電子膨脹閥用于電動汽車熱泵系統的實驗研究

穆文杰，蘇林，李康，方奕棟，余軍，楊忠誠

（200093 上海市 上海理工大學 制冷與低溫工程研究所）

0 引言

近年來，全球電動汽車保有量逐漸增加，汽車電動化被認為是促進能源多樣性和緩解全球變暖與污染的有效途徑。然而，由于續駛里程的原因，電動汽車零部件的能耗一直備受關注，其中空調系統作為能耗最大的部件，其性能對整車續駛里程有著顯著的影響[1]。熱泵空調系統是降低電動汽車能耗的一種有效途徑，它不僅能夠提升車輛續航能力，還可以提供制冷和制熱能力，維持乘員艙舒適度，包括溫度、相對濕度和風速等[2]。

電子膨脹閥(Electronic expansion valve,EXV)被認為是熱力膨脹閥(Thermal expansion valve,TXV)的替代品，在空調系統中采用EXV 可以優化系統的運行效率，節能效果顯著[3-4]。EXV 最大的優點在于它可以通過PID 調節器精確控制閥開度的大小，更好地處理瞬態過程，使壓力和過熱度振蕩最小化[5]。Rabelo N[6]等研究發現，合適的閥開度有助于調節冷媒的質量流量，控制系統過熱度，降低系統壓比和壓縮機排氣溫度，減小換熱器焓差；華若秋[7]等實驗研究了0 ℃時EXV 開度變化對熱泵空調系統的影響。結果表明：冷凝壓力、過冷度、制熱量和熱泵出風溫度隨EXV 開度的增加而減小，而系統COP 先增大后減小；虞中旸[8]等探討了不同EXV 開度下的過熱度振蕩機理。實驗結果表明：EXV 開度較小時，蒸發器出口過熱度振幅在1 K 內，隨著開度增大，振幅變大為3 K；何俊[9]等對改變EXV 開度的VRF(Variable refrigerant flow)制冷系統進行了壓縮機的不完全濕壓縮循環實驗研究。結果表明：較低壓縮機頻率下的EXV開度可調范圍較小；Zou[10]等分析了R1234yf 熱泵系統中EXV 開度和工況對熱泵供熱性能的影響。結果表明：EXV 開度對冷凝工況影響較大，對蒸發工況和壓縮機進口工況影響較小，增大EXV 開度有利于提高加熱性能；藕俊彥[11]等基于R417A 噴氣增焓空氣源熱泵系統，研究指出改變EXV 的開度可以實現對壓縮機循環補氣量和系統流量的調節，并且得到了使系統處于最優狀態下的最佳閥開度。

本文通過制熱實驗，重點研究在不同壓縮機轉速和室外環境溫度下，EXV 開度對熱泵系統中壓縮機吸排氣特性、室內空調箱出風溫度等參數的影響。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置簡介

為模擬實驗所需環境，整個熱泵系統搭建在新能源汽車空調綜合評估焓差室中。該焓差室由室內側和室外側兩個相互獨立的環境控制室組成，主要包含有環境控制系統、室內外風洞和出風混合箱等，可同時模擬車內和車外環境。圖1為實驗裝置及測試系統示意圖。

圖1 實驗裝置及測試系統Fig.1 Experimental equipment and testing system

實驗系統的相關部件規格參數如表1 所示。

表1 熱泵系統部件規格Tab.1 Component specifications

熱泵系統采用三換熱器形式[12]，組成部件有壓縮機、室外換熱器、室內蒸發器、室內冷凝器、電子膨脹閥、熱力膨脹閥、氣液分離器、質量流量計等。其中，電子膨脹閥裝有電子式驅動裝置，全開至全閉過程只需0.6 s，開度調節快、精度高。實驗臺測量參數及精度范圍如表2 所示。

表2 實驗臺測量參數及精度Tab.2 Measured parameters and the precision

1.2 實驗方法與測試工況

實驗中所有操作步驟均可通過控制軟件和控制柜面板遙控完成。實驗開始前，先運行軟件，設定好實驗所需環境工況，具體測試工況如表3 所示。待環境工況達到設定值，將初始壓縮機轉速設為2 000 r/min，然后調節EXV 開度為100%（全開），室外環境溫度控制為10 ℃。觀察軟件數據監控界面，壓縮機排氣溫度波動范圍在±0.5 ℃之內，系統高低壓保持恒定5 min 以上時，記錄壓縮機吸排氣壓力、溫度，空調箱出風溫度等數據。

表3 測試工況Tab.3 Test conditions

本文系統制熱量按室內冷凝器制冷劑側換熱量計算，壓縮機功耗由功率計測得。制熱量和性能系數COP 計算公式如下：

式中：Q——系統制熱量，kW；qm——制冷劑質量流量，kg/s；hin——冷凝器側進口焓值，kJ/kg；hout——冷凝器側出口焓值，kJ/kg；W——壓縮機功耗，kW。

2 實驗結果與分析

2.1 壓縮機吸排氣壓力

圖2 和圖3 分別為不同工況下壓縮機吸排氣壓力隨EXV 開度的變化趨勢。如圖所示，隨著系統中EXV 開度的不斷增大，壓縮機吸氣壓力均緩慢上升，排氣壓力均先上升后降低。這是因為EXV 開度越大，流入壓縮機的制冷劑質量流量越大[13]，導致吸氣口吸氣量增加，故吸氣壓力升高。排氣壓力先升后降是因為EXV開度較小時，冷凝壓力升高，排氣壓力受到吸氣壓力和冷凝壓力的共同影響。因此隨著EXV 開度的增大，排氣壓力會先升高。且壓縮機轉速越高，壓縮效率越高，壓比也越高[14]，導致排氣壓力增幅也越大；但當EXV 開度開啟到一定程度時，冷凝壓力隨EXV 開度的增大而減小，此時排氣壓力受到冷凝壓力的影響大于吸氣壓力對它的影響，所以排氣壓力降低。

圖2 2 000 r/min 下壓縮機吸排氣壓力變化Fig.2 Variation of suction and exhaust pressure of compressor at 2 000 r/min

圖3 3 000 r/min 下壓縮機吸排氣壓力變化Fig.3 Variation of suction and exhaust pressure of compressor at 3 000 r/min

另外，壓縮機轉速對吸氣壓力影響較小，對排氣壓力影響較大。不同轉速下，吸氣壓力峰值均出現在EXV 開度100%處，分別為0.42 MPa和0.41 MPa，而排氣壓力峰值則隨轉速有所變化。當壓縮機轉速為2 000 r/min 時，排氣壓力峰值為0.69 MPa，其對應的EXV 開度為40%；轉速為3 000 r/min 時，排氣壓力峰值為1.01 MP，其對應的EXV 開度為60%。

2.2 壓縮機吸排氣溫度

圖4、圖5 分別為不同工況下壓縮機吸排氣溫度隨EXV 開度的變化趨勢。如圖4、圖5 所示，兩種壓縮機轉速下，吸氣溫度在所有EXV 開度下的波動范圍都很小，而排氣溫度隨著EXV 開度的增大而不斷降低。造成這種現象的原因是，吸氣溫度波動受室外環境換熱條件的制約，排氣溫度則受蒸發器出口過熱度影響較大[15]。

圖4 2 000 r/min 下壓縮機吸排氣溫度變化Fig.4 Variation of suction and exhaust temperature of compressor at 2 000 r/min

圖5 3 000 r/min 下壓縮機吸排氣溫度變化Fig.5 Variation of suction and exhaust temperature of compressor at 3 000 r/min

隨著EXV 開度的不斷增大，系統內制冷劑流量不斷增加，室外側蒸發器出口過熱度不斷下降，導致壓縮機吸氣中可能存在少量液體，使得壓縮機的排氣溫度下降明顯[16]。

壓縮機轉速和室外環境溫度對排氣溫度影響較大。與2 000 r/min 相比，轉速為3 000 r/min 時，各工況點排氣溫度同比上升12%～33%，且EXV開度越小，上升幅度越大；轉速為3 000 r/min 時，溫度每下降5 ℃，同一EXV 開度下的排氣溫度下降3～9 ℃，且EXV 開度越大，下降幅度越大。轉速2 000 r/min、室外溫度10 ℃時，調節EXV開度至20%，排氣溫度峰值為85 ℃左右；而在相同室外溫度和EXV 開度下，轉速3 000 r/min時的排氣溫度峰值高達114 ℃，即使降低室外溫度到-5 ℃，排氣溫度也有100 ℃左右。可以看出，當壓縮機以較高轉速運行時，不宜將EXV 開度設置過小。

2.3 空調箱出風溫度

電動汽車熱泵空調系統中，空調箱出風溫度被認為是最能反映系統制熱能力的參數。圖6 為熱泵空調系統在不同壓縮機轉速和環境溫度下運行時，空調箱出風溫度隨EXV 開度的變化趨勢。

由圖6（a）可知，壓縮機轉速為2 000 r/min時，調節EXV 開度，出風溫度變化不明顯，各室外溫度下最高出風溫度對應的EXV 開度為40%。由圖6（b）可知，轉速為3 000 r/min 時，各室外溫度下空調箱出風溫度隨EXV 開度的增加而上升，但當EXV 開度上升至60%后，出風溫度趨于穩定，最大值為35.8 ℃。分析可知，EXV開度越大，系統中制冷劑質量流量增加，冷凝器會在制冷劑流量增加后放出更多熱量，進而空氣側也相應得到更多的熱量，所以出風溫度逐漸增加。繼續加大EXV 開度，流量雖有所增加，但受冷凝器換熱能力限制，出風溫度變化不大。

圖6 空調系統出風溫度變化Fig.6 Variation of air outlet temperature in HVAC

實驗結果表明，低室外環境溫度下提升轉速至3 000r/min 并調整EXV 至最佳開度，空調箱出風溫度上升2～6℃。由此可見，在低溫高轉速下調節EXV 開度可以獲得更高的出風溫度，更好地滿足乘員艙舒適性。

2.4 系統制熱量及COP

熱泵空調系統中，制熱量和能效比是非常重要的性能指標。圖7 和圖8 所示為不同工況下系統制熱量和COP 隨EXV 開度的變化情況。轉速2 000 r/min 和3 000 r/min 的最佳EXV 開度分別為40%和60%。隨著轉速的提高，系統制熱量增加，COP 卻降低，原因在于，高轉速下，壓縮機等熵效率和容積效率降低，功耗增加，其增加的幅度超過了制熱量的增加，從而導致COP降低。系統COP 隨著EXV 開度的增加而逐漸增大，一旦超過工況最佳EXV 開度，COP 便開始下降，此現象在轉速3 000 r/min 時尤其明顯。原因在于，EXV 開度在最佳開度以上時，制熱量穩定，壓縮機功耗持續增大，所以COP 下降。

圖7 不同工況下系統制熱量變化Fig.7 System heat production changes under different working conditions

圖8 不同工況下系統COP 變化Fig.8 COP changes under different working conditions

壓縮機以3 000 r/min 轉速運行時，調節EXV至最佳開度60%，制熱量在室外溫度10 ℃時達最大值2 868 W，相比-5 ℃的1 721 W，增長了40%。COP 也從2.4 上升到3.1，增幅為20%。

綜上可知，在低轉速和低溫工況下運行熱泵空調，其性能會出現衰減，壓縮機轉速和室外溫度越高，系統制熱量和COP 越大。EXV 開度對系統性能影響較大，其影響隨著壓縮機轉速的升高而逐漸增強，且不同壓縮機轉速下系統最佳EXV 開度存在差異。

3 結論

搭建了電動汽車R134a 熱泵空調系統實驗臺架，研究在不同壓縮機轉速和室外環境溫度下EXV 開度對系統性能的影響。得出以下結論：

（1）當壓縮機轉速和室外環境溫度一定時，隨著EXV開度的增加，壓縮機吸氣壓力緩慢上升，吸氣溫度幾乎不變；而排氣壓力先增加后減小，排氣溫度顯著降低。

（2）不同壓縮機轉速下，EXV 開度存在最優值，使空調箱出風溫度和COP 最優，此時EXV最佳開度與室外溫度無關。且轉速2 000 r/min 和3 000 r/min 時的最佳閥開度分別為40%和60%。

（3）在較高的壓縮機轉速和較高的室外環境溫度下調節EXV 開度至最佳開度，熱泵系統性能發揮更好。當壓縮機轉速為3 000 r/min，室外環境溫度為10 ℃時，調節EXV 開度為60%，空調箱最高出風溫度為35.8 ℃，制熱量最高為2.9 kW，COP 為3.1。