收熱量，再回到壓縮機中.同時，冷卻液通過循環，將模擬電機的熱源傳到板式換熱器中與制冷劑進行熱交換.

夏季制冷時，四通閥換向，在無熱回收模式下，電磁閥、水泵都關閉，經壓縮機壓縮的制冷劑流過四通換向閥、室外冷凝器、干燥過濾器、室內蒸發器側電子膨脹閥、室內蒸發器、氣液分離器回到壓縮機，在室外空氣中放出熱量；在有模擬熱模式下，電磁閥2、4、5和水泵打開，從冷凝器出來的過冷液體分流到空氣源熱泵回路和電池回路，分別經由室內蒸發器側電子膨脹閥和板式換熱器側電子膨脹閥的節流，流入室內蒸發器和板式換熱器中吸收熱量，再回到壓縮機中.同時，冷卻液通過循環，將電池散發的熱源傳到板式換熱器中與制冷劑進行熱交換.

2.2 試驗測試儀器

本次整車試驗T型熱電偶共計69個，其中：環境溫度和室內外換熱器管道進出口各2個；表面進風溫度5個；出風溫度5個；換熱器表面溫度各有5個；壓縮機測點2個；電磁閥測點4個；噴射器測點2個；四通閥測點4個；內外循環進風溫度2個測點；檢測車內達到舒適性的吹臉出風溫度、呼吸點溫度和腳部點溫度若干；壓縮機進出口壓力布點2個.試驗測試設備及規格具體如表1所示.

壓縮機的轉速、功率和室外風機轉速可通過電腦控制，為減少熱損失，前艙內所用的管路使用保溫層進行絕熱.開始試驗前，試驗人員穿戴防護服在環境艙內站立10～15 min，保證不將自身的熱量帶入車中.試驗參數都設為穩定參數，待室內溫度到達所設溫度并穩定一段時間后，開始記錄測點數據，數據采集通過Keithley2700數據采集器完成.

表1 試驗測試設備及規格Tab.1 Experimental test equipment and specifications

3 結果與分析

3.1 電池和電機散熱分析

由于在行駛過程中，汽車會經歷不規則的車速變化，電池的電流及溫度也會同時發生變化.基于NEDC(New European Driving Cycle，即新歐洲駕駛周期)工況數據，來觀測實際情況下純電動汽車車速對電池散熱的影響.圖3所示為電池發熱量與車速的關系，當處于穩定車速時，電池發熱量與電機發熱量也處于穩定狀態.因此，電池散熱在理論上是可回收的，在一定車速下，電池與電機散熱為一相對固定值.在試驗中，可用模擬熱代替廢熱熱值的大小.

圖3 電池散熱與車速關系Fig.3 Relationship between heat dissipation and vehicle speed

3.2 廢熱對系統影響分析

對壓縮轉速Ncom為2 000、3 500以及5 000 r/min時，環境溫度分別為2 ℃和 -7 ℃ 下進行性能試驗，電動機廢熱以模擬熱代替.無模擬熱時，控制車速為40 km/h，空調回路開度為100%，電動機回路關閉；模擬熱開啟時，控制空調回路開度為0，電動機回路開度為100%，車速與模擬熱值相對應.

2 ℃時的試驗結果如圖4所示，當冬季制熱模式開啟，吸收廢熱后，制熱量Qcond會增加，最大達 3 797 W，壓縮機功率增加，COP增加，范圍為 1.82～2.43.加上模擬熱后出風溫度明顯上升，最高接近50 ℃.在無模擬熱時，5 000 r/min轉速下，艙內回風溫度20 ℃左右；在加有1 000 W模擬熱時，艙內回風溫度能達到25 ℃，能很好滿足制熱需求.

當環境溫度降到 -7 ℃后，試驗結果如圖5所示，吸收廢熱后，制熱量增加，最大可達到 2 407 W，壓縮機功率及COP增加，COP范圍為 1.56～2.63.加上模擬熱后出風溫度有上升趨勢，最高可達30 ℃，艙內回風溫度也有上升，最高可達 13.2 ℃；加有 1 000 W的模擬熱仍難以滿足制熱需求，在極端工況下需提供額外熱源保證車內舒適度.

圖4 2 ℃時的試驗結果Fig.4 Test results at 2 ℃

圖5 -7 ℃時的試驗結果Fig.5 Test results at -7 ℃

3.3 試驗測量不確定度分析

(1)

(2)

式中：h1為壓縮機吸氣狀態焓值；h2為壓縮機排氣狀態焓值；h3為冷凝器出口狀態焓值；h2為蒸發器入口狀態焓值；qmr為制冷劑流量.

進而計算求得如表2所示的在無模擬熱的各工況下Q、W和COP的相對不確定度.

表2 不同工況下各參數的相對不確定度

Tab.2 Relative uncertainty of various parameters under different operating conditions

環境溫度/℃相對不確定度/%QWCOP20.2830.3380.496-70.2990.4670.583

4 結論

(1) 純電動汽車電池發熱量與車速相關，當電動汽車改變車速時，電池發熱量會急劇增加；當汽車處于穩定車速時，電池的發熱量穩定.

(2) 當環境溫度為2 ℃時，采用廢熱回收模式，COP提高，范圍為 1.81～2.43，出風溫度最高能達到50 ℃，能較好滿足制熱需求.

(3) 當環境溫度為 -7 ℃時，熱泵系統制熱量和壓縮機功率仍舊增加，COP范圍為 1.56～2.63，艙內回風溫度最高可達 13.2 ℃.但僅靠廢熱回收的熱量以及熱泵系統產生的制熱量不能滿足車內舒適度的要求.