工質種類及充注量對電動汽車熱泵空調影響的試驗研究

陳凱勝，王智興，魏名山，彭發(fā)展 Chen Kaisheng，Wang Zhixing，Wei Mingshan，Peng Fazhan

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工質種類及充注量對電動汽車熱泵空調影響的試驗研究

陳凱勝，王智興，魏名山，彭發(fā)展 Chen Kaisheng，Wang Zhixing，Wei Mingshan，Peng Fazhan

（北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081）

針對電動汽車熱泵空調，搭建了熱泵空調試驗臺架，采取控制變量法，研究R134A充注量以及工質種類對系統(tǒng)制熱性能的影響。結果表明，工質充注量較大時，壓縮機出口溫度及壓力、蒸發(fā)器進口壓力較大，系統(tǒng)功耗較大，同時制熱量較大；工質充注量較小時，蒸發(fā)器內工質吸熱過少，制熱量不足。環(huán)境溫度低至-10℃及-15℃時，R134A、R407C以及R410A 3種工質中R407C制熱性能綜合效果最好。

電動汽車；熱泵空調；制熱性能；工質充注量；工質種類

0 引 言

試驗研究了R134A充注量對于一臺電動車熱泵空調系統(tǒng)制熱性能的影響，同時對比研究了R134A、R407C以及R410A 3種工質對于系統(tǒng)制熱性能的影響。

1 電動汽車熱泵空調系統(tǒng)

電動汽車熱泵空調試驗系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)包括渦旋式電動壓縮機、車室內換熱器、車室外換熱器、四通換向閥、節(jié)流管、儲液罐、風扇等部件，各個部件通過由保溫材料包裹的銅管連接，模擬車室的空間與某一型號的電動車內部空間相當，同時用保溫材料覆蓋車室壁面，對車室進行保溫。在系統(tǒng)的各個重要節(jié)點（壓縮機進、出口，冷凝器進、出口，蒸發(fā)器進、出口）安裝壓力及溫度傳感器，同時采用電壓及電流傳感器采集壓縮機的電壓及電流，用以計算壓縮機功耗。利用Simulink搭建數據采集系統(tǒng)，記錄各節(jié)點的壓力及溫度隨時間的變化。壓縮機及換熱器的主要參數見表1、表2。

圖1 電動汽車熱泵空調試驗平臺[8]

表1 渦旋壓縮機的主要參數

表2 換熱器主要參數

系統(tǒng)制熱時，壓縮機做功將低溫低壓的氣態(tài)工質壓縮成高溫高壓氣體，氣體工質通過四通換向閥進入車室內換熱器，對車室內散熱，等壓冷凝為中溫高壓液體進入膨脹閥，節(jié)流降壓后變?yōu)榈蜏氐蛪簹庖夯旌衔铮M入車室外換熱器從環(huán)境中吸熱，工質吸熱之后再次進入壓縮機，完成一次循環(huán)。當系統(tǒng)制冷時，壓縮機出口的高溫高壓氣態(tài)工質先流經車室外換熱器，再經節(jié)流后流入車室內換熱器，與制熱過程相反。

試驗使用R134A、R410A、R407C 3種工質，物理性質見表3。這3種工質是現在最常用的空調制冷劑，其中R134A在汽車空調中應用最為廣泛，試驗研究充注量及3種不同工質在低溫環(huán)境下對電動汽車熱泵空調制熱性能的影響。

表3 各工質物理性質

2 理論分析

電動汽車熱泵空調系統(tǒng)在制熱時，是將熱能從低溫熱源（外界環(huán)境）輸送到高溫熱源（車室），其制熱系數一般大于1。理想制熱過程的溫熵圖（-）和壓焓圖（lg-）分別如圖2中（a）、（b）所示。圖2（a）中橫坐標為熵值，縱坐標為溫度，圖2（b）中橫坐標為焓值，縱坐標lg為絕對壓力的對數值。在圖2（a）和（b）中，1—2表示理想狀態(tài)下工質在壓縮機內絕熱壓縮，2—3表示工質在車室內換熱器內等壓冷凝放熱，3—4表示工質通過膨脹閥節(jié)流降壓，4—1表示工質在車室外換熱器內等壓蒸發(fā)吸熱。工質經過4個基本過程，從外界環(huán)境即低溫熱源吸熱，將熱量泵送到車室內。

圖2 熱泵空調理論循環(huán)

式中，c為單位質量下工質的制熱量，kJ/kg；2為圖2（a）和（b）中點2的焓值kJ/kg；3為圖2（a）和（b）中點3的焓值kJ/kg。

式中，為單位質量工質下壓縮機功耗kJ/kg；1為圖2（a）和（b）中點1的焓值，kJ/kg。

因此電動汽車熱泵空調在制熱情況下系統(tǒng)的值為

利用式（3）計算系統(tǒng)的值比實際制熱量和壓縮機功耗量的比值大，因為式（3）沒有考慮壓縮機損失，所以值會比實際情況大，但利用式（3）計算值更加方便。

4 試驗過程

利用北京理工大學電動車輛國家工程實驗室的環(huán)境艙系統(tǒng)模擬環(huán)境溫度以及濕度等環(huán)境參數，該環(huán)境艙系統(tǒng)能模擬環(huán)境溫度從-40℃到130℃。試驗過程中，當車室溫度達到預定值或者系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定后結束試驗，空調壓縮機停止工作，數據采集系統(tǒng)實時記錄各點的溫度及壓力。

表4 研究充注量的試驗工況

試驗使用專用工質加注電子秤控制工質充注量的多少（電子秤分辨率為5g，精度±0.05%），以此研究工質充注量對熱泵空調制熱性能的影響。對充注量的研究以R134A為例進行，表4為研究充注量的試驗工況。除此之外，在適宜充注量情況下，將R134A、R410A及R407C 3種工質的制熱能力進行對比。

5 試驗結果及分析

5.1 工質充注量對系統(tǒng)制熱性能的影響

以制熱工況下車室內溫度能否達到18℃作為衡量空調系統(tǒng)制熱能力的參考標準。如圖3所示為-5℃時車室內溫度隨空調系統(tǒng)運行時間的變化情況。在環(huán)境溫度為-5℃時，充注量600 g和670 g均能使室內溫度上升為18℃，且670 g時車室內溫度上升最快，而充注量400 g時室內溫度不能達到要求。結果表明工質的充注量越多，制熱量越大。原因為充注量越多，系統(tǒng)內的質量流量越大，單位時間內工質通過室內換熱器的換熱量增多，制熱量增大。從車室內溫度上升程度判斷，充注量為400 g時，由于系統(tǒng)內工質質量流量過少，工質在蒸發(fā)器內吸熱和在冷凝器內放熱均不足，導致系統(tǒng)制熱量不足。

圖3 車室溫升曲線（環(huán)境溫度-5℃）

如圖4所示，環(huán)境溫度為-5℃時，充注量為670 g時，壓縮機功耗遠大于其他充注量。充注量為400 g時系統(tǒng)穩(wěn)定時壓縮機平均功耗為859 W，與充注量為600 g時功耗基本相同，但制熱量明顯較小，故充注量為600 g時制熱效率較高。

還進行了環(huán)境溫度為-10℃及-15℃時的熱泵空調制熱試驗，充注量為670 g時，車室內溫度同樣能上升到18℃，但壓縮機功耗較高；在其他充注量情況下，車室內溫度不能滿足要求。說明在環(huán)境溫度為-10℃或-15℃時，僅改變充注量并不能滿足系統(tǒng)高效制熱的要求，可通過優(yōu)化系統(tǒng)結構參數和運行參數來提升系統(tǒng)制熱性能。

圖4 壓縮機功耗曲線（環(huán)境溫度-5℃）

5.2 充注量對系統(tǒng)壓力及溫度的影響

由圖5可知，在環(huán)境溫度為-5℃時，充注量為670 g時，壓縮機出口壓力急劇上升，在壓縮機轉速為6 000 r/min，系統(tǒng)運行至1 300 s時，壓縮機出口壓力高達1.935 MPa，接近壓縮機所允許的最大壓力2 MPa，易發(fā)生危險。由于工質充注量過量時，壓縮機出口壓力會急劇上升，可以判斷出，670 g時系統(tǒng)內工質的充注量過量。同時可以看出，充注量為600 g時，壓縮機出口壓力隨系統(tǒng)運行時間緩慢增加，充注量為400 g時壓縮機出口壓力較低且基本保持穩(wěn)定。

圖5 壓縮機出口壓力（環(huán)境溫度-5℃）

從圖6可知，在環(huán)境溫度為-5℃時，壓縮機出口溫度隨著充注量的增大而增大，充注量越大，壓縮機出口溫度上升越快。充注量為600 g及670 g時壓縮機出口溫度均能達到70℃左右，但充注量為400 g時壓縮機出口溫度較低，導致制熱量不足。

由圖7可知，在環(huán)境溫度為-15℃時，充注量為600 g及670 g時，蒸發(fā)器進口溫度先降低后緩慢升高，隨時間增加，其值基本保持不變；充注量為400 g即充注量不足時，蒸發(fā)器進口溫度先上升后下降直至平穩(wěn)，系統(tǒng)穩(wěn)定時蒸發(fā)器進口溫度高于充注量為600 g和670 g時，甚至高于環(huán)境溫度，蒸發(fā)器內工質從外界吸熱有限，導致整個系統(tǒng)制熱量不足。

圖6 壓縮機出口溫度（環(huán)境溫度-5℃）

圖7 蒸發(fā)器進口溫度（環(huán)境溫度-15℃）

由圖8可知，在環(huán)境溫度為-15℃時，充注量為670 g時，蒸發(fā)器壓力最高，原因為壓縮機出口壓力較高，節(jié)流降壓之后壓力仍較高；充注量為400 g時，從壓縮機出口壓力看，節(jié)流降壓幅度很小，從而導致蒸發(fā)器進口溫度過高，工質吸熱較少；充注量為600 g時，蒸發(fā)器工質的進口壓力低于其他充注量，說明節(jié)流降壓效果明顯，蒸發(fā)器能從外界環(huán)境中正常吸熱。

圖8 蒸發(fā)器進口壓力（環(huán)境溫度-15℃）

5.3 不同工質對熱泵空調制熱性能的影響

由圖9可知，環(huán)境溫度為-10℃時，R407C及R410A為工質時，車室內溫度能上升到18℃，而R134A不能滿足要求。由圖10可知，在環(huán)境溫度為-15℃時，僅工質R410A滿足制熱要求，但工質R407C接近制熱要求。

圖9 不同工質下車室內平均溫度（環(huán)境溫度-10℃）

圖10 不同工質下車室內平均溫度（環(huán)境溫度-15℃）

由圖11可知，R410A作為工質時壓縮機功耗高于R407C，在環(huán)境溫度為-10℃時，R410A高于R407C壓縮機功耗12.7%，并且在環(huán)境溫度為-10℃時，R407C作為工質時，車室內溫度上升較快；在環(huán)境溫度為-15℃時，R410A工質的壓縮機功耗高于R407C壓縮機功耗28.2%，并且R407C在環(huán)境溫度為-15℃時車室內溫度可以上升到16℃，滿足要求。故在環(huán)境溫度為-10℃及-15℃時，在壓縮機及冷凝器等系統(tǒng)參數相同的情況下，工質R407C對熱泵系統(tǒng)的制熱情況最有利。同時應注意R407C及R410A作為工質時，系統(tǒng)運行壓力較高，避免出現壓力過高的情況。

圖11 3種工質壓縮機功耗

6 結 論

1）工質充注量對電動汽車熱泵空調的制熱性能具有重要的影響，在環(huán)境溫度為-5℃時，充注量為600 g和670 g均能滿足要求，但充注量為670 g時充注過量，在相同的系統(tǒng)參數情況下，以R134A作為工質時，最優(yōu)充注量為600 g。

2）壓縮機出口壓力及溫度隨充注量的增加而增大，充注量過多時會導致壓縮機出口壓力過大，造成危險。工質充注量過小，節(jié)流降壓幅度很小，會導致工質在蒸發(fā)器中吸熱較少，制熱效率很低；工質充注量過大，工質在蒸發(fā)器進口溫度較低，但壓力偏高，不利于工質在蒸發(fā)器中吸熱；充注量適量時，工質在蒸發(fā)器中正常吸熱。

3）R134A、R410A及R407C 3種工質，在環(huán)境溫度為-10℃和-15℃時，在系統(tǒng)參數相同的情況下，R410A及R407C制熱性能較好，但R407C功耗低。故在環(huán)境溫度為-10℃或-15℃的低溫工況下，R407C的制熱性能最優(yōu)。

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2017-10-18

U463.85+1

A

1002-4581（2018）01-0017-06

10.14175/j.issn.1002-4581.2018.01.005