新能源車前端蒸發器結霜保護特性實驗研究

徐蘊婕，張 馳，錢 銳

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

前言

隨著近幾年電動汽車的快速發展和電氣化程度的快速上升，更為復雜高效的整車熱管理系統成為各企業及研究機構的重要研發方向。車用熱泵技術發展迅速。

對于各種形式的車用熱泵系統，前端蒸發器結霜是不可避免技術問題。目前已有研究中，包佳倩等[1]觀察了霜層的凝結過程，研究了結霜對制熱量的影響。瞿曉華等[2]研究了12 ℃環境溫度下，電動汽車外部蒸發器結霜對熱泵系統性能的影響，并提出了有效化霜策略，保證系統安全穩定運行。潘樂燕等[3]比較了不同閥口直徑的電子膨脹閥對化霜時間的影響。梁志豪等[4]引入全局攝像頭，判斷結霜程度，提出了一種除霜策略。

在已有的研究中，多使用固定的壓縮機轉速。在實際電動壓縮機控制中，存在壓縮機低壓保護策略，即當系統低壓過低時，壓縮機會降低轉速以做保護。針對這一問題，搭建了新能源車前端蒸發器測試臺架，搭載實際電動壓縮機控制保護策略，研究了前端蒸發器正常結霜和結霜保護時的系統響應，以此對新能源系統中的結霜策略提出指導。

1 系統及測試臺架

對新能源系統前端蒸發器結霜新能研究中，圖1為測試臺架及測試系統示意圖。其中省略了制冷相關的管路，只研究相關制熱模式。制冷劑通過電動壓縮機壓縮后流經車內冷凝器，后流經電子膨脹閥（EXV），再流過車外蒸發器，回到電動壓縮機。其中車內冷凝器位于空調箱內，空調箱內還包括溫度風門和蒸發器等其他部件。空調箱連接于冷凝風道。車外蒸發器連接于蒸發器風道。管路及風道上布有溫度和壓力傳感器，如圖中所示，所有溫度和壓力傳感器均連接于dSpace控制器中。dSpace編寫有壓縮機低壓保護控制邏輯，驅動電動壓縮機，溫度風門和電子膨脹閥（EXV）開度。

圖1 實驗臺架示意圖

系統實驗在焓差臺上進行。臺架為測試系統提供兩個環境艙，分別為冷凝器室和蒸發器室。臺架提供兩個風道，分別為冷凝器風道，蒸發器風道。每個風道都有獨立的溫濕度控制系統，可以提供特定的風量，溫度和濕度，其控制范圍和精度如表1所示。臺架提供制冷劑流量計，其測量范圍為0～2 180 kg/h，精度為±0.10%。

表1 實驗臺架控制范圍和精度

2 實驗與工況

表2為測試工況，其中包括了不同的影響結霜的因子，包括前端蒸發器風量，車外溫度和系統負荷。其中系統負荷通過壓縮機初始轉速表征。

表2 結霜測試工況

系統實驗時，壓縮機轉速先設置至壓縮機初始轉速。實驗中，由于蒸發器結霜，低壓會逐漸下降，當低壓下降到絕壓105 kPa以下時，算法會進行低壓保護，通過降低壓縮機轉速，PID調節低壓保持在105 kPa。105 kPa為標定設置，主要考慮的是系統出現負壓，即絕壓小于100 kPa時，會出現倒吸空氣的風險。

3 結果與分析

3.1 工況對結霜速度的影響

圖2為各工況下實驗開始后10分鐘、30分鐘及60分鐘的結霜實際狀態。分析可以發現，壓縮機轉速越高，結霜越迅速。這是由于壓縮機轉速增加時，系統低壓下降，前端蒸發器翅片表面溫度降低。風量越小，結霜越迅速。這是由于：一方面，風量減小導致換熱器換熱能力下降，低壓隨之下降，蒸發器翅片表面溫度下降；另一方面，風量減小導致蒸發器排水性能下降，更容易產生結霜。環境溫度0 ℃比環境溫度?5 ℃時結霜更快。初始情況下，0 ℃工況的低壓飽和溫度為?14.1 ℃，?5 ℃工況的低壓飽和溫度為?17.9 ℃。因此，環境溫度從0 ℃降低到?5 ℃時，雖然低壓降低了，但是兩者的前蒸發器換熱溫差變化不大。另一方面，0 ℃環境時空氣中的含水量更大，此時，后一因素占據主導地位。

圖2 結霜對低壓和轉速的影響

3.2 壓縮機結霜保護對系統的影響

3.2.1 結霜對低壓和轉速的影響

圖3為系統運行過程中的低壓和壓縮機轉速變化。分析可以發現，在各個工況下，隨著結霜厚度增加，系統低壓下降。當系統低壓下降到105 kPa時，系統進入低壓保護狀態，壓縮機轉速下降。算法通過壓縮機轉速PID控制保證低壓維持在105 kPa。

圖3 結霜對低壓和轉速的影響

分析可以發現，工況1在測試時間內沒有進入低壓保護狀態。這是由于工況1壓縮機初始轉速較低，系統低壓較高。工況2進入保護狀態的時間為40分鐘，工況3為25分鐘，工況4為55分鐘，工況5為40分鐘。

3.2.2 進入保護狀態前結霜對系統的影響

圖4是系統出風溫度和系統制熱量在進入結霜保護前的變化。可以發現，出風溫度和制熱量隨著結霜加厚而降低。主要是由于系統高壓隨著低壓的下降而下降。其中工況5的變化最為明顯，其出風溫度從56 ℃降到48 ℃，制熱量從6 141 w降低至4916 w，降幅為20%。

圖4 保護狀態前結霜對乘客艙舒適性的影響

圖5是系統COP在進入結霜保護前的變化。可以發現，系統COP在進入保護前，處于下降趨勢，但下降并不明顯。這主要由于，一方面如上節所述的制熱量下降會導致COP下降；另一方面，由于低壓下降，壓縮機轉速不變，壓縮機耗功降低，此有利于提升COP。

圖5 保護狀態前結霜對COP的影響

3.2.3 進入保護狀態后結霜對系統的影響

圖6是系統出風溫度和系統制熱量在進入結霜保護后的變化。可以發現，此時出風溫度和系統制熱量的變化方向與保護前一致。此時，系統低壓受到保護，保持不變。而壓縮機轉速下降導致系統高壓下降，系統換熱能力變差。其中工況5的變化最為明顯，其出風溫度從48 ℃降到32 ℃，制熱量從4 916 w降低至3 153 w。在整個結霜工況下制熱量損失達到了48.7%。這一制熱能力的損失對乘客艙舒適性而言是難以接受的，因此系統必須通過其他方式補全損失的制熱能力。一般考慮進行過程中的化霜以保證制熱量，或者通過電加熱以補充制熱量。

圖6 保護狀態后結霜對乘客艙舒適性的影響

圖7是系統COP在進入結霜保護后的變化。可以發現，系統COP在進入保護后，系統的COP扭轉為上升趨勢。這主要由于，隨著壓縮機轉速的降低，壓縮機效率提升，耗功快速下降。其影響程度大于制熱量減少的影響。系統運行在更高效的高低壓區間。

圖7 保護狀態前結霜對COP的影響

如上節分析中結論，損失的制熱量需要補足。研究考慮通過PTC電加熱補足制熱能力損失的方案，一般認為PTC效率為95%。圖8表示工況5各時間點在使用PTC補全制熱量的情況下，制熱量與總耗電的比值，即系統的總效率。總耗電量包括PTC耗電量和壓縮機耗電量。可以發現系統總效率逐漸下降。這是由于COP大于1的壓縮機制熱逐步被效率小于1的PTC加熱替代。同時可以發現，第60分鐘系統總效率為1.4，與初始總效率2.2相比降低0.8，依舊有節能效果。PTC補全制熱能力方法的優點在于乘客艙制熱始終得到保障。因此，對于可以使用PTC加熱的系統，推薦使用PTC補全由結霜帶來的制熱能力損失，同時在行車結束后再進行化霜。

圖8 PTC補全功率和系統總效率

4 總結

針對新能源車前端蒸發器結霜的問題，研究搭建了結霜實驗臺架，考慮壓縮機對系統的低壓保護，對系統在不同工況下進行結霜測試，得到如下結論：

（1）壓縮機轉速越高，前端風量越小，結霜越迅速。環境溫度0 ℃比環境溫度?5 ℃時結霜更快。

（2）系統出風溫度和系統制熱量在進入結霜保護前后均持續下降。制熱量最大損失達到了48.7%。因此系統必須通過其他方式補全損失的制熱能力。

（3）系統COP在進入結霜保護前下降。在進入結霜保護后壓縮機轉速降低，COP上升。通過PTC補足結霜制熱能力損失時，系統總效率從2.2降低至1.4，整個過程中，乘客艙舒適性不受到影響。對于可以使用PTC加熱的系統，推薦使用PTC補全由結霜帶來的制熱能力損失，同時在行車結束后再進行化霜。