電動汽車熱泵系統車外換熱器結霜除霜研究現狀

潘軍剛

（中國石油大學（華東）青島 266555）

0 引言

近年來，電動汽車的產量和普及率激增。作為利用新型動力的汽車，電動汽車克服了傳統燃油汽車依賴化石燃料，排放、噪聲大的缺陷[1]，達到了小噪聲，車體零排放，能夠多元化利用能源，是未來汽車的發展趨勢。與燃油汽車相同，電動汽車的制冷制熱設備在營造舒適的車內環境中起到了關鍵作用[2]。燃油汽車夏季通常采用空調裝置制冷，而冬季則直接采用發動機余熱直接為車內供熱。電動汽車由電動機直接驅動，其廢熱量少，品位也很低[3]，不足以用于車內供熱。因具有高效率、供熱均勻舒適的優點，目前電動汽車廣泛采用空氣源熱泵系統[4,5]。

電動汽車熱泵系統車外換熱器在制冷時作為冷凝器，在制熱時作為蒸發器，是系統能否正常運行的關鍵部件[3]。在高濕低溫環境下，車外換熱器極易凝露、結霜，從而發生堵塞，阻止空氣流動，降低換熱效率。電動汽車車外換熱器廣泛采用微通道換熱器，微通道換熱器由美國學者Tuekerman最早提出[6]，相對于傳統的翅片散熱器，具有體積小、重量輕、換熱效率高、制冷劑充注少的特點[7]。然而，緊湊的通道布置和小翅片間距比傳統翅片散熱器更容易結霜，堵塞現象更加嚴重。

實驗表明，當車外風機功率恒定時，微通道換熱器結霜后通風量從1500m3/h 衰減到950m3/h，制冷劑流量由1.5kg/min 衰減至0.4kg/min，制熱量從2300W 降低至1500W，下降了34.7%[8]。因此，電動汽車熱泵換熱器抑霜、除霜成為了熱泵系統穩定運行的關鍵技術。

目前，國內外針對換熱器結霜、化霜的研究較多，主要集中在機理詮釋、建模分析、結霜改善及化霜控制優化等方面[9-12]，專門針對電動汽車熱泵系統車外換熱器結霜除霜的最新研究性總結較少。因此，本文首先總結了環境因素對電動汽車車外換熱器結霜的影響，然后從結構和界面優化兩方面綜述了抑霜研究，最后介紹了兩類經典除霜方法的最新研究和除霜控制方法。

1 環境因素對結霜的影響

1.1 環境溫度的影響

車外環境溫度是電動汽車室外換熱器結霜的決定性因素。巫江虹等[13]對比研究了管翅式換熱器和微通道換熱器在電動汽車熱泵系統中的結霜差異，發現室外溫度低于7℃時，微通道換熱器結霜嚴重。盛偉等[14]對比了微通道換熱器用作蒸發器時在三種不同的工況下的適用性：在換熱器表面溫度低于露點溫度但高于0℃的凝露工況下，換熱器壓損和換熱量變化較小，適用性較好；換熱器表面溫度低于露點溫度且低于0℃的凝露結霜工況，需要化霜后方可使用；換熱器表面溫度、濕空氣溫度均低于0℃的凝華結霜工況，在現有結構及條件下會發生嚴重霜堵而不能使用。

李海軍等[2]研究了室外溫度小于等于0℃時，不同溫度對換熱器結霜后性能的影響，如圖1所示。可知，不同室外溫度下結霜規律相似，即運行30min 后，由于結霜霜層逐漸增厚，形成正反饋使結霜速度進一步加快，霜層進一步增厚，90min 左右結霜完全。當車外溫度較高時，完全結霜后的制熱量較高，但制熱量減幅也更大，而車外溫度較低時，系統制熱量本身較低，制熱量減幅較小。

圖1 車外環境溫度對系統制熱量的影響[2]Fig.1 Influence of external environment temperature on the system heating capacity[2]

1.2 空氣濕度的影響

空氣溫度低于冰點時，濕度也是影響車外換熱器結霜的重要因素，李海軍等[2]研究了相對濕度分別為70%、80%、90%的高濕環境下對熱泵系統性能的影響。如圖2所示，可見相對濕度越高，結霜速度越快，但隨著運行時間增加，結霜后的系統制熱量趨于一致。

圖2 車外相對濕度對系統制熱量的影響[2]Fig.2 Influence of relative humidity outside the vehicle on the system heating capacity[2]

此外，進風速度對結霜量也有較大影響。如圖3所示，當溫濕度條件一定時，在實驗的風速工況范圍內，風速越高，結霜速度越快。這是由于風速越大，濕空氣的流量越大，單位時間內可轉化為霜的水蒸氣總量增多。同時，朱建民等[15]通過對比實驗，認為相對濕度的影響最大，溫度的影響次之，風速的影響最小。

圖3 不同風速下結霜量的變化[15]Fig.3 Variation of frosting mass under different wind velocities[15]

2 換熱器抑霜設計研究

2.1 結構設計

抑霜設計主要通過改變換熱器的幾何結構參數及表面界面性質，降低結霜速度，減少結霜量。包佳倩等[16]分析了在四流程換熱器霜層生長的特點：不同流程氣液態制冷劑的比例不同且受到重力影響，第一流程霜層均勻分布，而二三四流程則是非均勻分布，表面霜層增長與表面溫度下降存在聯動關系。目前缺乏針對該現象進行抑霜優化的研究，但劉雨聲等[17]在改善電動汽車換熱器進風條件的研究中，將四流程改進為六流程（見圖4（a）和圖4（b）），進風更加均勻，該研究為換熱器抑霜提供了思路。結合上述兩項研究可以預見，在換熱器抑霜設計中，改進制冷劑側流程具有一定潛力。

圖4 換熱器流程改進[17]Fig.4 Flow path improvement of heat exchanger[17]

熱泵系統的室外換熱器，在空間上有水平和豎直兩種布置方式，傳統燃油汽車熱泵系統多采用帶有儲液器功能的水平布置方式，而電動汽車微通道換熱器多采用有助于排水的豎直布置方式，如圖5（a）和圖5（b）所示。

圖5 微通道換熱器布置方式[3]Fig.5 Layout of microchannel heat exchanger[3]

董軍啟等[3]研究了蒸發器工況下，水平與豎直布置方式在高寒、高濕、寒濕工況下的制熱量和出風溫度變化情況，如圖6（a）和圖6（b）所示。結霜工況下，橫排結構的性能優于豎排結構，主要因為豎排布置會導致制冷劑分配不均勻，局部位置結霜嚴重，而化霜時會不徹底。由此可見，豎排布置換熱器雖然有利于化霜水排泄，但并不利于抑霜。

圖6 在2℃/1℃工況下不同布置方式的換熱量及出風溫度Fig.6 Heat transfer and outlet air temperature of different layout under 2℃/1℃condition

2.2 表面處理

換熱器表面涂覆親疏水涂層或其他涂層材料抑制結霜是研究熱點[18]。Liu zhonglang 等[19]探究了涂覆抑霜涂料對霜層厚度的影響，發現經涂層處理后，換熱器霜層厚度明顯低于未處理樣品，如圖7所示。Wang zuojia 等[20]將疏水材料涂覆在鋁制換熱器表面，疏水表面能夠使霜以低密度的形式堆積，有助于除霜，實驗中疏水表面結霜延遲了近60min，如圖8所示。

圖7 未經涂層處理表面和涂層涂覆表面結霜厚度對比[19]Fig.7 Comparison of frosting thickness between uncoated and coated surfaces[19]

圖8 光滑鋁制表面和疏水表面霜層厚度對比[20]Fig.8 Comparison of frost thickness between smooth aluminum surface and hydrophobic surface[20]

同時，K Boyina 等[21]研究了一種超疏水換熱器，該換熱器能夠大幅減少結霜量，并使熱導率保持在最大值的50%以上，并能減少除霜所需時間和能量。路偉鵬等[22]首次提出了“翅片表面蒸干率”的概念，并通過實驗發現普通鋁箔表面初始蒸干率可達90%，而親水鋁箔僅為50%，但是親水鋁箔完全蒸干殘留水的耗時僅7min，僅占普通鋁箔表面完全蒸干殘留水的25%。

表面處理進行能夠減少結霜量和結霜速度，但是表面處理成本高，工藝復雜，難以普及，因此降低成本和簡化工藝是該類技術能否被應用的關鍵點。考慮到電動汽車換熱器的長時間運行，表面處理不能根本性解決結霜問題，仍需依靠除霜設備和系統，但是表面處理在延長除霜周期，降低除霜能耗方面有積極作用。

2.3 其他研究

Y Hu 等[23]研究了污垢對傳熱及結霜的影響，發現結垢嚴重時會降低傳熱速率進而減少結霜，如圖9所示。但進一步歸一化研究后，結垢與霜層增長是正相關的關系。因此，在換熱器運行時，保證表面潔凈度，減少結垢，也有助于防止結霜。

圖9 不同污垢等級下的霜層積累[23]Fig.9 Frost accumulation under different fouling levels[23]

Liu xiaoqin 等[24]采用多孔翅片來提高管翅式換熱器在結霜工況下的性能，盡管多孔翅片結霜量稍大于普通換熱器，但換熱量和換熱系數分別提高了38.9%和31.8%，且隨著時間推移越來越明顯，如圖10所示。目前尚無采用多孔結垢的微通道換熱器抑霜研究。

圖10 多孔翅片和普通翅片下的換熱量對比[24]Fig.10 Comparison of heat transfer between porous fin and conventional fin[24]

3 電動汽車熱泵除霜技術

熱泵系統常見的除霜方式有人工除霜、水沖霜、壓縮空氣除霜、電熱除霜和熱氣融霜等[25]，對于電動汽車，熱氣融霜因為不需要輔助設備、能源利用率高而受到重視。因此，本文主要介紹熱氣融霜技術，熱氣融霜有兩種形式，熱氣旁通法和逆循環法。

3.1 熱氣旁通法

熱氣旁通法指將壓縮機的高壓高溫排氣直接引入換熱器中，使霜融化，具有旁通管路短，阻力小，除霜時車內溫度波動小等優點，但是除霜速度較慢，除霜時間長，次數較多。

武衛東等[26]測試了四種除霜模式的除霜時間及能耗，如表1所示，其中高壓熱氣旁通除霜性能最為理想。

表1 四種除霜模式及性能參數[26]Table 1 Four defrosting modes and performance parameters[26]

黃朝宗等[27]系統性研究了熱氣旁通法，得到了所研究熱泵系統的旁通閥最佳開度以及最佳除霜周期。最佳除霜周期以基本除霜完全為基準，而換熱量較小的邊角處殘留的霜可以忽略。

此外，劉磊等[4]介紹了制冷劑過冷除霜的方法，這種方法類似于熱氣旁通法，是利用剛從冷凝器出來的制冷劑液體通往蒸發器進行除霜，該法特點與熱氣旁通法類似，不影響制熱，但是需要長時間運行，適用于微霜情況下將霜除盡，防止霜的進一步生成。王驛凱等[28]通過實驗發現，熱氣旁通除霜方法可以提高蒸發器進口溫度至30℃左右，除霜效率達46.5%，相較其他熱氣旁通方法除霜時間縮短100s，熱氣旁通除霜方法更適用于空氣源跨臨界CO2熱泵系統。

3.2 逆循環法

逆循環法指通過四通換向閥的切換，車外換熱器由蒸發器變為冷凝器，使壓縮機排氣進入車外換熱器進行除霜。逆循環法除霜優點在于除霜速度快，能耗較小，缺點在于除霜時制熱停止，對車內溫度影響較大。Qu Minglu 等[29]指出了逆循環降低系統循環效率的機理；Steiner 等[30,31]研究了以CO2為工質的逆循環除霜系統，并對除霜過程中的參數進行了優化，得到了不同節流閥開度等對除霜過程的影響，并建立了CO2工質逆循環除霜模型，基于模型研究了除霜的最佳時間點和持續時間。Zhou guanghui 等[32]提出了基于逆循環除霜的聯合除霜技術，如圖11所示，該技術核心在于提升除霜時氣流的溫度和焓，通過控制外部風速、控制壓縮機轉速、提升車內溫度等方法達到快速除霜，減少逆循環除霜時對車內溫度的影響。

圖11 外部風扇頻率與除霜時間和冷凝溫度的關系[32]Fig.11 Relationship between frequency of external fan and defrosting time and condensation temperature[32]

潘樂燕等[33]搭建了實車車外換熱器結霜化霜平臺，認為換熱器結霜程度可間接通過吸氣溫度或吸氣壓力相對無霜狀態的變化來表征，大口徑電子膨脹閥結合智能控制可達到有效除霜。孫西峰等[34]搭建了采用逆循環化霜的跨臨界CO2電動汽車空調實驗平臺，通過化霜時間記錄和霜層實時拍攝研究了連續結霜-化霜實驗，結果表明連續運行結霜150min 后，制熱量分別下降22.6%和15.6%，第二次結霜時間僅為第一次結霜時間的28.5%，逆循環除霜效果明顯。

3.3 除霜系統控制

在除霜的系統控制方面，Tang jinchen 等[35]研發了一種基于新的熱力學模型的自適應控制算法，兼容包括R22、R134a 在內的六種主流制冷劑，可精確預測霜凍積累量。J Iragorry 等[36]利用紅外測溫儀測定換熱器表面溫度，從而判斷結霜的發生和除霜的終止。梁志豪等[1]將結霜速率的變化作為系統結霜情況的判斷點，當結霜速率驟降同時全局結霜區域占比達到30%時，系統將進入除霜模式。

俞彬彬[37]等認為基于蒸發溫度的除霜判定方法可有效控制蒸發器的結霜范圍，在不同工況下對最佳除霜時刻的預測值誤差在15%以內，比采用蒸發器表面最低溫度進行判定的方法優越。蔡操平等[38]認為蒸發溫度控制參數設置不當是造成汽車熱泵怠速狀態下出現頻繁啟停化霜的主要原因，對蒸發溫度傳感器位置和控制范圍進行優化后，可有效解決頻繁化霜的問題。張駿等[39]提出了利用最大平均制熱量法快速確定除霜起始點的方法，可將1.5匹熱泵空調器的平均制熱量提高到3213W，且能效提高了6%。為了抑制結霜和提高除霜效果，胡斌等[40]創新地提出了防結冰、大流量、防積雪技術與智能化除霜控制策略，除霜時間可縮短20%～50%。以上研究都為除霜的系統化和智能化探明了道路。

4 結論

本文系統介紹了電動汽車結霜的環境因素，抑霜方法以及除霜方法的最新研究：

關于結霜環境因素的討論，有助于結合電動汽車具體運行工況，對結霜環境下工作能力分別進行研究，由于電動汽車的運動特性，工況時刻發生變化，理想的除霜系統需要正對不同工況進行優化，目前來看針對寒濕、高寒、高濕等不同工況，有待單獨進行研究。

關于抑霜技術的討論，研究最多的領域是表面涂層技術，但由于成本工藝限制應用很少，難以投入實際應用，因此該方面是該技術突破的重點。而關于換熱器外型和流程的設計較少，但從本文的分析中看出存在一定的潛力。抑霜技術無法完全防止結霜現象，而需要和除霜技術相輔相成，提升除霜速度，降低除霜能耗。

關于除霜技術的討論，除霜技術是整個除霜領域的核心，研究已經相對成熟。由本文介紹可以看出，除霜技術涉及多方面，多流程，且受到空調熱泵系統的其他流程制約。因此局部改良以提升整體除霜效率，綜合性優化更容易取得成效。

最后，電動汽車熱泵系統除霜是一項多領域、多學科交叉的技術難點，既依托于傳統熱泵除霜技術的進展突破，又需要和汽車空調熱泵系統有機結合。而在除霜系統的優化上，不應一味追求提速節能，而是應當兼顧整個系統，才能取得綜合成效。