熱泵型純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)特性

(浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司 杭州 310051)

全球氣候變暖、大氣污染及能源成本高漲等問題日益嚴(yán)峻，大力發(fā)展清潔能源汽車已成為普遍共識(shí)。電動(dòng)汽車具有低排放、經(jīng)濟(jì)性好、不依靠石油資源等優(yōu)點(diǎn)，已成為未來汽車領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，但電動(dòng)汽車由于使用電池作為動(dòng)力來源，沒有內(nèi)燃機(jī)，現(xiàn)有電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)技術(shù)，大多采用單冷系統(tǒng)加PTC加熱，純粹的PTC加熱會(huì)消耗電池大量電能，進(jìn)而減少電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。

闕雄才等[1]指出，新能源汽車在冷卻系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，汽車的續(xù)航里程減少比例從16.7%上升至50%，表明冷卻和加熱系統(tǒng)對(duì)新能源汽車的續(xù)航里程的影響較大。B. Torregrosa等[2]研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有純電動(dòng)車幾乎都使用PTC加熱，PTC加熱一般都大于2 kW，且效率均小于1，電池滿負(fù)荷時(shí)，PTC加熱器能使電動(dòng)汽車的續(xù)航里程減少24%。D. Clodic等[3]測(cè)試結(jié)果表明，新能源汽車的能量損耗中汽車空調(diào)系統(tǒng)占了很大比例，在低溫環(huán)境下，純電動(dòng)汽車的熱泵空調(diào)系統(tǒng)能使汽車?yán)m(xù)航里程減少8%。R. Farrington等[4]的研究表明，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程能達(dá)到200 kW，但加熱和冷卻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，其續(xù)航里程會(huì)縮減至40%左右。

因此，采用高效的熱泵汽車空調(diào)系統(tǒng)對(duì)提高純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程起著至關(guān)重要的作用。李麗等[5]設(shè)計(jì)了一套適用于電動(dòng)汽車的蒸氣壓縮式冷暖雙模式熱泵空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)的制熱/制冷轉(zhuǎn)換由四通換向閥完成，以R134a作為運(yùn)行工質(zhì)。結(jié)果表明，外界環(huán)境對(duì)熱泵空調(diào)的性能影響較大，隨著車室外環(huán)境溫度的降低，系統(tǒng)壓力降低，壓縮機(jī)排氣溫度降低，單位時(shí)間內(nèi)制熱量減少。M. Hosoz等[6]研究發(fā)現(xiàn)，R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在常溫下加熱性能良好，但在環(huán)境溫度較低時(shí)，其加熱能力迅速下降，需要輔助加熱設(shè)備來維持所需熱量。L. P. Scherer等[7]研發(fā)了R134a及R152a的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用三通閥來控制系統(tǒng)制熱及制冷模式的切換。T. Suzuki等[8]對(duì)比了傳統(tǒng)汽車和電動(dòng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)，并提出了一套電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)，包括四通閥、兩個(gè)熱力膨脹閥及多個(gè)單向閥，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)冷卻、加熱、除霧、除濕等功能，采用R134a制冷劑，在40 ℃及-10 ℃工況下實(shí)驗(yàn)測(cè)得其COP分別為2.9和2.3。

為避免四通閥兩換熱器系統(tǒng)在制冷/制熱模式切換時(shí)，行車視線可能會(huì)被擋風(fēng)玻璃上產(chǎn)生的水霧阻礙，影響駕駛安全[9]，本系統(tǒng)加裝內(nèi)部熱交換器促使水霧蒸發(fā)，避免空調(diào)系統(tǒng)干擾行車安全。采用電磁閥對(duì)系統(tǒng)的制冷及制熱模式進(jìn)行切換，保證汽車空調(diào)的抗震性。本研究采用三換熱器熱泵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)冷卻、加熱、除霧、除濕等功能，目前該系統(tǒng)已完成開發(fā)階段，進(jìn)入驗(yàn)證階段。

1 純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

圖1 電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)室布置Fig.1 The principle and the equipment figure of heat pump air-conditioning system for electric vehicle

電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)室布置如圖1所示。制熱循環(huán)過程為：壓縮機(jī)對(duì)低溫低壓的氣態(tài)工質(zhì)做功，使其被壓縮成高溫高壓氣體，工質(zhì)流入內(nèi)部冷凝器，經(jīng)冷凝器冷凝后變?yōu)橹袦馗邏旱囊后w，并向車內(nèi)散熱，經(jīng)電磁閥4后進(jìn)入膨脹閥節(jié)流降壓變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔铮詈蠊べ|(zhì)在外部冷凝器內(nèi)蒸發(fā)變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w，并從環(huán)境中吸收熱量，低溫低壓氣體經(jīng)過電磁閥進(jìn)入氣液分離器，最后回到壓縮機(jī)，完成一次循環(huán)。制冷循環(huán)過程為：壓縮機(jī)對(duì)低溫低壓的氣態(tài)工質(zhì)做功，使其被壓縮成高溫高壓氣體，工質(zhì)流經(jīng)內(nèi)部冷凝器及電磁閥5，進(jìn)入外部冷凝器，經(jīng)冷凝后變?yōu)橹袦馗邏旱囊后w，并向環(huán)境中散熱，流經(jīng)電磁閥1后進(jìn)入膨脹閥節(jié)流降壓變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔铮又べ|(zhì)在車內(nèi)換熱器內(nèi)蒸發(fā)變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w，并從車內(nèi)吸收熱量，低溫低壓氣體進(jìn)入氣液分離器后回到壓縮機(jī)，完成一次循環(huán)。

在制冷循環(huán)下，內(nèi)部冷凝器只作為通道，制冷劑流經(jīng)內(nèi)部冷凝器，并不進(jìn)行換熱。

為測(cè)試純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能，本文搭建了熱泵系統(tǒng)臺(tái)架，并進(jìn)行了臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)試。為模擬電動(dòng)汽車的真實(shí)冷熱負(fù)荷，臺(tái)架搭建分為室內(nèi)側(cè)及室外側(cè)，其中內(nèi)部換熱器和蒸發(fā)器安裝在室內(nèi)側(cè)臺(tái)架，其余部件安裝在室外側(cè)臺(tái)架。對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度壓力，內(nèi)部冷凝器進(jìn)出口溫度壓力、外部冷凝器進(jìn)出口溫度壓力、蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷為制冷量3 kW，制熱量3 kW，壓縮機(jī)選用南京奧特佳26 mL/r排量的渦旋電動(dòng)壓縮機(jī)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500～6 500 r/min。熱泵系統(tǒng)3個(gè)換熱器均采用微通道換熱器，其中蒸發(fā)器尺寸為260 mm×40 mm×265 mm，內(nèi)部冷凝器尺寸為266 mm×32 mm×226 mm，外部冷凝器尺寸為624 mm×25.4 mm×293 mm，膨脹閥為5.28 kW H型熱力膨脹閥，壓縮機(jī)進(jìn)出口、蒸發(fā)器進(jìn)出口、內(nèi)部冷凝器進(jìn)出口采用軟管連接，熱泵空調(diào)系統(tǒng)其余各部件均采用銅管連接，并采用保溫材料對(duì)銅管進(jìn)行包裹，以保證系統(tǒng)管路的保溫性能。尤其是蒸發(fā)器出口到壓縮機(jī)進(jìn)口段，防止高溫環(huán)境下，蒸發(fā)器出口制冷劑吸收環(huán)境溫度，溫度升高，導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)口溫度過高，進(jìn)而影響壓縮機(jī)正常工作及系統(tǒng)性能。選用安全、不易燃、不破壞臭氧層、溶油性良好的R134a 作為制冷劑。

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司實(shí)驗(yàn)中心(簡稱實(shí)驗(yàn)中心)2號(hào)性能實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)所使用焓差室、多點(diǎn)溫度計(jì)、相對(duì)濕度計(jì)、壓力計(jì)、傳感器、數(shù)據(jù)采集儀等由浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司實(shí)驗(yàn)中心提供。實(shí)驗(yàn)室采用的壓力傳感器量程為0～6 MPa，精度為±1.5%；溫度傳感器采用T型熱電偶，量程為-200～350 ℃。實(shí)驗(yàn)臺(tái)由盾安人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室測(cè)試人員搭建，根據(jù)電動(dòng)車汽車空調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行風(fēng)管布置，將換熱器接入實(shí)驗(yàn)室風(fēng)管，通過實(shí)驗(yàn)室軟件計(jì)算，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)換熱器的換熱量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試開始之前，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行制冷劑量的標(biāo)定，考慮目前汽車空調(diào)制冷劑的充注量約為500 g，該系統(tǒng)為熱泵空調(diào)系統(tǒng)，且為臺(tái)架系統(tǒng)，系統(tǒng)管路較長，因此實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)制冷劑的充注量從500 g開始，逐次增加25 g，待系統(tǒng)穩(wěn)定，最終確定650 g為最佳充注量。在后續(xù)不同工況的測(cè)試中均采用650 g制冷劑的充注量。

對(duì)該空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行5個(gè)工況的測(cè)試，其測(cè)試工況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Experimental conditions

2.1 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在不同環(huán)境工況，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速分別為3 000、4 500、5 500 r/min的條件下，進(jìn)行電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷制熱工況的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。分析不同工況下，不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)的吸排氣溫度、高低壓力及換熱量等的影響。

圖2所示為名義制冷工況下，蒸發(fā)器風(fēng)量為420 m3/h時(shí)系統(tǒng)參數(shù)隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。由圖2可知，名義制冷工況下，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，系統(tǒng)的高壓和排氣溫度均升高，而系統(tǒng)的低壓和低溫均降低，系統(tǒng)的風(fēng)側(cè)換熱量隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增加，系統(tǒng)EER隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而降低。系統(tǒng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增加，風(fēng)側(cè)換熱量增加，壓縮機(jī)功率也增加，壓縮機(jī)功率增加的幅度大于風(fēng)側(cè)換熱量的增加幅度，故系統(tǒng)EER降低。

圖2 名義制冷工況下，蒸發(fā)器風(fēng)量為420 m3/h時(shí)系統(tǒng)參數(shù)隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化Fig.2 The variation of system parameters with compressor speed under nominal cooling condition when the evaporator air amount is 420 m3/h

圖3所示為名義制熱工況下，蒸發(fā)器風(fēng)量為420 m3/h時(shí)系統(tǒng)參數(shù)隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。由圖3可知，名義制熱工況下，系統(tǒng)的高壓和排氣溫度均隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而升高，而系統(tǒng)的低壓和吸氣溫度均降低，系統(tǒng)的風(fēng)側(cè)換熱量隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增加，系統(tǒng)EER隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而降低。

由圖2、圖3可知，無論是制冷工況還是制熱工況，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)各參數(shù)的影響是一致的，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速直接影響系統(tǒng)的循環(huán)體積流量，該渦輪壓縮機(jī)排量為26 mL/r，轉(zhuǎn)速越高壓縮機(jī)出口工質(zhì)的體積流量越高，單位時(shí)間內(nèi)熱泵空調(diào)的制冷量及制熱量就越高。

圖3 名義制熱工況下，蒸發(fā)器風(fēng)量420 m3/h時(shí)系統(tǒng)參數(shù)隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化Fig.3 The variation of system parameters with compressor speed under nominal heating condition when the evaporator air amount is 420 m3/h

2.2 風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)性能的影響

該汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)的換熱器為微通道平行流換熱器，風(fēng)機(jī)安裝在換熱器背面且風(fēng)量可調(diào)，風(fēng)量的大小對(duì)于換熱器的換熱量大小影響顯著。風(fēng)量越大，換熱器的換熱效果越好，系統(tǒng)的風(fēng)側(cè)換熱量越大，壓縮機(jī)及風(fēng)機(jī)的功率越大。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同蒸發(fā)器風(fēng)量和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的影響。

圖4所示為名義制冷工況下，壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)的風(fēng)側(cè)換熱量及COP隨蒸發(fā)器風(fēng)量的變化。由圖4可知，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，風(fēng)側(cè)換熱量及系統(tǒng)COP隨風(fēng)量變化的趨勢(shì)是一致的。當(dāng)風(fēng)量增加時(shí)，系統(tǒng)的風(fēng)側(cè)換熱量及系統(tǒng)COP均增加，系統(tǒng)效率提升。

圖4 名義制冷工況下，系統(tǒng)參數(shù)隨蒸發(fā)器風(fēng)量的變化Fig.4 The variation of system parameters with different evaporator air amount under nominal cooling condition

圖5 名義制熱工況下，系統(tǒng)參數(shù)隨蒸發(fā)器風(fēng)量的變化Fig.5 The variation of system parameters with different evaporator air amount under nominal heating condition

圖6 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，不同工況下變風(fēng)量時(shí)系統(tǒng)COP的變化Fig.6 The variation of system COP under various conditions with different air amount when the compressor speed is 3 000 r/min

圖5所示為名義制熱工況下，壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)的風(fēng)側(cè)換熱量及COP隨蒸發(fā)器風(fēng)量的變化。由圖5中可知壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，風(fēng)側(cè)換熱量及系統(tǒng)COP隨風(fēng)量變化的趨勢(shì)是一致的。當(dāng)風(fēng)量增加時(shí)，系統(tǒng)的風(fēng)側(cè)換熱量及系統(tǒng)COP均增加，系統(tǒng)效率提升。

2.3 環(huán)境工況對(duì)系統(tǒng)性能的影響

制冷劑在不同環(huán)境溫度下，其制冷性能會(huì)產(chǎn)生很大的變化，主要與制冷劑的物理性質(zhì)有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)采用R134a制冷劑，在定比容條件下，制冷劑的壓力隨溫度的降低而降低，且制冷劑處于氣液兩相時(shí)，壓降對(duì)溫降的敏感程度更明顯。因此低溫環(huán)境(如-20 ℃)下，壓縮機(jī)進(jìn)口溫度及壓力都非常低，導(dǎo)致系統(tǒng)的制熱效率很低(基本為1)。

圖6所示為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，不同工況下，變風(fēng)量時(shí)系統(tǒng)COP的變化。由圖6可知，不同工況下，系統(tǒng)COP差異明顯。制熱時(shí)，隨著溫度的降低下，尤其0 ℃以下，系統(tǒng)COP下降很快。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 時(shí)，名義制冷工況下，系統(tǒng)EER能達(dá)到3，而最大制冷COP小于2；名義制熱的COP能達(dá)到3，而低溫制熱及超低溫制熱的COP均小于2。由此可見，環(huán)境溫度對(duì)于R134a制冷的運(yùn)行影響顯著，且R134a制冷劑的低溫制熱特性并不是很優(yōu)，但優(yōu)于PTC制熱。

由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，熱泵空調(diào)系統(tǒng)在低溫下效率大于傳統(tǒng)PTC加熱，可以節(jié)省電能，進(jìn)而提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程。

3 結(jié)論

1)當(dāng)換熱器風(fēng)機(jī)風(fēng)量及環(huán)境工況恒定時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越高，空調(diào)熱泵系統(tǒng)的風(fēng)側(cè)換熱量越大，但系統(tǒng)COP超過某一峰值后，會(huì)隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而減小。

2)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及環(huán)境工況恒定時(shí)，換熱器風(fēng)機(jī)風(fēng)量越大，空調(diào)熱泵系統(tǒng)的風(fēng)側(cè)換熱量越大，系統(tǒng)COP越高，系統(tǒng)效率越高。

3)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及換熱器風(fēng)機(jī)風(fēng)量恒定，制冷時(shí)，環(huán)境溫度越高，系統(tǒng)COP越低；制熱時(shí)，環(huán)境溫度越低，系統(tǒng)COP越低。

4)制冷系統(tǒng)使用R134a制冷劑，在低溫環(huán)境工況下，制熱效果較差，后期可以考慮使用R410A等新型制冷劑。

5)該熱泵系統(tǒng)的COP在極端工況下均大于1，較傳統(tǒng)PTC加熱效率高，節(jié)約電能，可應(yīng)用于電動(dòng)汽車，提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程。