電動汽車中間冷卻式二氧化碳熱泵系統試驗研究＊

徐明 陳伊宇 周慶輝 隗富春 鄒慧明

（1.一汽奔騰轎車有限公司，長春 130000；2.中國科學院理化技術研究所，北京 100190；3.北京建筑大學，北京 100044；4.中國科學院大學，北京 100049）

主題詞：電動汽車 二氧化碳熱泵 中間冷卻 制冷/制熱性能

1 前言

在新能源汽車發展初期，普遍采用電加熱的方式滿足冬季供熱需求。研究表明，在嚴寒地區，這種高能耗的供熱方式可導致電動汽車續航里程衰減50%左右。空氣源熱泵是一種更高效、節能的方法，但是在寒冷地區，R-134a 熱泵系統性能隨環境溫度的降低而顯著衰減，制熱量也會嚴重不足。此外，現階段汽車空調領域普遍采用的制冷工質R-134a 的全球變暖潛能值高達1 300，其生產和使用都面臨嚴格限制，因此迫切需要一種基于環保工質的新型熱泵系統。

CO是一種純天然的環保工質，無毒、不可燃、單位容積制冷量大，具有良好的傳熱特性，是一種很有前景的替代制冷劑。1993 年，Lorentzen 教授等人首次提出跨臨界循環系統，并開發了CO汽車空調的樣機，其性能與R-12系統基本相當，由此引發了跨臨界CO汽車空調系統的研究熱潮。大量的性能比較試驗顯示，對于基本跨臨界CO系統，在高溫工況（環境溫度>45 ℃）下，CO的制冷性能系數（Coefficient Of Performance，COP）較R-134a 系統低。在制熱方面，相關學者對CO汽車空調樣機進行了研究，結果表明，CO熱泵系統可以獲得更高的制熱量和制熱COP。另一方面，為了獲得較好的性能，CO系統中通常采用中間換熱器，提升性能的同時也帶來排氣溫度過高的問題。

為解決上述問題，本文設計電動汽車中間冷卻式CO熱泵系統，在典型工況下測試系統性能，驗證其可行性。

2 中間冷卻式CO2熱泵系統

2.1 系統介紹

系統由中間冷卻式壓縮機、2 個車內換熱器（車內蒸發器和車內氣冷器）、車外換熱器、中間換熱器、中間冷卻器、電子膨脹閥等部件構成，系統原理如圖1所示。

圖1 中間冷卻式熱泵系統原理

2個車內換熱器布置于風道內，車外換熱器布置于前格柵后，中間冷卻器平行布置于車外換熱器前。通過系統中三通閥和截止閥的調節，可實現制冷模式和制熱模式切換，切換方案如表1 所示。在夏季高溫工況下，中間冷卻器用于壓縮機中間冷卻：來自第一級壓縮腔的排氣冷卻后進入第二級壓縮腔進行壓縮，以有效降低壓縮機的排氣溫度，在相同的極限排氣溫度限定下，引入中間冷卻后壓縮機可工作在更大壓比工況，有利于系統工作在高溫制冷工況。在冬季低溫工況下，車內蒸發器用作中間冷卻器：一方面，車內蒸發器對壓縮機第一級壓縮腔的排氣進行冷卻，降低排氣溫度，保護壓縮機并且提高其效率；另一方面，風道內的空氣先經過車內蒸發器，對制冷劑進行中間冷卻的同時回收中間冷卻過程的熱量，可有效提升系統的制熱量。該系統通過換熱器布局優化，兼顧了電動汽車空間緊湊的特點以及充分的中間冷卻條件，可以很好地保證系統的高效運行。

表1 工況切換策略

2.2 試驗平臺

為測試中間冷卻式CO熱泵系統的性能，搭建了如圖2 所示的測試平臺。壓縮機為中間冷卻式雙轉子壓縮機，排量為4.5 mL；車內蒸發器和車內氣冷器均為微通道平行流換熱器，并排布置于室內側受風箱，氣流先經過車內蒸發器，然后流過車內氣冷器；車外換熱器和中間冷卻器布置于車頭。部件的詳細參數如表2所示。

圖2 試驗系統

表2 主要部件結構參數

空氣側干球溫度和濕球溫度采用高精度鉑電阻測量，測溫精度為±0.01 ℃；制冷劑側溫度采用鉑電阻溫度計測量，精度為±0.2 ℃；壓縮機輸入功采用功率計8720測量，測量精度為±0.5%。

基于電動汽車空調典型運行工況，開展了制冷和制熱性能測試，并與基本跨臨界CO熱泵系統（簡稱基本系統）進行對比，測試工況如表3所示。

表3 測試工況

2.3 數據處理

在焓差實驗室中可以準確地測量出換熱器進、出口空氣的干、濕球溫度和風量，系統制冷量∕制熱量為：

系統性能系數為：

式中，為壓縮機耗功（含變頻驅動器）。

3 結果與討論

3.1 制冷工況系統性能

圖3所示為排氣溫度隨著排氣壓力的變化情況，其中系統排氣壓力通過膨脹閥調節。隨著排氣壓力的升高，中間冷卻式系統和基本系統的排氣溫度都明顯上升。但是，中間冷卻系統的排氣溫度的增長速度明顯低于相同壓比下基本循環的增長速度。在35 ℃工況下，中間冷卻式系統的排氣溫度最高不超過90 ℃，而基本系統的排氣溫度在壓力僅為9.72 MPa 時即達到102.6 ℃。在45 ℃工況下，中間冷卻系統在12.32 MPa排氣壓力工況下的排氣溫度僅為105 ℃，而基本系統的排氣溫度在排氣壓力僅為10.32 MPa時就達到113.6 ℃。

圖3 中間冷卻式系統與基本系統排氣溫度對比

圖4 所示為中間冷卻式系統與基本系統性能對比。35 ℃工況下，隨著排氣壓力的上升，中間冷卻式系統的制冷量從1 856 W 增加到2 353 W，從1.94上升到2.01，繼續增大排氣壓力時，開始呈現衰減趨勢。排氣壓力為9.45 MPa時，系統達到最優，其對應的壓縮機壓比為2.24。對于基本系統，排氣壓力和壓縮比受最高排氣溫度限制，對應的工作壓力和壓縮機壓比較中間冷卻式系統低。隨著排氣壓力上升，基本系統的制冷量從1 660 W增加到2 258 W，從1.83增加到2.01，然后隨著排氣壓力繼續增加，系統降至1.93，基本系統在排氣壓力為9.09 MPa、壓縮比為2.02時獲得最佳。

圖4 中間冷卻式系統與基本系統制冷性能對比

在45 ℃工況下，隨著排氣壓力的升高，中間冷卻式系統制冷量從1 568 W增加到2 068 W。這與35 ℃工況相似，存在最優，為1.59。與基本系統相比，中間冷卻式系統能顯著提升45 ℃工況下系統的制冷量和，最大制冷量提升了19.8%，最大提升了12.8%。

圖5 所示為中間冷卻式系統和基本系統循環過程對比。中間冷卻首先影響壓縮機的壓縮過程，包括壓縮機的絕熱效率和容積。在35 ℃工況下，當排氣壓力為9.45 MPa、壓比為2.2時，中間冷卻式系統的制冷劑流量為68.2 kg∕h，比基本系統高17.3%。一方面，由于氣冷器中制冷劑流量增大，但風量和氣冷器換熱面積不變，導致氣冷器出口溫度上升；另一方面，由于中間冷卻器平行布置于氣冷器前方，掠過中間冷卻器的空氣先被加熱一次后再流向氣冷器，這會惡化氣冷器的換熱環境。進一步地，節流閥前溫度隨著氣冷器出口溫度同步上升，直接影響節流后的制冷劑干度，即蒸發器的入口焓值上升，進而影響系統制冷量，這是在相同排氣壓力和壓比條件下，中間冷卻式系統性能較基本系統略差的主要原因。

圖5 中間冷卻式系統與基本系統循環過程對比

3.2 制熱工況系統性能

圖6 所示為0 ℃∕20 ℃工況下不同排氣壓力時中間冷卻式熱泵系統的制熱性能。隨著排氣壓力從7.65 MPa 升高到10.25 MPa，系統制熱量從2 216 W增大到3 212 W，其增加的速度逐漸變緩；隨著排氣壓力升高，壓縮機的中間溫度和排氣溫度均明顯上升，中間冷卻過程和氣冷器中的冷卻過程的換熱溫差增大，換熱量增加。對于系統制熱，呈現先增大后減小的趨勢，在排氣壓力為9.16 MPa 時，系統達到最優性能，最大為2.2。排氣壓力升高，系統制熱量增大，增長的趨勢逐漸變緩；同時由于壓縮機壓比增大，耗功增加。當排氣壓力和壓縮比較小時，制冷量的增長占主導，從而隨排氣壓力的上升而增大；當排氣壓力較高時，壓縮機耗功的增加占主導，系統下降。

圖6 中間冷卻式系統制熱性能

圖7 所示為中間冷卻系統和基本系統制熱工況下排氣狀態對比，可以發現，中間冷卻式系統的排氣溫度明顯低于基本循環，這個特點在低溫制熱工況愈加顯著：-20 ℃∕20 ℃工況下，對于基本循環，膨脹閥開度為80%左右時排氣溫度即達到110 ℃，而對于中間冷卻式系統，當電子膨脹閥的開度調節至50%左右時其排氣溫度仍未超過100 ℃。由于中間冷卻式系統在降低排氣溫度方面的突出優勢，中間冷卻式系統的膨脹閥開度可以調節到相對較小的水平，顯著提升對應的排氣壓力，有利于CO熱泵系統在大壓比工況下工作運行。

圖7 中間冷卻式系統和基本系統制熱工況排氣狀態對比

圖8 所示為中間冷卻式系統和基本系統在不同環境溫度下的制熱性能。對于基本系統，在0 ℃∕20 ℃工況下，系統制熱量1 928 W，制熱為1.85；在-20 ℃∕20 ℃工況下，系統制熱量863 W，制熱為1.05。對于中間冷卻式系統，在0 ℃∕20 ℃工況下，系統制熱量為2 892 W，制熱為2.20，制熱量提升50%，制熱提升18.9%；在-20 ℃∕20 ℃工況下，系統制熱量為2 003 W，制熱為1.70，制熱量提升132.1%，提升61.9%。

圖8 中間冷卻式系統和基本系統制熱性能對比

隨著環境溫度的降低，系統制熱量減小。0 ℃工況下中間冷卻式熱泵系統的制熱量比基本循環的制熱量高50%，并且在低環境溫度工況下中間冷卻系統的優勢增加到132%。受到壓縮機排氣溫度的限制，-20 ℃工況下基本循環的排氣壓力低至5.8 MPa，對應的飽和溫度僅為20.6 ℃，導致氣冷器中的換熱溫差過小，氣冷器中的熱交換幾乎僅發生在過熱區域，在該區域中，CO的比熱容遠小于兩相區和超臨界區域的比熱容，導致-20 ℃工況下基本循環的制熱量過小。

4 結束語

本文設計了適用于電動汽車的中間冷卻式CO熱泵系統，基于試驗比較了典型制冷和制熱工況下中間冷卻式熱泵系統和基本系統的性能，主要結論如下：

a.中間冷卻技術可以顯著改善CO跨臨界系統高溫制冷工況效率較低的問題。在45 ℃制冷工況下，中間冷卻式系統的最大制冷量和最優性能系數較基本系統分別提升了19.8%和12.8%。

b.在制熱工況下，當環境溫度從0 ℃降至-20 ℃時，中間冷卻系統的制熱量較基本系統提高50%～132%，性能系數改善18.9%～61.9%。-20 ℃∕20 ℃工況下，中間冷卻式系統性能系數達1.7，排氣溫度僅為95 ℃。

c.中間冷卻式系統能顯著提升CO跨臨界系統高溫工況和低溫制熱工況綜合性能，能有效適應電動汽車溫區廣、工況變化大的運行條件，為電動汽車領域的天然環保工質替代工作提供了一種解決方案。