電動汽車熱泵系統低溫工況的制熱性能實驗研究

楊忠誠 蘇 林 于 榮 方奕棟 李 康 穆文杰

(上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093)

近年來，電動汽車的銷量在全球范圍內逐漸增加，但其銷量仍不到新車總銷量的1%[1]。根據目前市場上電動汽車的表現，可靠性和行駛里程是兩個主要問題。汽車空調作為保障成員舒適性及安全駕駛的必要設備，目前已經得到廣泛的普及。作為汽車中能耗最大的輔助設備，空調的開啟會對電動汽車的續航里程造成極大的影響[2]。電動汽車采用PTC(positive temperature coefficient，正溫度系數)加熱器制熱，具有改造簡單、可靠性高的優勢[3]。但在冬季使用 PTC 取暖將會使得續航里程下降 20.1%～56.4%，而使用熱泵將明顯增加續航里程，當熱泵效率達到1.7時，續航里程增加 7.4%～13.2%，因此在電動汽車上采用熱泵系統成為研究與應用的熱點[4-5]。

電動汽車的熱泵空調系統主要用于制冷、供暖、通風、擋風玻璃的除霜、除霧和車外換熱器除霜等[6]。在不同環境溫度下，使用熱泵替代PTC，可節省17%～52%的能耗[7]。李麗等[8]設計了一款蒸氣壓縮式熱泵空調系統用于電動汽車，通過四通閥的轉換來實現制冷和制熱模式的切換，分別在環境溫度為35 ℃和-15 ℃下進行了實驗測試，測得系統的制冷量和制熱量分別為2.95 kW和2.63 kW。Qin Fei等[9]設計了一款三換熱器蒸氣壓縮式熱泵系統，研究了其在低溫環境下的制熱性能表現。基于車內擋風玻璃水汽凝結除霧的需求，在全新風和-20、-15、-10 ℃三種低溫工況條件下進行了測試，結果表明，在環境溫度-20 ℃工況下，COP最高超過了1.7。

電動汽車上應用熱泵系統具有一定的優勢，越來越多的學者對影響電動汽車熱泵系統性能的因素進行了研究。J. M. Saiz Jabardo等[10]研究了工質充注量對R134a空調系統的流量、換熱量和COP的影響，指出系統存在最佳的工質充注量。Tian Changqing等[11]通過建立穩態數學模型，研究了壓縮機轉速、環境溫度和進風量對R134a熱泵空調系統的性能影響，結果表明較高的壓縮機轉速、較高的環境溫度和較大的進風量能更好的發揮熱泵的性能。張耘等[12]研究了R134a/R32混合制冷劑對電動汽車空調系統制熱性能的影響, 結果表明,相對于R134a系統,混合制冷劑空調系統制熱量增加約14.0%～17.1%,COP提升4.3%～14.0%。武衛東等[13]研究了壓縮機轉速對電動汽車熱泵空調的制冷性能的影響，結果表明較，高轉速雖然能達到較快降溫的效果，但不利于整體能效的提高。華若秋等[14]研究了EXV開度對純電動汽車熱泵空調性能的影響，結果表明，冷凝器出口過冷度較大時,通過改變EXV開度可有效調節熱泵出風溫度,且在開度較小時增大EXV開度有利于獲得較高的COP。

綜上所述，電動汽車使用熱泵空調系統相比于PTC加熱器具有提高續航里程的優勢，但熱泵空調系統的制熱性能受到多種因素影響，因此本文通過實驗研究了壓縮機轉速、HVAC總成進風量以及環境溫度對熱泵系統性能的具體影響，并對電動汽車開啟空調系統后的續航里程進行了估算，對熱泵空調系統相比于PTC加熱器對于電動汽車續航里程的影響進行具體分析。

1 實驗裝置和方法

本文設計的熱泵系統為三換熱器熱泵系統，包括一個電動渦旋壓縮機、三個微通道換熱器、一個電子膨脹閥、一個帶截止功能的熱力膨脹閥、一個氣液分離器、兩個電磁閥和兩個質量流量計。各部件的具體參數如表1所示。該系統實驗在汽車空調焓差室中進行，焓差室由室內和室外兩部分構成，通過獨立的環境控制系統來控制室內換熱器和室外換熱器的入口參數。系統原理如圖1所示，系統具有冷卻和加熱的基本功能，通過切換兩個電磁閥(SV1和SV2)的通斷來改變制冷劑流向，調整電子膨脹閥(EXV)與熱力膨脹閥(TXV)狀態來保證制冷制熱回路的正常工作。在制冷模式時，打開SV1，關閉SV2。制冷劑從壓縮機進入室外換熱器，再通過TXV進入室內蒸發器。熱空氣在室內蒸發器中被冷卻，被冷卻后的氣體流向乘員艙內，達到冷卻乘員艙的目的。在制熱模式時，打開SV2，關閉SV1，同時，完全關閉TXV。制冷劑從壓縮機排出后進入室內冷凝器，冷空氣通過室內冷凝器表面與高溫制冷劑完成換熱，形成一個溫暖的客艙。然后制冷劑通過質量流量計m2、EXV、室外換熱器和氣液分離器，再返回壓縮機。該系統中仍然使用R134a作為制冷劑。

表1 系統部件規格

圖1 空氣源熱泵系統實驗裝置

本次實驗系統運行制熱模式，實驗時，打開SV2，關閉SV1，完全關閉TXV。圖1中壓縮機出口至電子膨脹閥進口的管道內流動高壓制冷劑，電子膨脹閥出口至壓縮機進口的管道內流動低壓制冷劑。箭頭指向代表制冷劑流動方向，虛線代表管路中無制冷劑流過。實驗工況如表2所示。

表2 實驗工況

實驗過程中，在壓縮機、室內冷凝器、室外換熱器的制冷劑側布置壓力傳感器和熱電偶溫度計，用于測量制冷劑的溫度和壓力，采用功率計測量壓縮機功耗，采用質量流量計測量制冷劑質量流量。測量裝置精度如表3所示。

表3 測量裝置精度

2 實驗結果分析

2.1 壓縮機轉速及進風量對制熱性能影響

圖2和圖3所示為在環境溫度為-10 ℃時該熱泵系統壓縮機吸/排氣溫度和吸/排氣壓力隨壓縮機轉速的變化。由圖2和圖3可知，隨著壓縮機轉速增加，壓縮機的吸氣壓力和吸氣溫度均降低，壓縮機排氣溫度和排氣壓力逐漸上升。且壓縮機轉速對壓縮機的排氣壓力和排氣溫度的影響很大，對壓縮機的吸氣溫度和壓力影響較小。壓縮機轉速增加每1 000 r/min,排氣溫度升高11.8～25.1 ℃，排氣壓力升高0.065～0.166 MPa。這是因為壓縮機的排量隨轉速逐漸增加，且在高轉速運行時，壓縮效率較高，壓比較大，導致排氣溫度較高[15]。壓縮機轉速達到4 000 r/min之后，壓縮機排氣溫度上升速度降低，這是由于壓縮機的控制保護傳感系統發揮作用，及時將壓縮機的工作強度降低，避免壓縮機排氣溫度過高，保護壓縮機。壓縮機在低轉速時，HVAC總成進風量從300 m3/h增至400 m3/h，壓縮機吸/排氣溫度和壓力變化較小。壓縮機轉速達到5 000 r/min，HVAC總成進風量從300 m3/h增至400 m3/h，壓縮機排氣溫度升高約5.6 ℃，吸氣溫度和吸排氣壓力變化較小，總體變化趨勢均很小，這說明HVAC總成進風量對壓縮機吸排氣溫度和壓力影響較小。

圖2 不同進風量下，壓縮機吸/排氣溫度隨壓縮機轉速的變化

圖3 不同進風量下，壓縮機吸/排氣壓力隨壓縮機轉速的變化

圖4和圖5所示為該熱泵系統在環境溫度為-10 ℃下的制熱量和COP隨壓縮機轉速的變化。由圖4和圖5可知，隨著壓縮機轉速的增加，制熱量不斷增加，COP卻不斷下降。這是因為隨著壓縮機轉速的增加，壓縮機的功耗也隨之增大。壓縮機轉速每增加1 000 r/min,制熱量增加4.8%～22.0%，COP降低0.06～1.48。從變化幅度分析，當壓縮機轉速從2 000 r/min增至3 000 r/min時，COP降幅最大，這是因為在低轉速下，壓縮機功耗過低，系統不匹配導致即使在換熱量不高的條件下，COP達到很高，隨著壓縮機轉速的增加，COP降幅越來越小。保持壓縮機轉速不變，HVAC總成進風量從300 m3/h增至400 m3/h，制熱量增加約13.3%～26.0%，COP增加約0.03～0.80。這是因為此時壓縮機轉速不變，HVAC總成進風量的增加導致對流換熱加強，制熱量隨之增加，此時壓縮機耗功變化不明顯，導致COP增加。

圖4 不同進風量下，制熱量隨壓縮機轉速的變化

圖5 不同進風量下，COP隨壓縮機轉速的變化

2.2 環境溫度對制熱性能影響

圖6所示為在壓縮機轉速為5 000 r/min時，壓縮機吸/排氣溫度隨環境溫度的變化。由圖6可知，隨著環境溫度的增加，不同HVAC總成進風量下的壓縮機吸/排氣溫度均逐漸升高。環境溫度從-10 ℃升至0 ℃，三檔HVAC總成進風量下的壓縮機排氣溫度分別增加29.9、24.8、21.2 ℃，壓縮機吸氣溫度分別增加13.9、13.1、17.3 ℃。維持環境溫度不變，HVAC總成進風量與壓縮機吸/排氣溫度沒有明顯變化，說明壓縮機吸/排氣溫度受HVAC總成進風量影響較小。

圖6 不同進風量下，壓縮機吸/排氣溫度隨環境溫度的變化

圖7所示為壓縮機吸/排氣壓力隨環境溫度的變化。隨著環境溫度的增加，壓縮機吸氣壓力逐漸升高，排氣壓力總體呈增加趨勢，但當溫度從-10 ℃增至-7 ℃時，排氣壓力變化較小，當HVAC總成進風量為300 m3/h時，排氣壓力甚至出現降低，這可能是由于數據采取誤差造成的。

圖7 不同進風量下，壓縮機吸/排氣壓力隨環境溫度的變化

圖8和圖9所示分別為在壓縮機轉速為5 000 r/min時，該熱泵系統的制熱量和COP隨環境溫度的變化。由圖8和圖9可知，隨著環境溫度從-10 ℃升至0 ℃，制熱量和COP總體呈增加趨勢。環境溫度上升10 ℃，HVAC總成進風量不變，制熱量增加60.9%～71.0%，COP增加0.28～0.54。圖9中，當環境溫度從-7 ℃降至-10 ℃時，COP降幅最大，這是因為當環境溫度低于-7 ℃后，蒸發器的吸熱量下降明顯加快，而此時壓縮機功耗變化不明顯，因此在熱泵系統的制熱量中蒸發器吸熱所占比例開始減少，而壓縮機功耗占比增加[16]。在HVAC總成進風量為300 m3/h和350 m3/h時，隨著環境溫度的升高，COP出現小幅降低，這是可能是因為實際實驗過程中，壓縮機轉速達到5 000 r/min時，壓縮機在高轉速下性能不穩定或數據采集出現誤差，導致壓縮機功耗數值偏高。

圖8 不同進風量下，制熱量隨環境溫度的變化

圖9 不同進風量下，COP隨環境溫度的變化

2.3 續航里程估算對比

為驗證熱泵空調系統相比于PTC加熱對于續航里程的提升效果，計算對比在達到相同制熱量條件下，熱泵系統和PTC各自對續航里程的影響。選取實驗工況為壓縮機轉速5 000 r/min，HVAC總成進風量350 m3/h時的制熱量，作為PTC加熱器所需要達到的標準功耗，設PTC加熱器的加熱效率為0.95。在-10～0 ℃的環境溫度下，空調功耗如表4所示，其中壓縮機功耗和開啟PTC加熱器的電耗作為最后計算的空調能耗。

表4 不同環境溫度下的空調功耗

電動汽車相對續航里程計算式[17]:

(1)

式中：Rrang為相對續航里程；Wd為汽車能耗，kW；WAC為空調能耗,kW。為對電動汽車使用空調系統后的續航里程進行估算，假設：電動汽車的電池能量只供給空調和驅動汽車；電池能量驅動汽車行駛效率為1；電動汽車始終勻速行駛，電動汽車空調始終處于穩態。根據式(1)推導出估算具體續航里程式：

(2)

式中：R1為開啟空調后的續航里程，km;Ah為電池容量，kW·h；v為行駛速度，km/h；R為汽車不開啟空調時的續航里程,km。

對市場上的電動汽車進行調查，選取一款電池容量為47.5 kW·h的電動汽車，續航里程達300 km。根據NEDC(new European driving cycle,新歐洲標準行駛循環)測試工況下車速與時間的關系，理論實驗距離為11.02 km，時間為19 min，如圖10所示[18]，因此平均車速選取為34.8 km/h。

圖10 NEDC測試工況車速-時間關系圖

根據式(2)和表4，估算出在滿足同樣制熱量條件下，該款電動汽車開啟空調系統后的續航里程，采用該熱泵空調系統和采用PTC加熱器后該車的續航里程對比結果如圖11所示。

圖11 續航里程對比

由計算結果可知，開啟空調使電動汽車的續航里程明顯減小。在制熱量相同的情況下，使用熱泵空調系統的續航里程高于使用PTC加熱器。在制熱量相同的條件下，熱泵空調系統可在PTC加熱器的基礎上，使續航里程提高13.5%～20.8%。

3 結論

本文基于設計的熱泵空調系統，在焓差室內搭建了實驗臺，對電動汽車熱泵空調系統在室外環境溫度為-10～0 ℃工況下的制熱性能進行了全新風實驗研究。測量了制熱循環中壓力、溫度和換熱量的變化。并分析了壓縮機轉速、HVAC總成進風量和環境溫度對熱泵系統制熱性能的影響,最后推導估算電動汽車開啟空調后續航里程公式，對比達到相同制熱量條件下，熱泵系統相比于PTC加熱器對于續航里程的提升。得到如下結論：

1)壓縮機轉速對熱泵系統性能影響較大。壓縮機轉速每增加1 000 r/min,制熱量增加4.8%～22.0%，COP降低0.06～1.48，排氣溫度升高11.8～25.1 ℃，排氣壓力升高0.065～0.166 MPa。

2)較大的HVAC總成進風量可顯著提升熱泵系統性能。在壓縮機轉速和環境溫度不變的情況下，HVAC總成進風量從300 m3/h增至400 m3/h，制熱量增加約13.3%～26.0%，COP增加約0.03～0.80。

3)較高的環境溫度能更好發揮熱泵系統性能。環境溫度從-10 ℃升至0 ℃，在HVAC總成進風量不變的情況下，制熱量增加60.9%～71.0%，COP增加0.28～0.54。

4)在達到相同制熱量條件下，使用該熱泵空調系統，可在PTC加熱器的基礎上使續航里程提高13.5%～20.8%。