熱泵型純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)特性分析

李昭 陳玉武 王茂

摘要：受環(huán)境污染的影響，人們出行的交通工具已經(jīng)朝著污染小、噪聲低的電動(dòng)汽車發(fā)展，電動(dòng)汽車逐漸成為人們代步工具的主要選擇對(duì)象。但是對(duì)于純電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，空調(diào)系統(tǒng)無(wú)論制冷還是制熱都需要消耗大部分電量，嚴(yán)重影響汽車的行駛里程。基于此，本文圍繞熱泵型純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)特性以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;熱泵空調(diào)系統(tǒng);特性;趨勢(shì)

引言：

冬季、夏季氣溫高低差異很大，車內(nèi)若無(wú)制冷或制熱設(shè)備，駕駛舒適性會(huì)很低。所以為了保障電動(dòng)汽車的駕駛安全性及乘坐舒適性，有必要發(fā)展適用于電動(dòng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)。普通燃油汽車空調(diào)可利用發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒余熱來(lái)制熱或除霜，而電動(dòng)汽車空調(diào)沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)余熱可以利用，制熱運(yùn)行困難，所以加強(qiáng)對(duì)純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的研究勢(shì)在必行。

1熱泵型汽車空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行原理

燃油汽車的空調(diào)系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而純電動(dòng)汽車的熱泵型汽車空調(diào)機(jī)組是直接從電池組獲得能量，通過(guò)變壓器使得電池組的電壓得到降低，并將低壓的直流電壓用于風(fēng)機(jī)、電子元件的供電。純電動(dòng)汽車的熱泵型空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)車室內(nèi)溫度傳感器來(lái)采集車內(nèi)溫度的變化，并通過(guò)汽車的電子器件—逆變器逆變成控制信號(hào)調(diào)節(jié)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的頻率，從而滿足熱泵型空調(diào)系統(tǒng)的變負(fù)荷運(yùn)行要求。純電動(dòng)汽車熱泵型空調(diào)系統(tǒng)采用的是平行流換熱器【1】。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的純電動(dòng)汽車的熱泵型空調(diào)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

2純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能測(cè)試

本文搭建了熱泵系統(tǒng)臺(tái)架，以測(cè)試純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能，本次臺(tái)架搭建分為室內(nèi)側(cè)及室外側(cè)，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。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷為制冷量、制熱量均為3kW，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1500～6500r/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260mm×40mm×265mm，內(nèi)部冷凝器尺寸為266mm×32mm×226mm，外部冷凝器尺寸為624mm×25.4mm×293mm，膨脹閥為5.28kWH型熱力膨脹閥。本次試驗(yàn)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。下文對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

2.1壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)換熱量、溫度的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示：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會(huì)有所升高、低壓和低溫均會(huì)降低、系統(tǒng)的風(fēng)側(cè)換熱量增加，系統(tǒng)EER降低。另外，無(wú)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26mL/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【2】。

2.2風(fēng)量對(duì)COP、換熱量的影響

該汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)的換熱器風(fēng)機(jī)安裝在換熱器背面，且風(fēng)量可調(diào)。試驗(yàn)結(jié)果表示：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，而且系統(tǒng)效率也會(huì)隨之提升。同時(shí)，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，仍是隨著風(fēng)量的增加，換熱量及系統(tǒng)COP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

在定比容條件下，隨溫度的降低，制冷劑R134a的壓力也會(huì)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。如果達(dá)到-20℃及以下的低溫環(huán)境時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)口溫度及壓力都會(huì)變得很低，導(dǎo)致系統(tǒng)的制熱效率降低到1。

結(jié)果顯示：空調(diào)系統(tǒng)制熱時(shí)，隨著溫度的降低，系統(tǒng)COP也會(huì)下降，尤其是溫度低于零攝氏度后，COP下降更快。名義制冷工況下，當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為每分鐘3000轉(zhuǎn)時(shí)，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(jiàn)，制冷劑性能受環(huán)境溫度的影響很大。

3試驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的分析，得出了熱泵型純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的特性，如下：

（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)速對(duì)系統(tǒng)性能的影響：隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的逐漸增高，風(fēng)側(cè)換熱量也會(huì)越來(lái)越大，當(dāng)系統(tǒng)COP超過(guò)某一峰值后，風(fēng)側(cè)換熱量則會(huì)隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而逐漸減小。

（2）壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及環(huán)境工況恒定時(shí)，風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)性能的影響：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)量恒定時(shí)，溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響：空調(diào)制冷時(shí)，環(huán)境溫度越高，系統(tǒng)COP越低;空調(diào)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，低溫會(huì)對(duì)制冷劑的性能產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致制熱效果較差，所以新型制冷劑有待研發(fā)【3】。

4汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

4.1研究高效制冷劑

目前，汽車行業(yè)應(yīng)用最廣的制冷劑是R134a，但是R134a不環(huán)保，而且價(jià)格昂貴。而研究發(fā)現(xiàn)，CO2是市面上應(yīng)用非常廣泛的天然制冷劑，其來(lái)源多、安全無(wú)毒、不易燃燒，而且成本低廉，是很好的環(huán)保型制冷劑。另外，CO2的蒸發(fā)潛熱較大，單位容積制冷量大，shiite熱泵型純電動(dòng)汽車空調(diào)的制冷劑的不錯(cuò)之選，將成為今后研究的熱點(diǎn)。

4.2優(yōu)化換熱器性能

換熱器的作用就是能夠根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的需要與外界進(jìn)行熱量的交換，換熱器的體積、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工質(zhì)的選擇等與空調(diào)系統(tǒng)的整體性能息息相關(guān)。所以今后汽車行業(yè)定會(huì)加強(qiáng)對(duì)換熱器的體積、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工質(zhì)的研究，從而讓空調(diào)系統(tǒng)的換熱效率達(dá)到最佳。

4.3汽車空調(diào)模擬技術(shù)

純電動(dòng)汽車中空調(diào)系統(tǒng)包含很多零部件、很多復(fù)雜的工序，而且制冷劑流動(dòng)和傳熱過(guò)程也相當(dāng)繁瑣，這就對(duì)仿真建模提出了更高的要求。但是目前的建模方式還存在一些不足，比如消耗時(shí)間多、精準(zhǔn)度有待提升，這對(duì)空調(diào)的運(yùn)行帶來(lái)了不利影響。所以今后的汽車行業(yè)必須加強(qiáng)對(duì)汽車空調(diào)模擬技術(shù)的研究，消除傳統(tǒng)技術(shù)缺點(diǎn)，從而保證汽車空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，純電動(dòng)汽車的熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有能效比高、耗電量低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，得到了汽車行業(yè)的關(guān)注。雖然熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究進(jìn)入了一定的實(shí)質(zhì)階段，但是其制冷、制熱功能仍有待提升，建議行業(yè)內(nèi)人士朝著制冷劑的選擇、模擬技術(shù)的研究等方向去鉆研，爭(zhēng)取設(shè)計(jì)出性能更好的空調(diào)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張歡歡.電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)研究[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（5）.

[2]華若秋，武衛(wèi)東，余強(qiáng)元，等.EXV開度對(duì)純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)性能的影響[J].流體機(jī)械，2019.

[3]楊雨燊.純電動(dòng)汽車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)與仿真研究[D].2019.

作者簡(jiǎn)介：

李昭（1991.4-），身份證號(hào)410502199104192535男 漢 河南省安陽(yáng)市 本科;職稱：助理工程師，研究方向：汽車空調(diào)系統(tǒng)。

陳玉武（1984.10-），身份證號(hào)230227198410280835;男? 漢 山東省鄄城縣 本科;職稱：助理工程師，研究方向：汽車電子電器。

王茂（1989.10-） ，身份證號(hào)320382198910309456 男 漢 江蘇邳州 本科;職稱：助理工程師，研究方向：汽車電器。