電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)分析

鄭淳允

摘 要：本文研究了針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)所設(shè)計(jì)的冷暖一體熱泵空調(diào)系統(tǒng)，測(cè)試了在不同環(huán)境溫度下，系統(tǒng)的制熱效率以及制熱量，然后將測(cè)試效果和PTC制熱進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果證明，隨著環(huán)境溫度的降低，系統(tǒng)壓力會(huì)減小，熱泵的制熱量也會(huì)有效減少，制熱效率明顯降低，而熱泵的制熱效率較PTC的制熱效率要大得多，足以證明，熱泵空調(diào)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用具有較高的可行性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē);熱泵空調(diào)系統(tǒng);設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

傳統(tǒng)車(chē)載空調(diào)系統(tǒng)的制熱原理是，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的循環(huán)實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)環(huán)境的溫控。電動(dòng)車(chē)沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)，不能應(yīng)用傳統(tǒng)的車(chē)載空調(diào)系統(tǒng)的原理進(jìn)行制熱。在低溫條件下，駕駛員可以利用車(chē)載的制熱元件進(jìn)行制熱，供駕駛員取暖，保證行車(chē)的安全性，提高車(chē)內(nèi)環(huán)境的舒適度。所以，電動(dòng)汽車(chē)必須創(chuàng)新相應(yīng)的方法，實(shí)現(xiàn)制熱功能。

1 電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

目前，制冷/采暖系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛，32cc壓縮機(jī)負(fù)責(zé)提供制冷劑循環(huán)動(dòng)力，如圖1所示，制冷/采暖系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、室內(nèi)、外換熱器、膨脹閥、氣液分離器等部件構(gòu)成。如果系統(tǒng)以制冷模式進(jìn)行運(yùn)作，四通閥處于不通電的狀態(tài)，氣態(tài)制冷劑在低溫低壓的狀態(tài)下，由壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣態(tài)制冷劑，然后進(jìn)入到室外換熱器，對(duì)中和外界空氣形成對(duì)流換熱后，轉(zhuǎn)變?yōu)橹袦刂袎旱囊后w，經(jīng)過(guò)膨脹閥節(jié)流后，溫度和壓力有所降低，轉(zhuǎn)變成為霧狀繼續(xù)進(jìn)入到室內(nèi)換熱器，在室內(nèi)換熱器中，制冷劑會(huì)蒸發(fā)吸熱，達(dá)到降低車(chē)內(nèi)溫度的作用，這個(gè)過(guò)程中，氣體在室內(nèi)換熱器出口的溫度和壓力有所降低，進(jìn)入到壓縮機(jī)中，完成整個(gè)制冷循環(huán)。如果系統(tǒng)以制熱的模式進(jìn)行運(yùn)作的時(shí)候，四通閥處于通電的狀態(tài)，壓縮機(jī)將具有一定溫度和壓力的氣態(tài)制冷劑推入到室內(nèi)換熱器，這時(shí)，制冷劑所攜帶達(dá)到熱量高就會(huì)傳遞到車(chē)內(nèi)，有效的實(shí)現(xiàn)室內(nèi)制熱，制冷劑經(jīng)過(guò)膨脹閥的節(jié)流，壓力降低后會(huì)進(jìn)入到室外換熱器，蒸發(fā)吸熱，將環(huán)境中的熱量帶入到系統(tǒng)中，在壓縮機(jī)的抽吸功能下，工質(zhì)回到壓縮機(jī)中，整個(gè)制熱循環(huán)完成。

電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制方案：通過(guò)應(yīng)用空調(diào)控制器和CAN通信可以實(shí)現(xiàn)整車(chē)控制器、壓縮機(jī)之間信號(hào)的有效交互。根據(jù)空調(diào)控制器控制指令，整車(chē)控制器會(huì)對(duì)室外的傳感器的溫度和壓力傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集，配合控制電子膨脹閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)制冷和制熱的有效切換。在熱泵控制系統(tǒng)中，四通換向閥與電子膨脹閥屬于核心部分，本文針對(duì)這兩個(gè)部件進(jìn)行了具體的分析：（1）四通換向閥控制。作為獨(dú)立受控的單元，四通換向閥會(huì)對(duì)主閥進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，默認(rèn)情況下，主閥的滑塊會(huì)默認(rèn)在右端，實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)的有效接通;通過(guò)四通換向閥將主閥移動(dòng)到左端，實(shí)現(xiàn)制熱循環(huán)的有效接通。①制冷請(qǐng)求：冷凝器C端和壓縮機(jī)排氣端D連接在一起，壓縮機(jī)吸氣端和蒸發(fā)器E端連接在一起，就可以實(shí)現(xiàn)制冷。②制熱請(qǐng)求：蒸發(fā)器E和壓縮機(jī)排氣端D連接在一起，壓縮機(jī)吸氣端和冷凝器C端連接在一起，可以實(shí)現(xiàn)制熱。（2）通過(guò)調(diào)整電子膨脹閥開(kāi)度，控制液態(tài)制冷劑的膨脹。VCU會(huì)對(duì)壓縮機(jī)蒸發(fā)器出口的溫度和壓力信號(hào)進(jìn)行讀取，然后將實(shí)際的過(guò)熱溫度計(jì)算出來(lái)，和系統(tǒng)控制目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)目標(biāo)過(guò)熱度，自動(dòng)的對(duì)電子膨脹閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

組織整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，然后將其安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上。將熱電偶、壓力變送器安裝在雙向膨脹閥的進(jìn)出口、壓縮機(jī)的進(jìn)出口以及室內(nèi)外換熱器的進(jìn)出口，然后將溫濕度變送器安裝在室內(nèi)換熱器的風(fēng)道進(jìn)出風(fēng)口的位置，將電流變送器安裝在穩(wěn)壓電源與控制器之間，然后將質(zhì)量流量計(jì)安裝在壓縮機(jī)出口位置，然后將所有的變送器和無(wú)紙記錄儀連接起來(lái)，并且將熱電偶接到溫度采集儀上，溫度采集儀和無(wú)紙記錄儀直接和電腦相連，可以將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的傳輸?shù)诫娔X上。

2.2 仿真計(jì)算

公式中，為冷負(fù)荷;為太陽(yáng)照射熱量及輻射;為人體的散熱量;為從室外滲入空氣的熱量;為從動(dòng)力艙傳入的熱量;為從其他設(shè)備、儀器散發(fā)出的熱量;電池為電動(dòng)車(chē)所需的電池。在對(duì)熱、冷負(fù)荷進(jìn)行估算完，并對(duì)車(chē)輛外循環(huán)確定的情況下，車(chē)輛的制熱量大概為4.2kW，而制冷量大概為3.5kW。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

溫度測(cè)試系統(tǒng)主要由主機(jī)、溫度采集模塊以及熱電偶組成，數(shù)據(jù)采集儀的主機(jī)和電網(wǎng)直接相連，通過(guò)操作電腦上的軟件就可以對(duì)溫控系統(tǒng)進(jìn)行操作;溫度采集模塊分為20個(gè)通道，通過(guò)這些通道可以采集20路溫度信息;T型熱電偶型號(hào)線(xiàn)徑0.25mm，可以對(duì)-50～150℃之間的溫度進(jìn)行有效的測(cè)量。熱電偶其中一段和溫度采集模塊的正極相連，另外一端為側(cè)兩端，在室內(nèi)、外換熱器的翅片上、壓縮機(jī)進(jìn)出口以及室內(nèi)外熱交換器的進(jìn)出口的位置安裝熱電偶測(cè)量端，并且用膠帶錫箔紙進(jìn)行固定，然后外面裹上保溫性的材料。

2.4 熱泵空調(diào)系統(tǒng)組件

為了更高的實(shí)現(xiàn)熱泵空調(diào)系統(tǒng)功能性要求，注意根據(jù)熱泵空調(diào)匹配計(jì)算結(jié)果，做好關(guān)鍵元件的選型，比如四通交換閥、車(chē)外換熱器、電子膨脹閥等。

（1）車(chē)外換熱器。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為垂直結(jié)構(gòu)，通過(guò)應(yīng)用小管徑銅管鋁翅片有效提高換熱器的排水性能，推遲冷凝器結(jié)霜的時(shí)間，實(shí)際的換熱能力超過(guò)了4.5kW。

（2）儲(chǔ)液器。選擇氣液分離效率超過(guò)98%的微孔過(guò)濾分離型儲(chǔ)液器，這類(lèi)儲(chǔ)液器可以做好完全、充分的吸收液體制冷劑，避免壓縮機(jī)出現(xiàn)液擊問(wèn)題。

（3）電子膨脹閥。電子膨脹閥具有電磁閥和膨脹閥的所有工鞥呢，通過(guò)調(diào)節(jié)閥體的開(kāi)度，可以對(duì)膨脹閥的流量進(jìn)行控制。電子膨脹閥屬于常開(kāi)型的獨(dú)立受控單元，膨脹方向是可逆的。在選擇的時(shí)候，盡可能選擇代用通信功能的電子膨脹閥。

（4）四通換向閥。四通換向閥通過(guò)調(diào)整制冷劑的流向，轉(zhuǎn)換蒸發(fā)器和冷凝器的熱交換方向。四通換向閥主要有三個(gè)部分構(gòu)成：毛細(xì)管、四通氣動(dòng)換向閥以及電磁換向閥。四通閥的驅(qū)動(dòng)由控制閥完成，通過(guò)合理的對(duì)電磁圈的通斷，控制主閥的滑向滑塊，進(jìn)而完成制冷劑的換向。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

熱泵空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行的時(shí)候，壓縮機(jī)進(jìn)出口的位置分別為低壓側(cè)和高壓側(cè)，通過(guò)調(diào)整環(huán)境溫度，促進(jìn)壓縮機(jī)可以在不同的環(huán)境溫度下運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行的狀態(tài)穩(wěn)定后，取穩(wěn)定狀態(tài)下的平均壓力，如圖2所示，系統(tǒng)高低壓側(cè)的壓力會(huì)隨著溫度的升高而升高，但是高低壓之間的壓差會(huì)維持一個(gè)穩(wěn)定的值。如果環(huán)境溫度為零度，空調(diào)系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候，高低壓之間的溫度會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的拜年話(huà)，高壓通常在200s升至最大值，然后狀態(tài)穩(wěn)定，但是波動(dòng)情況較為嚴(yán)重;系統(tǒng)啟動(dòng)后，低壓會(huì)繼續(xù)下降，在200s時(shí)壓力開(kāi)始出現(xiàn)回升，最終達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，波動(dòng)情況較為輕微。如圖3所示，環(huán)境溫度相同，PTC和熱泵消耗功率相等的時(shí)候，熱泵的制熱量明顯要大于PTC，而且，隨著溫度的不斷提高，熱泵的制熱量也會(huì)越大。通過(guò)對(duì)比分析得知，在不同溫度的環(huán)境下，PTC的制熱效率始終保持在0.9左右，而環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，熱泵制熱效率就已經(jīng)達(dá)到1.55，環(huán)境溫度升到5℃時(shí)，熱泵制熱效率可以高達(dá)2.3。因此在應(yīng)用熱泵的時(shí)候，可以通過(guò)提高環(huán)境溫度，提高熱泵的制熱效率。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，熱泵空調(diào)系統(tǒng)是由雙蒸發(fā)器電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的，通過(guò)CAN網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)空調(diào)控制器、壓縮機(jī)控制器之間的交互和互通，完成熱泵空調(diào)系統(tǒng)的有效控制。試驗(yàn)證明，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用完全滿(mǎn)足既定要求。

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