熱泵型純電動汽車空調系統特性分析

李昭 陳玉武 王茂

摘要：受環境污染的影響，人們出行的交通工具已經朝著污染小、噪聲低的電動汽車發展，電動汽車逐漸成為人們代步工具的主要選擇對象。但是對于純電動汽車來說，空調系統無論制冷還是制熱都需要消耗大部分電量，嚴重影響汽車的行駛里程。基于此，本文圍繞熱泵型純電動汽車空調系統特性以及發展趨勢進行了研究。

關鍵詞：純電動汽車;熱泵空調系統;特性;趨勢

引言：

冬季、夏季氣溫高低差異很大，車內若無制冷或制熱設備，駕駛舒適性會很低。所以為了保障電動汽車的駕駛安全性及乘坐舒適性，有必要發展適用于電動汽車的空調系統。普通燃油汽車空調可利用發動機的燃燒余熱來制熱或除霜，而電動汽車空調沒有發動機余熱可以利用，制熱運行困難，所以加強對純電動汽車空調系統的研究勢在必行。

1熱泵型汽車空調系統運行原理

燃油汽車的空調系統主要由發動機驅動，而純電動汽車的熱泵型汽車空調機組是直接從電池組獲得能量，通過變壓器使得電池組的電壓得到降低，并將低壓的直流電壓用于風機、電子元件的供電。純電動汽車的熱泵型空調系統通過車室內溫度傳感器來采集車內溫度的變化，并通過汽車的電子器件—逆變器逆變成控制信號調節直流驅動電機的頻率，從而滿足熱泵型空調系統的變負荷運行要求。純電動汽車熱泵型空調系統采用的是平行流換熱器【1】。一個標準的純電動汽車的熱泵型空調系統的工作原理如圖1所示。

2純電動汽車熱泵空調系統的性能測試

本文搭建了熱泵系統臺架，以測試純電動汽車熱泵空調系統的性能，本次臺架搭建分為室內側及室外側，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。本系統設計負荷為制冷量、制熱量均為3kW，壓縮機轉速為1500～6500r/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260mm×40mm×265mm，內部冷凝器尺寸為266mm×32mm×226mm，外部冷凝器尺寸為624mm×25.4mm×293mm，膨脹閥為5.28kWH型熱力膨脹閥。本次試驗選用安全、不易燃、不破壞臭氧層、溶油性良好的R134a作為制冷劑。下文對試驗結果進行了分析。

2.1壓縮機轉速對換熱量、溫度的影響

實驗結果表示：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會有所升高、低壓和低溫均會降低、系統的風側換熱量增加，系統EER降低。另外，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26mL/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【2】。

2.2風量對COP、換熱量的影響

該汽車空調熱泵系統的換熱器風機安裝在換熱器背面，且風量可調。試驗結果表示：當風量增加時，系統的風側換熱量及系統COP均增加，而且系統效率也會隨之提升。同時，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，仍是隨著風量的增加，換熱量及系統COP增加，系統效率提升。

2.3環境工況對系統性能的影響

在定比容條件下，隨溫度的降低，制冷劑R134a的壓力也會降低，且制冷劑處于氣液兩相時，壓降對溫降的敏感程度更明顯。如果達到-20℃及以下的低溫環境時，壓縮機進口溫度及壓力都會變得很低，導致系統的制熱效率降低到1。

結果顯示：空調系統制熱時，隨著溫度的降低，系統COP也會下降，尤其是溫度低于零攝氏度后，COP下降更快。名義制冷工況下，當壓縮機轉速為每分鐘3000轉時，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，制冷劑性能受環境溫度的影響很大。

3試驗結論

經過試驗結果的分析，得出了熱泵型純電動汽車空調系統的特性，如下：

（1）當換熱器風機風量及環境工況恒定時，壓縮機轉速對系統性能的影響：隨著壓縮機轉速的逐漸增高，風側換熱量也會越來越大，當系統COP超過某一峰值后，風側換熱量則會隨壓縮機轉速的升高而逐漸減小。

（2）壓縮機轉速及環境工況恒定時，風量對系統性能的影響：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時，溫度對系統性能的影響：空調制冷時，環境溫度越高，系統COP越低;空調制熱時，環境溫度越低，系統COP越低。

（4）制冷系統使用R134a制冷劑，低溫會對制冷劑的性能產生不利影響，導致制熱效果較差，所以新型制冷劑有待研發【3】。

4汽車熱泵空調系統的發展趨勢

4.1研究高效制冷劑

目前，汽車行業應用最廣的制冷劑是R134a，但是R134a不環保，而且價格昂貴。而研究發現，CO2是市面上應用非常廣泛的天然制冷劑，其來源多、安全無毒、不易燃燒，而且成本低廉，是很好的環保型制冷劑。另外，CO2的蒸發潛熱較大，單位容積制冷量大，shiite熱泵型純電動汽車空調的制冷劑的不錯之選，將成為今后研究的熱點。

4.2優化換熱器性能

換熱器的作用就是能夠根據空調系統的需要與外界進行熱量的交換，換熱器的體積、結構設計、工質的選擇等與空調系統的整體性能息息相關。所以今后汽車行業定會加強對換熱器的體積、結構設計、工質的研究，從而讓空調系統的換熱效率達到最佳。

4.3汽車空調模擬技術

純電動汽車中空調系統包含很多零部件、很多復雜的工序，而且制冷劑流動和傳熱過程也相當繁瑣，這就對仿真建模提出了更高的要求。但是目前的建模方式還存在一些不足，比如消耗時間多、精準度有待提升，這對空調的運行帶來了不利影響。所以今后的汽車行業必須加強對汽車空調模擬技術的研究，消除傳統技術缺點，從而保證汽車空調系統的穩定運行。

結束語：

綜上所述，純電動汽車的熱泵空調系統具有能效比高、耗電量低、結構緊湊等優點，得到了汽車行業的關注。雖然熱泵空調系統的研究進入了一定的實質階段，但是其制冷、制熱功能仍有待提升，建議行業內人士朝著制冷劑的選擇、模擬技術的研究等方向去鉆研，爭取設計出性能更好的空調系統。

參考文獻：

[1]張歡歡.電動汽車熱泵空調系統技術研究[J].安徽電子信息職業技術學院學報，2017（5）.

[2]華若秋，武衛東，余強元，等.EXV開度對純電動汽車熱泵空調性能的影響[J].流體機械，2019.

[3]楊雨燊.純電動汽車用熱泵空調系統的開發與仿真研究[D].2019.

作者簡介：

李昭（1991.4-），身份證號410502199104192535男 漢 河南省安陽市 本科;職稱：助理工程師，研究方向：汽車空調系統。

陳玉武（1984.10-），身份證號230227198410280835;男? 漢 山東省鄄城縣 本科;職稱：助理工程師，研究方向：汽車電子電器。

王茂（1989.10-） ，身份證號320382198910309456 男 漢 江蘇邳州 本科;職稱：助理工程師，研究方向：汽車電器。