電動汽車熱泵空調系統設計及試驗分析

鄭淳允

摘 要：本文研究了針對純電動汽車所設計的冷暖一體熱泵空調系統，測試了在不同環境溫度下，系統的制熱效率以及制熱量，然后將測試效果和PTC制熱進行了對比。結果證明，隨著環境溫度的降低，系統壓力會減小，熱泵的制熱量也會有效減少，制熱效率明顯降低，而熱泵的制熱效率較PTC的制熱效率要大得多，足以證明，熱泵空調系統在電動汽車上的應用具有較高的可行性。

關鍵詞：電動汽車;熱泵空調系統;設計及試驗

傳統車載空調系統的制熱原理是，充分利用發動機冷卻液的循環實現車內環境的溫控。電動車沒有發動機，不能應用傳統的車載空調系統的原理進行制熱。在低溫條件下，駕駛員可以利用車載的制熱元件進行制熱，供駕駛員取暖，保證行車的安全性，提高車內環境的舒適度。所以，電動汽車必須創新相應的方法，實現制熱功能。

1 電動汽車熱泵空調系統設計方案

目前，制冷/采暖系統在電動汽車的設計中應用較為廣泛，32cc壓縮機負責提供制冷劑循環動力，如圖1所示，制冷/采暖系統主要由壓縮機、室內、外換熱器、膨脹閥、氣液分離器等部件構成。如果系統以制冷模式進行運作，四通閥處于不通電的狀態，氣態制冷劑在低溫低壓的狀態下，由壓縮機壓縮成高溫高壓氣態制冷劑，然后進入到室外換熱器，對中和外界空氣形成對流換熱后，轉變為中溫中壓的液體，經過膨脹閥節流后，溫度和壓力有所降低，轉變成為霧狀繼續進入到室內換熱器，在室內換熱器中，制冷劑會蒸發吸熱，達到降低車內溫度的作用，這個過程中，氣體在室內換熱器出口的溫度和壓力有所降低，進入到壓縮機中，完成整個制冷循環。如果系統以制熱的模式進行運作的時候，四通閥處于通電的狀態，壓縮機將具有一定溫度和壓力的氣態制冷劑推入到室內換熱器，這時，制冷劑所攜帶達到熱量高就會傳遞到車內，有效的實現室內制熱，制冷劑經過膨脹閥的節流，壓力降低后會進入到室外換熱器，蒸發吸熱，將環境中的熱量帶入到系統中，在壓縮機的抽吸功能下，工質回到壓縮機中，整個制熱循環完成。

電動汽車熱泵空調系統控制方案：通過應用空調控制器和CAN通信可以實現整車控制器、壓縮機之間信號的有效交互。根據空調控制器控制指令，整車控制器會對室外的傳感器的溫度和壓力傳感器的信號進行采集，配合控制電子膨脹閥的開度，實現制冷和制熱的有效切換。在熱泵控制系統中，四通換向閥與電子膨脹閥屬于核心部分，本文針對這兩個部件進行了具體的分析：（1）四通換向閥控制。作為獨立受控的單元，四通換向閥會對主閥進行驅動，默認情況下，主閥的滑塊會默認在右端，實現制冷循環的有效接通;通過四通換向閥將主閥移動到左端，實現制熱循環的有效接通。①制冷請求：冷凝器C端和壓縮機排氣端D連接在一起，壓縮機吸氣端和蒸發器E端連接在一起，就可以實現制冷。②制熱請求：蒸發器E和壓縮機排氣端D連接在一起，壓縮機吸氣端和冷凝器C端連接在一起，可以實現制熱。（2）通過調整電子膨脹閥開度，控制液態制冷劑的膨脹。VCU會對壓縮機蒸發器出口的溫度和壓力信號進行讀取，然后將實際的過熱溫度計算出來，和系統控制目標進行對比，根據目標過熱度，自動的對電子膨脹閥開度進行調節。

2 熱泵空調系統的實驗研究及分析

2.1 實驗原理

組織整個實驗系統，然后將其安裝在實驗臺架上。將熱電偶、壓力變送器安裝在雙向膨脹閥的進出口、壓縮機的進出口以及室內外換熱器的進出口，然后將溫濕度變送器安裝在室內換熱器的風道進出風口的位置，將電流變送器安裝在穩壓電源與控制器之間，然后將質量流量計安裝在壓縮機出口位置，然后將所有的變送器和無紙記錄儀連接起來，并且將熱電偶接到溫度采集儀上，溫度采集儀和無紙記錄儀直接和電腦相連，可以將采集到的數據實時性的傳輸到電腦上。

2.2 仿真計算

公式中，為冷負荷;為太陽照射熱量及輻射;為人體的散熱量;為從室外滲入空氣的熱量;為從動力艙傳入的熱量;為從其他設備、儀器散發出的熱量;電池為電動車所需的電池。在對熱、冷負荷進行估算完，并對車輛外循環確定的情況下，車輛的制熱量大概為4.2kW，而制冷量大概為3.5kW。

2.3 數據采集系統

溫度測試系統主要由主機、溫度采集模塊以及熱電偶組成，數據采集儀的主機和電網直接相連，通過操作電腦上的軟件就可以對溫控系統進行操作;溫度采集模塊分為20個通道，通過這些通道可以采集20路溫度信息;T型熱電偶型號線徑0.25mm，可以對-50～150℃之間的溫度進行有效的測量。熱電偶其中一段和溫度采集模塊的正極相連，另外一端為側兩端，在室內、外換熱器的翅片上、壓縮機進出口以及室內外熱交換器的進出口的位置安裝熱電偶測量端，并且用膠帶錫箔紙進行固定，然后外面裹上保溫性的材料。

2.4 熱泵空調系統組件

為了更高的實現熱泵空調系統功能性要求，注意根據熱泵空調匹配計算結果，做好關鍵元件的選型，比如四通交換閥、車外換熱器、電子膨脹閥等。

（1）車外換熱器。其設計結構為垂直結構，通過應用小管徑銅管鋁翅片有效提高換熱器的排水性能，推遲冷凝器結霜的時間，實際的換熱能力超過了4.5kW。

（2）儲液器。選擇氣液分離效率超過98%的微孔過濾分離型儲液器，這類儲液器可以做好完全、充分的吸收液體制冷劑，避免壓縮機出現液擊問題。

（3）電子膨脹閥。電子膨脹閥具有電磁閥和膨脹閥的所有工鞥呢，通過調節閥體的開度，可以對膨脹閥的流量進行控制。電子膨脹閥屬于常開型的獨立受控單元，膨脹方向是可逆的。在選擇的時候，盡可能選擇代用通信功能的電子膨脹閥。

（4）四通換向閥。四通換向閥通過調整制冷劑的流向，轉換蒸發器和冷凝器的熱交換方向。四通換向閥主要有三個部分構成：毛細管、四通氣動換向閥以及電磁換向閥。四通閥的驅動由控制閥完成，通過合理的對電磁圈的通斷，控制主閥的滑向滑塊，進而完成制冷劑的換向。

2.5 實驗結果與分析

熱泵空調系統在運行的時候，壓縮機進出口的位置分別為低壓側和高壓側，通過調整環境溫度，促進壓縮機可以在不同的環境溫度下運行，當運行的狀態穩定后，取穩定狀態下的平均壓力，如圖2所示，系統高低壓側的壓力會隨著溫度的升高而升高，但是高低壓之間的壓差會維持一個穩定的值。如果環境溫度為零度，空調系統啟動的時候，高低壓之間的溫度會產生瞬時的拜年話，高壓通常在200s升至最大值，然后狀態穩定，但是波動情況較為嚴重;系統啟動后，低壓會繼續下降，在200s時壓力開始出現回升，最終達到穩定的狀態，波動情況較為輕微。如圖3所示，環境溫度相同，PTC和熱泵消耗功率相等的時候，熱泵的制熱量明顯要大于PTC，而且，隨著溫度的不斷提高，熱泵的制熱量也會越大。通過對比分析得知，在不同溫度的環境下，PTC的制熱效率始終保持在0.9左右，而環境溫度為-5℃時，熱泵制熱效率就已經達到1.55，環境溫度升到5℃時，熱泵制熱效率可以高達2.3。因此在應用熱泵的時候，可以通過提高環境溫度，提高熱泵的制熱效率。

3 結語

總而言之，熱泵空調系統是由雙蒸發器電動空調系統發展起來的，通過CAN網路實現空調控制器、壓縮機控制器之間的交互和互通，完成熱泵空調系統的有效控制。試驗證明，熱泵空調系統的開發和應用完全滿足既定要求。

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