電動汽車引射空調系統性能實驗研究

杜曉錄 郭憲民 張丹丹

(天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

在低碳環保、節能減排理念及國家政策的大力支持下，新能源汽車發展迅速，已成為汽車產業發展的主流趨勢。電動汽車(electric vehicles，EVs)因使用電能提供動力，相比于傳統內燃機汽車(internal combustion engine vehicles，ICEVs)，不需消耗化石燃料，故不存在環境污染，因而發展前景較好[1]。對于EVs而言，空調系統作為保證乘員舒宜性的主要子系統，消耗的電能約占整車能耗的33%[2]，極大的減少了里程數，所以降低空調系統能耗成為提升EVs里程數的關鍵方法[3]。因此，提出一種既能保證車內人員安全舒適，又能降低能耗的高效電動汽車空調系統是極為必要的[4-5]。

軒小波等[6]在電動汽車空調系統中使用兩個內部換熱器串聯形成三換熱器的空調系統，實驗證明，三換熱器系統比傳統兩換熱器系統的COP可提高18.2%。Zhang Dong等[7]分析了使用經濟器的蒸氣噴射(economized vapor injection，EVI)制冷系統性能，表明經濟器可有效提高低溫下空調系統的性能。Wang Jijin等[8]通過理論計算與實驗研究對比分析了閃蒸罐蒸氣噴射(flash tank vapor injection，FTVI)制冷系統以及經濟器蒸氣噴射制冷系統的性能，得出FTVI系統性能更優的結論。為了進一步提高電動汽車空調系統性能，任學銘等[9]提出電動汽車空調系統的單蒸發器和雙蒸發器兩種除濕方案，實驗表明雙蒸發器除濕空調系統的性能和出風溫度均高于單蒸發器除濕空調系統。Zhang Yun等[10]提出一種二次回路空調系統，可避免制冷劑與車內人員的直接接觸，同時加入熱回收設計，實驗表明該系統COP比無熱回收設計的系統可提高9.29%。提高空調系統性能的另一種方法是使用制冷劑引射技術[11-12]，將引射器應用于空調系統，可有效提高蒸發器比焓差，減少壓縮機功耗，Wang Xiao等[13]在FTVI系統的基礎上引入引射器，提出一種新型噴射器補氣循環(ejector vapor injection cycle，EVIC)，仿真結果表明，與FTVI系統相比，采用R22、R290和R32三種制冷劑的EVIC系統COP分別提高了8.4%、10.2%、8.2%。李浩等[14]通過引入引射器可使電動汽車空調系統COP提高1.65%～12.60%，能夠有效減少系統能耗從而增加汽車的行駛里程。豐田普銳斯車型設計將蒸發器和引射器作為一體換熱器來提高系統制冷性能[15-16]。總體而言，目前引射器增效空調系統多用于住宅和商用，在電動汽車空調系統中應用引射器的研究較少。

為了進一步提高電動汽車空調系統的性能，本文將引射器引入傳統電動汽車空調系統，在蒸發溫度相同的情況下，使用引射器提高系統吸氣壓力，減少壓縮機功耗，與此同時，換熱器形成梯級蒸發，增大傳熱溫差，提高傳熱效率。張丹丹[17]通過模擬研究表明，無論是制冷性能還是熱泵性能，電動汽車引射空調系統的性能始終優于傳統電動汽車空調系統性能。本文實驗研究在不同蒸發溫度、冷凝溫度工況下電動汽車引射空調系統的性能，并與傳統電動汽車空調系統進行制冷性能對比分析。

1 實驗系統

實驗系統包括電動汽車引射空調系統、環境室系統及測控系統。電動汽車引射制冷系統如圖1所示，將室內、外側換熱器設計為前后排分離形式，形成梯級蒸發，增大了傳熱溫差，在室內側前后排換熱器之間加入引射器，提高吸氣壓力，提升系統性能。制冷工況下截止閥1開啟，截止閥2關閉，從壓縮機出來的制冷劑流向室外側并聯的前、后排換熱器進行冷凝換熱，再通過電子膨脹閥節流降壓后的制冷劑被分為兩路，一路進入引射器引射口作為主引射流，另一路進入室內后排換熱器，吸熱蒸發后的氣態制冷劑被主引射流卷吸，混合擴壓后在室內前排換熱器吸熱蒸發，最后流回壓縮機吸氣口。將截止閥1關閉，截止閥2開啟，可切換為傳統空調系統，經過電子膨脹閥節流降壓后的制冷劑直接進入室內后排、前排換熱器吸熱蒸發，最后流回壓縮機吸氣口。系統的車內、外側部分分別置于焓差法空調性能實驗室的室內、外側環境室內，兩個環境室內分別有一套壓縮冷凝機組及空氣處理機組。通過水冷式制冷系統、電加熱管以及電加濕器等實現對環境室溫、濕度的調節，以提供實驗所需的工況條件。

壓縮機選用27 cm3排量的某型號渦旋電動壓縮機，制冷劑為R134a；換熱器均采用百葉窗翅片微通道換熱器，具體結構參數如表1所示。

表1 百葉窗翅片微通道換熱器結構參數

環境室系統空氣側干/濕球溫度采用Pt100Ω鉑電阻測量，精度為±0.1 ℃；相對濕度采用HMP230測量，精度為2%。實驗系統溫度、壓力及質量流量測點布置如圖1所示。采用T型熱電偶測量制冷劑溫度，精度為±0.1 ℃；空氣采用EE230型溫濕度傳感器測量溫濕度，精度為±0.1 ℃；壓力傳感器精度為±0.1%FS(即在量程范圍內，所有測點的誤差不超過±0.1%)，同時換熱器兩側制冷劑壓降采用差壓變送器測量，精度為0.1%FS；采用質量流量計測量制冷劑質量流量，精度為0.1%FS；采用數字功率計測量系統的功耗，精度為0.1% FS。實驗數據使用GP10數據采集儀進行采集。

圖1 電動汽車引射空調系統

2 實驗結果及分析

在不同蒸發溫度、冷凝溫度工況下，對帶引射器的電動汽車空調系統的性能進行實驗研究，并與傳統電動汽車空調系統性能進行對比分析。圖中橫坐標的蒸發溫度均指后排蒸發器蒸發溫度。

2.1 蒸發溫度對電動汽車引射空調系統性能的影響

為了研究蒸發溫度對系統性能的影響，控制實驗系統壓縮機轉速為3 200 r/min，冷凝溫度為50 ℃，過冷度為5 ℃，過熱度為5 ℃，后排蒸發器蒸發溫度變化范圍為-5～5 ℃，對比不同蒸發溫度下的引射空調系統性能。

圖2所示分別為蒸發溫度對系統性能的影響。由圖2(a)和圖2(b)可知，隨著蒸發溫度的升高，系統的制冷量和COP均逐漸增加，這與傳統制冷系統性能是一致的。同時，隨著蒸發溫度的升高，后排蒸發器換熱量逐漸減小，前排蒸發器換熱量逐漸增大，這是因為當蒸發溫度升高時，通過后排蒸發器的質量流量減小(如圖2(c)所示)，即引射器的引射比逐漸減小，導致后排蒸發器制冷量逐漸減小。由圖2(a)還可知，后排換熱器的換熱量僅占系統制冷量的10.93%～13.51%，其換熱潛力尚未充分釋放，可以通過調整毛細管長度及改善引射器的引射比來增大流過后排蒸發器的工質流量，從而提高換熱量，進一步改善系統COP。

圖2 蒸發溫度對系統性能的影響

2.2 冷凝溫度對電動汽車引射空調系統性能的影響

為了研究冷凝溫度對系統性能的影響，控制實驗系統壓縮機轉速為3 200 r/min，蒸發溫度為-1 ℃，過冷度為5 ℃，過熱度為5 ℃，冷凝溫度變化范圍為45～55 ℃，對比不同冷凝溫度下的引射空調系統性能。

圖3所示為冷凝溫度對系統性能的影響。由圖3可知，隨著冷凝溫度的升高，系統的制冷量和COP均減小，這與傳統制冷系統性能是一致的。由圖3(a)可知，隨著冷凝溫度的逐漸升高，后排蒸發器換熱量逐漸增大，而前排蒸發器換熱量逐漸減小，這是因為當冷凝溫度升高時，通過后排蒸發器的質量流量增大，如圖3(c)所示，即引射器的引射比逐漸增大，導致后排蒸發器制冷量逐漸增大，而通過系統的總質量流量隨著冷凝溫度的升高逐漸減小，所以前排蒸發器制冷量隨之減小。

圖3 冷凝溫度對系統性能的影響

2.3 引射空調系統與傳統空調系統性能對比

為了對比電動汽車引射空調系統與傳統電動汽車空調系統的性能，控制實驗系統壓縮機轉速為3 200 r/min，過冷度為5 ℃，過熱度為5 ℃，蒸發溫度變化范圍為-5～5 ℃，冷凝溫度變化范圍為45～55 ℃，分別對比不同蒸發溫度、冷凝溫度工況下兩個系統的性能。

圖4所示為不同蒸發溫度下系統性能的對比。由圖4可知，隨著蒸發溫度的升高，電動汽車引射空調系統與傳統電動汽車空調系統的制冷量和COP均增大。在研究工況范圍內，電動汽車引射空調系統的制冷量和COP始終高于傳統電動汽車空調系統，隨著蒸發溫度的升高，電動汽車引射空調系統的制冷量及COP提高的幅度略有增大。在蒸發溫度為-5～5 ℃范圍內，電動汽車引射空調系統制冷量相比于傳統電動汽車空調系統提高約12.98%～14.57%，而COP提高約14.9%～15.31%。

圖4 不同蒸發溫度下系統性能對比

圖5所示為不同冷凝溫度下系統性能的對比。由圖5可知，隨著冷凝溫度的升高，電動汽車引射空調系統與傳統電動汽車空調系統的制冷量和COP均減小，且在研究工況范圍內，電動汽車引射空調系統的制冷量和COP始終高于傳統電動汽車空調系統。隨著冷凝溫度的升高，電動汽車引射空調系統的改善幅度減小。在冷凝溫度為45～55 ℃范圍內，電動汽車引射空調系統制冷量比傳統電動汽車空調系統高約11.10%～14.08%，而COP比傳統電動汽車空調系統高約13.09%～16.61%。

圖5 不同冷凝溫度下系統性能對比

3 結論

本文將傳統電動汽車空調系統車內換熱器采用前、后排分離形式，在前、后排換熱器之間加入引射器以提高前排換熱器內蒸發壓力，形成梯級蒸發，提高壓縮機的吸氣壓力，以提高系統性能。實驗研究了在不同蒸發溫度、冷凝溫度工況下電動汽車引射空調系統的制冷性能，并與傳統電動汽車空調系統性能進行了對比，得到如下結論：

1)隨著蒸發溫度的升高或冷凝溫度的降低，電動汽車引射空調系統總質量流量、總制冷量及COP均隨之增大，這與傳統制冷系統的性能變化一致。當蒸發溫度從-5 ℃升至5 ℃時，系統引射比減小約38.11%，制冷量增大約28.86%，COP增大約18.21%；當冷凝溫度從45 ℃升至55 ℃時，系統引射比增大約59.65%、制冷量減小約41.47%、COP減小約40.28%。且由實驗可知，系統制冷量中后排換熱量僅占10.93%～13.51%，其換熱潛力尚未充分釋放，可通過調節毛細管長度及改善引射器引射比來增大后排蒸發器的工質流量，以進一步改善系統COP。

2)對比電動汽車引射空調系統與傳統電動汽車空調系統性能，在不同蒸發溫度及冷凝溫度工況下，電動汽車引射空調系統性能均優于傳統電動汽車空調系統，且隨著蒸發溫度的升高或冷凝溫度的降低，電動汽車引射空調系統性能改善幅度逐漸增大。在實驗工況范圍內，電動汽車引射空調系統的制冷量提高約11.10%～14.57%，COP提高約13.09%～16.61%。