電動汽車熱泵型空調除霜實驗研究?

武衛東，吳佳瑋，余強元

前言

純電動汽車因具有能源效率高、沒有污染物排放的優點，在“十三五”期間整個國民經濟和社會發展中將處在十分重要的地位[1]。傳統汽車空調冬季制熱是由發動機冷卻水的熱量實現，而純電動汽車由于沒有發動機及其冷卻水系統，故其空調系統需要重新設計。文獻[2]～文獻[4]中先后以制冷循環原理提出并研究了不同形式的電動車熱泵空調系統。

純電動汽車熱泵空調系統在冬季制熱循環時，車外換熱器作為蒸發器吸收車外環境的熱量，車內冷凝器向車內環境放熱實現冬季采暖。由于冬季車外環境溫度較低，如果車外換熱器表面溫度低于空氣露點溫度，則空氣中的水分會在車外換熱器表面結露、結霜，霜層會阻礙車外換熱器與外界環境的熱量交換，不利于系統的正常運行，甚至無法提供正常的采暖功能。實驗表明[5]，當車外風機功率恒定時，車外換熱器結霜后通風量從1 500衰減到950m3/h，系統制冷劑流量由1.5衰減至0.4kg/min，制熱量從2 300降低至1 500W，下降了34.7%，系統COP則從4.8降至3.3，下降幅度達31.2%。另外，厚重的霜層還會破壞車外換熱器的表面結構，不僅降低了換熱器的換熱能力，而且將引起系統風堵、泄漏等問題。因此，純電動汽車熱泵型空調冬季除霜已成為該領域一個必需解決的問題(本文中的‘車外換熱器’、‘車外風機’和‘車外過冷器’等在實驗中皆指放置于車外環境室的設備；而在實車中則指放置于發動機艙的設備)。

常見的熱泵空調除霜方式主要有人工除霜、水沖霜、壓縮空氣除霜、電熱除霜和熱氣融霜[6]。對于純電動汽車，熱氣融霜因為不需要外加輔助設備、能源利用率高等特點而受到業界的重視。熱氣融霜一般有兩種形式，一種為熱氣旁通融霜，該方法利用制冷系統壓縮機排氣管和車外換熱器入口之間的旁通回路，將壓縮機的高溫排氣直接引入車外換熱器中，將換熱器表面的霜層融化。文獻[7]中對房間空調器熱氣旁通融霜進行了理論分析和實驗研究，發現旁通管路中電磁閥阻力大小對除霜時間有很大影響。文獻[8]中設計了一種新型熱氣旁通融霜方案，它通過旁通閥及管路直接將壓縮機排氣口與吸氣口連接，除霜時打開旁通閥，高溫高壓的壓縮機排氣通過旁通閥至壓縮機吸氣口，提高吸氣壓力與溫度，進而提高系統蒸發壓力與溫度，使車外換熱器表面溫度高于環境露點溫度，以達到除霜目的。該系統具有旁通管路較短、阻力較小，且在車外換熱器除霜期間，車室內的出風溫度可達到33.1℃，仍能滿足室內舒適度等優點，但其缺點是除霜時間較長，除霜次數頻繁，對系統長期穩定運行不利。

熱氣融霜的另一種形式為逆循環除霜。它通過四通換向閥的切換，車外換熱器由蒸發器切換為冷凝器，高溫高壓的壓縮機排氣直接進入車外換熱器對其表面進行融霜。文獻[9]中對空氣源熱泵機組進行了熱氣除霜的實驗研究，發現在相同實驗條件下逆循環除霜模式的除霜時間明顯比熱氣旁通除霜短。文獻[10]中基于風冷熱泵機組，對熱氣旁通除霜和逆循環除霜進行了對比，發現逆循環除霜比熱氣旁通除霜時間縮短65%；但采用逆循環除霜時，室內環境溫度波動較大。文獻[11]中對以CO2為制冷劑的純電動汽車熱泵空調系統進行了換熱器表面除霜實驗研究，在壓縮機排氣口與吸氣口兩處各增加1個三通閥，以此來替換系統中原有的四通換向閥，當開啟除霜模式時，同時切換兩個三通閥，經壓縮機壓縮的高溫高壓制冷劑先經過車外換熱器對其表面進行熱氣融霜，而后經節流閥、車內換熱器回到壓縮機完成循環，研究表明，該除霜方式化霜時間僅為2.5min，實際上該方法還是由原來的熱泵系統切換為制冷系統采用逆循環實現除霜。文獻[12]中還對該系統進行了理論模擬，發現除霜開始時間點對系統性能有很大影響，最佳除霜周期在15～20min之間可保證系統較高COP，但該系統是否適用于以R134a為制冷劑的純電動汽車空調，尚無相關研究報道。

綜上所述，兩種熱氣融霜形式各有優缺點，各自主要缺點是熱氣旁通融霜除霜時間較長而逆循環除霜車內溫度波動較大。據此，本文中基于前人研究，針對R134a熱泵型空調系統提出了兩種可兼顧兩種熱氣融霜優點的除霜形式，并對其進行性能測試和除霜效果對比分析，以期找到適用于新型純電動汽車熱泵型空調除霜的好方法。

1　熱泵型汽車空調除霜系統設計

提出的兩種熱氣除霜循環方式，如圖1所示。第一種除霜模式為膨脹后低壓熱氣除霜(low pressure hot gas defrosting)，其除霜過程為壓縮機出口高溫高壓氣體經電子膨脹閥膨脹后進入車外換熱器放熱，融化換熱器表面霜層。此循環結構簡單，在原有制冷與熱泵系統上無需增加額外電子膨脹閥。第二種除霜模式為膨脹前高壓熱氣除霜(high pressure hot gas defrosting)，該模式車外換熱器切換為冷凝器，由壓縮機排出的高溫氣體直接對其進行融霜，而后流經膨脹閥，再進入車外過冷器中蒸發為低溫低壓氣體，最后進入壓縮機完成循環。前兩種模式的好處是，除霜期間車內換熱器因無制冷劑流過而無任何換熱發生，不會對車內溫度產生較大影響，保證了車內舒適的乘坐環境。為深入分析上述兩種循環的除霜性能和效果，本文中還引入了第3種除霜模式，即傳統空調模式逆循環除霜(reverse cycle defrosting)，進行相互對比。與高壓熱氣除霜模式類似，在逆循環除霜模式中，壓縮機出口高溫高壓氣體進入車外換熱器放熱融霜，而后流經電子膨脹閥膨脹，之后進入車內蒸發器進行蒸發，完成循環。

圖1　3種除霜循環模式原理示意圖

2　除霜性能實驗

2.1　實驗方法與測試工況

針對以上3種除霜模式，在標準焓差實驗室中進行除霜性能實驗。焓差室主要由車內、車外環境室、溫濕度采樣系統、空氣流量測量裝置和空氣處理裝置(包括制冷、加熱及加濕機組)等組成，如圖2所示。焓差室溫度控制精度為±0.5℃，濕度控制精度為±3%。為更好地觀測車外換熱器表面結霜情況，在車外換熱器前端設置一個在線攝像頭，實驗中可實時觀察其結霜及化霜過程。

圖2　焓差環境室示意圖

為準確測量各種除霜模式的除霜時間，首先使整個R134a熱泵空調系統開始處于熱泵工況下運行，直到車外換熱器表面開始布滿霜層(同時以通過車外換熱器兩端空氣的壓降為判斷標準)，分別切換3種除霜模式，對車外換熱器進行除霜實驗，并開始計時，當車外換熱器表面霜層全部融化時(車外換熱器兩端空氣壓降恢復至結霜前)，結束計時，記錄每種除霜模式對應的除霜時間。結霜實驗環境工況如表1所示。對應3種除霜模式下熱泵機組工況如表2所示。其中對低壓熱氣除霜模式測試兩種工況，第一種工況車外風機運行，模仿車輛正常行駛(Motion)對除霜時間的影響，簡稱為低壓熱氣除霜-M，而第二種工況車外風機不運行，模仿車輛停止(Static)對除霜時間的影響，簡稱為低壓熱氣除霜-S。對于被測熱泵機組壓縮機轉速和電子膨脹閥(electronic expansion valve，EXV)開度的選擇主要考慮系統最高壓力不高于2.0MPa，在此限制下應盡量提高壓縮機轉速和與之相匹配的EXV開度，以縮短除霜時間。

表1　結霜實驗環境工況

表2　3種除霜模式熱泵機組工況

2.2　數據采集與處理

為準確測量除霜實驗中系統各關鍵點的溫度和壓力等參數，在整個熱泵空調系統中布置8個溫度、壓力傳感器(見圖1各圖中數字標號)。溫度傳感器采用PT100鉑電阻，其量程為-50～150℃，精度為±0.3℃，用于制冷劑溫度測量。壓力傳感器采用NS-Z數字壓力變送器，由于壓力傳感器精度與其量程有關，為使實驗數據更精確，1和5高壓測點傳感器量程為 0～4.5MPa，3和 6傳感器量程為 0～3MPa，2，4，7和 8低壓測點傳感器量程為 0～2.5MPa，精度為±0.05%FS，用于制冷劑壓力測量。為觀察車外換熱器表面結霜、融霜情況，在換熱器前安裝攝像頭對其進行實時監控，攝像頭清晰度為720P。為能更好地評價3種除霜模式，采用功率計對壓縮機功率進行測量，其精度為±(顯示值×0.1%＋量程×0.1%)。各傳感器測量參數均采用安捷倫34970A數據采集儀進行采集，由計算機完成數據記錄與處理。

3　實驗結果與分析

圖3示出各種除霜模式下整個除霜過程中壓縮機排氣壓力的變化曲線。由圖可見，低壓熱氣除霜的排氣壓力最高，除霜結束時最高達 1.5～1.75MPa，高的排氣壓力會使整個空調系統壽命縮短；逆循環除霜模式下排氣壓力維持在1.0MPa上下，且在除霜過程中有略微下降的趨勢，這是因為車內換熱器處于制冷狀態，車內風機不運行，制冷劑在車內換熱器中不能充分換熱，使壓縮機吸氣壓力不斷降低造成的；而高壓熱氣除霜模式的排氣壓力最低，雖在除霜過程中壓力逐漸升高，但除霜結束時排氣壓力最大值也只有0.65MPa，比逆循環除霜模式還低。從所需的除霜總時間看，高壓熱氣除霜模式除霜時間最短(2min)而低壓熱氣除霜-M除霜時間最長(為12.6min)，兩者相差10min以上；逆循環除霜模式居中，為3min。綜上分析可見，高壓熱氣除霜模式在除霜時間和排氣壓力兩方面均有較大優勢。

圖3　不同除霜模式下的除霜時間及壓縮機排氣壓力隨除霜時間變化

為分析不同除霜模式的系統能耗情況，圖4給出了上述各種除霜模式壓縮機功耗消耗對比圖。圖中曲線是壓縮機瞬時功率，W；曲線與橫坐標圍成的面積就是除霜過程壓縮機的累計能耗，kJ。結合圖3，從圖4中可以看到:由于低壓熱氣除霜-S高壓側壓力不斷上升，導致其壓縮機功率隨壓比不斷升高而增大，其除霜過程總能耗為457.74kJ；而低壓熱氣除霜-M其高壓側壓力上升幅度較小，所以其壓縮機功率基本維持在800W左右，除霜過程總能耗為505.93kJ。對于低壓熱氣除霜模式整個除霜過程，汽車運動狀態(M)壓縮機功耗略大于汽車靜止狀態(S)，這是因為在汽車運動狀態(M)下，因有風機的強制對流作用，一部分已被除霜的換熱器表面與空氣的換熱增強，帶走一部分本來用于除霜的熱量，使后續除霜過程更加漫長，功耗有所增加。從圖中還可以看到:雖然逆循環除霜模式壓縮機功率維持在一個較高的水平，但由于其除霜時間大大縮短，故在整個除霜過程中壓縮機能耗遠遠小于低壓熱氣除霜模式，僅為140.57kJ；而高壓熱氣除霜模式因壓縮機的功率較小，除霜時間又短，故能耗更小(86.83kJ)，僅約為逆循環除霜模式能耗的60%。

圖4　壓縮機功率隨除霜時間變化圖

上述4種除霜模式各性能參數及其優缺點總結于表3。盡管高壓熱氣除霜模式除霜時間較短，排氣壓力較低，壓縮機能耗較小，是一種較為理想的除霜模式，但須指出，測試工況中，高壓熱氣除霜模式是模擬車輛停止狀態下進行的，對于車輛正常行駛狀態，參考低壓熱氣除霜模式，除霜時間會略微有所增加。另外由于高壓熱氣除霜模式將車外過冷器當作蒸發器使用，此制冷循環中蒸發器容量過小，加之車外環境工況惡劣(環境溫度0℃，濕度90%)，過冷器表面較容易結霜。實驗中通過攝像頭觀測到，當車外換熱器除霜過程即將結束時，過冷器已經被薄薄的霜層覆蓋，但因此模式運行時間很短，對系統不會造成不利影響。而逆循環除霜模式則沒有上述結霜問題，這是因為在逆循環除霜模式中，蒸發器處于車內，車內溫度較高，蒸發器不會結霜，但是逆循環除霜模式對車內溫度會有一定程度的影響。綜上分析，低壓熱氣除霜模式在除霜時間、排氣壓力和壓縮機能耗方面都不具有優勢，而高壓熱氣除霜模式在4種除霜模式中相對較為理想，對純電動汽車熱泵型空調系統除霜在一定意義上具有推廣價值。

表3　4種除霜模式性能參數

為進一步了解不同除霜模式的效率情況，利用壓焓圖分析各種除霜模式熱力循環過程，見圖5。圖中:低壓熱氣除霜模式循環流程為氣體由點1經壓縮機后達到點2，而后經過電子膨脹閥降壓到點3’，再進入車外換熱器冷卻放熱回到點1完成循環；而高壓熱氣和逆循環除霜模式循環均為氣體由點1經壓縮機后達到點2，而后進入車外換熱器冷凝放熱至點3，隨后經電子膨脹閥降壓到點4，最后進入過冷器或車內蒸發器吸熱至點1完成循環。低壓熱氣除霜模式循環實際運行過程中僅有壓縮機產生的熱量用于除霜(壓縮機相當于電加熱)，而高壓熱氣和逆循環模式除霜循環為相同吸氣和排氣壓力與溫度下運行的“制冷循環”，除壓縮機的產熱量外還有從低溫環境吸收的熱量用于除霜。正是由于這樣不同的循環形式，導致在相同壓縮機轉速(即相同循環制冷劑流量和壓縮機功耗)下，低壓熱氣模式放熱量遠小于高壓熱氣和逆循環除霜模式放熱量，能效比較低，故要獲得相同的除霜效果，其除霜時間遠大于高壓熱氣和逆循環除霜模式。因此，從能效比的角度看，高壓熱氣除霜模式也是最佳選擇。

圖5　3種除霜模式循環流程壓焓圖

綜上分析，在純電動汽車空調系統除霜循環設計中，利用壓縮機排出的高壓熱氣直接除霜可以大大縮短除霜時間，且設法利用“制冷循環”原理，是實現除霜節能的有效途徑；同時避免除霜循環中吸熱部件(蒸發器)置于車內(實車中為乘員室)，有利于提高除霜過程中車內乘坐舒適度。

4　結論

針對純電動汽車熱泵型空調冬季制熱循環易出現的車外換熱器結霜問題，提出了兩種除霜循環，并進行了相應除霜性能實驗研究。以除霜時間、排氣壓力和壓縮機能耗為指標，對低壓熱氣除霜-M、低壓熱氣除霜-S、高壓熱氣除霜和逆循環除霜4種除霜模式進行了對比分析，得出如下結論。

(1)高壓熱氣除霜模式在本文中所研究各種除霜模式中最為理想；其除霜時間僅2min，為逆循環除霜模式的2/3，壓縮機能耗為86.83kJ，為逆循環除霜模式的60%；且采用高壓熱氣除霜模式，不會對車內溫度產生影響，提高了冬季純電動汽車的乘坐舒適度。

(2)高壓熱氣除霜模式除霜過程中，車外過冷器會出現結霜現象，但由于其除霜時間很短，且除霜完成系統切回制熱循環時，車外過冷器不在制熱循環內，對后期車內采暖并無影響。

(3)根據低壓熱氣除霜實驗結果，減小車外風機風量可有效縮短融霜時間，因此建議運行除霜模式時關閉車外風機并關閉汽車進氣柵。

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