電動汽車用余熱回收型熱泵空調系統的實驗研究

李杰

(艾泰斯熱系統研發(上海)有限公司,上海 201108)

當今社會日趨嚴重的環境污染和能源危機已成全球性難題,傳統燃油車由于尾氣排放污染、油耗能耗高等弊端成為了社會關注的焦點。在目前能源與環保的雙重壓力下,內燃機時代將在不遠的未來被終結,新能源汽車的開發與投放已是大勢所趨,也必將成為未來汽車的發展主流與方向[1]。

新能源汽車包括四大類型：混合動力電動汽車HEV、純電動汽車BEV、燃料電池電動汽車FCEV、其它新源(如超級電容器、飛輪等高效儲能器)汽車等。其中,純電動汽車BEV 以動力電池或太陽能為能量來源,相比于燃油汽車,取消了燃油發動機,因此乘客艙的加熱升溫無法再依靠發動機熱水,而是需要依靠基于“逆卡諾循環”的熱泵空調系統。但另一方面,由于動力電池能量密度、體積、重量等方面的局限性,使得空調系統的能耗占比達到了電池容量的近20%,因此以高續航為追求目標的電動車也必將對車用空調系統的設計匹配及優化提出更高的要求[2]。

純電動汽車乘員艙空調系統設計時,通常夏季采用制冷劑蒸發吸熱實現制冷,冬季采用空氣或水PTC 輔助加熱實現制熱。但通過對比單PTC 加熱法、電機冷卻液余熱+PTC 加熱法與熱泵式制熱法發現,單PTC 輔助加熱的方式能耗高、效率低,嚴重地降低了純電動汽車在冬季的續航里程[3]。

在動力電池沒有突破性進展的情況下要保證低能耗制熱,熱泵空調技術是為數不多的可行技術,效能系數比PTC 加熱高出2-3 倍,越來越被認為是純電動汽車制熱的有效解決方案。

Hosoz M.[4]研究了以R134a 為制冷劑的車用空氣源熱泵系統,其發現非低溫的環溫時,熱泵系統能提供足夠熱量且COP較高,但環溫越低時制熱量急速下降。李海軍[5]為解決低溫下電動車用熱泵空調系統的壓縮機排氣溫度過高及制熱性能衰減的問題,設計了一種混氣型熱泵空調系統,通過數學建模與實驗驗證,證明了其有效性。彭發展[6]研究了制熱模式下不同的環境溫度和壓縮機轉速對車內溫度、高壓管路內部工質的溫度和壓力、系統能效比等參數的影響,為解決電動車冬季制熱能耗高的問題提供了參考。

劉旗[7]設計了一種低溫熱泵系統,可將熱泵空調的使用范圍拓展到-25℃,有效提升低溫下電動車的續航里程。許樹學[8]提出準二級壓縮- 噴射熱泵系統,在環溫-20℃條件下的制熱量與能效比,較普通補氣系統均有明顯提高。這些研究對電動車用熱泵空調系統的方案設計、匹配優化及發展方向等,起到了指導性的作用。但不得不說這些內容更多側重于空調系統制冷劑回路的研究,并沒有考慮整車熱量的綜合分配利用,實現整車熱管理系統冷卻液回路、制冷劑回路和空氣側回路的有機結合。

本文在總結國內外現有研究成果的基礎上,設計了一種余熱回收型熱泵空調系統。該系統通過冷卻液回路和制冷劑回路的合理設計,將電池、電機和電控系統的熱量與乘客艙的采暖需求匹配耦合,實現了空調系統不同模式在不同環境溫度下的余熱回收。本文搭建了實車管路狀態的系統臺架,并通過實驗設計對該系統進行了性能測試,最終將實驗結果與無余熱回收功能的電動汽車用空調系統進行對比。

1 余熱回收熱泵空調系統設計

1.1 基準空調系統設計

基于普通電動汽車的空調系統,其制冷模式、除霧模式和制熱模式的系統架構。其中制冷模式與傳統燃油車制冷類似,利用壓縮機的蒸氣壓縮循環使制冷劑在蒸發器內蒸發吸熱,達到乘客艙制冷的效果；制熱模式需要利用高壓電加熱器PTC,額外將電能轉換成熱能,達到乘客艙制熱的效果；除霧模式則是制冷模式和制熱模式的結合,蒸發器負責制冷除濕,PTC 負責加熱回溫提高乘客艙的送風溫度。

1.2 余熱回收型空調系統設計

空調系統中的空調箱HVAC 增加內置冷凝器,用于熱泵制熱循環,可利用制冷劑在內部冷凝器內冷凝放熱實現乘客艙加熱。此時系統制熱量等于外部換熱器的吸熱量加上壓縮機耗功,制熱COP 大于1,可有效降低采暖能耗。另外,內置冷凝器僅用于制熱的功用,實現了空調系統中制冷/制熱換熱器的分離。因為在傳統熱泵空調系統中制冷/制熱共用換熱器,依靠四通換向閥切換散熱與吸熱,制冷模式切換為制熱模式時,空調箱內部換熱器表面的冷凝水會急速蒸發霧化在前擋風玻璃上,嚴重影響行車安全。

此系統中制冷模式的運行與基準空調系統的類似,利用壓縮機的蒸氣壓縮循環使制冷劑在蒸發器內蒸發吸熱,達到乘客艙制冷的效果。然而余熱回收型熱泵的除霧模式大大區別于基準空調系統的除霧模式,進入空調箱的空氣被蒸發器制冷除濕后,可利用內部冷凝器的冷凝熱加熱回溫,此時空調系統的冷凝熱取代了高壓PTC 的電加熱功率,在該模式下可極大的削減空調系統的能耗,實現節能高效運行。

此外,制熱模式的余熱回收方式包含間接余熱回收和直接余熱回收。間接余熱回收電機電池冷卻液回路通過低溫水箱LTR 將熱量釋放到環境中,提升室外換熱器的空氣側進風溫度；直接余熱回收電機電池冷卻液回路的熱量被chiller 吸收,改善了低溫熱源。因此當電機電池冷卻液回路的溫度高于環境溫度時,可利用該部分冷卻液的熱量有效提升熱泵空調的蒸發壓力,改善系統制熱效率。

2 余熱回收熱泵空調系統實驗

2.1 實驗裝置與條件

根據理論計算、模擬分析、單零件性能測試等環節后,搭建了電動車用余熱回收熱泵系統的實車管路狀態的實物臺架。關鍵零部件參數如表1。

表1 關鍵零部件參數

圖1 臺架實驗- 余熱回收熱泵空調系統

將實車管路狀態的熱泵空調系統臺架置于在汽車空調用焓差實驗室進行性能測試。實驗測試方法與數據處理方法,均按照QC/T 657-2000 汽車空調制冷裝置實驗方法和QC/T 656-2000 汽車空調制冷裝置性能要求來進行。實驗工況設定,主要針對低溫環境下電動車乘員艙的采暖需求,具體參數詳見表2。

表2 實驗工況

2.2 實驗結果與分析

2.2.1 除霧模式能耗分析

如圖2 所示,不同環境溫度下,電動壓縮機轉速維持1000r/min,以相同出風溫度為前提,余熱回收熱泵空調系統相較于基準空調系統,其能耗降低80%以上。其主要原因是除霧模式時,將蒸發器出口的低溫空氣加熱回溫需要極大熱量,如圖2 所示：環溫22℃時,空調箱出風溫度達到30℃時,基準空調系統的壓縮機功耗加上加熱回溫PTC 電功率共2328W,而余熱回收型熱泵系統利用冷凝熱加熱回溫,該模式下只需耗功245W,可節能89%；以此類推,環溫12℃時,余熱回收型熱泵系統可節能88%；環溫2℃時,可節能86%,此時空調箱出風溫度19℃,若余熱回收型熱泵系統通過提高壓縮機轉速滿足乘客艙更高的出風溫度需求,相較于基準空調系統將產生更大的節能效果。

圖2 除霧模式空調系統功耗

2.2.2 制熱模式能耗分析

不同環境溫度下,基準空調系統中制熱模式純PTC 采暖和余熱回收型熱泵系統基礎熱泵制熱的采暖能耗對比如圖3 所示。從圖3 中可見,基準空調系統運行制熱模式時,其空調系統能耗遠高于余熱回收型熱泵系統能耗,熱泵采暖能耗可節能54%以上。如圖所示,環境溫度2℃時,維持空調箱出風溫度45℃,基準空調系統PTC 功耗2530W,而余熱回收型熱泵基礎熱泵功耗僅520W,節能比例79%。

圖3 基準空調系統和熱泵基礎制熱能耗對比

不同環境溫度下,余熱回收型熱泵系統中,可采用的不同余熱回收方式能耗對比如圖4 所示。從圖4 中可見,隨著環境溫度的下降,同種余熱回收方式的節能比例略有提升,其中直接余熱回收的節能百分比從環溫2℃時的12%升高到環溫-10℃時的19%,主要原因是余熱回收對吸氣壓力的改善在更低的環境溫度下影響更顯著。

此外,對比相同環境溫度下,不同余熱回收方式的能耗對比,直接余熱回收的效果明顯優于間接余熱回收。環溫-10℃時,維持出風溫度45℃,基礎熱泵采暖能耗1300W,采用間接余熱回收方式能耗1200,可節能8%,而采用直接余熱回收方式時,能耗降低至1050W,節能比例增到19%。

3 結論

本文設計開發了一種具有余熱回收功能的電動車用熱泵空調系統,并通過實車管路狀態的系統臺架的搭建與實驗研究,得到了以下結論：

圖4 不同余熱回收方式能耗對比

3.1 相較于基準空調系統除霧模式采用PTC 加熱回溫,余熱回收熱泵系統利用冷凝熱量來替代,可顯著降低系統除霧模式的功耗,提升電動車續航里程。

3.2 運行制熱模式時,余熱回收型熱泵空調系統的采暖功耗可縮減一半以上,且采用直接余熱回收的節能效果明顯優于間接余熱回收。