電動汽車熱泵系統冬季乘員艙溫升特性的實驗研究

谷曉陽，蘇林，李康，穆文杰，楊忠誠

（200093 上海市 上海理工大學 能源與動力工程學院）

0 引言

隨著各國環保要求的提高以及新能源汽車行業技術的快速發展，汽車從傳統燃油汽車朝新能源方向發展已是大勢所趨[1]。相比于燃油車冬季可利用發動機余熱提供乘員艙足夠的熱量，純電動車的可利用余熱較少，不足以支持冬季乘員艙的熱舒適性要求，采用高壓PTC（Positive Temperature Coefficient）電加熱的方式被各大車企作為主要解決方案，但高壓電加熱雖然有著升溫速率快及簡易控制的特點，卻存在著制熱效率低、能源消耗大的缺點，大幅縮短了汽車的續航里程[2]。近年來，高效節能的熱泵系統開始逐漸取代PTC 加熱器成為電動汽車冬季供暖的主要手段，電動汽車熱泵空調系統制冷和制熱的研究越來越受到人們的重視[3]。彭發展等[4]研究了環境溫度對電動汽車熱泵空調系統性能的影響。結果表明，在壓縮機轉速相同時，環境溫度越高，系統的COP（Coefficient of performance）越大；武衛東等[5]研究了壓縮機轉速對新能源汽車制冷性能的影響。結果表明，較高的壓縮機轉速能使汽車達到快速降溫的效果，但不利于整體能效提高；華若秋等[6]研究了EXV（Electric Expansion Valve）開度對電動汽車熱泵空調系統性能的影響。結果表明，冷凝器出口過冷度過大時，調節EXV 開度能有效調節熱泵系統出風溫度，且在開度較小時，增大EXV 開度能有效增大系統的COP。目前，關于汽車熱泵系統冬季制熱性能的研究很多[7-15]，但側重于影響乘員艙升溫特性的因素及其大小的研究卻很少。純電動汽車冬季乘員艙升溫特性的研究，不僅對構建節能、舒適、安全的汽車乘坐環境具有深遠意義，而且是提高整車的能源利用率、實現對車內熱環境進行科學高效熱管理的迫切需要[16]。

目前電動汽車熱泵空調系統可采用兩換熱器四通換向閥結構，也可采用三換熱器結構?？紤]到可靠性和成本等因素，電動汽車上應用四通換向閥尚未大規模推廣，而三換熱器占用體積較大[17]。本課題組設計了一套四電磁閥兩換熱器熱泵空調系統[18]，并且通過實車實驗，研究了壓縮機轉速、電子膨脹閥開度以及環境溫度對乘員艙升溫性能（熱泵系統初始出風溫度、乘員艙升溫速率、乘員艙所能達到的最高溫度）的具體影響。本文可為電動汽車熱泵系統的舒適性研究提供一定的參考。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

本次實驗所設計的新型電動汽車熱泵系統為兩換熱器熱泵系統，包括1 個電動渦旋壓縮機、2個微通道換熱器、1 個電子膨脹閥、1 個熱力膨脹閥、1 個單向閥、1 個氣液分離器和4 個電磁閥。系統原理如圖1 所示，各部件的具體參數如表1 所示。

表1 熱泵系統零部件規格Tab.1 Specifications of heat pump system components

圖1 系統原理圖Fig.1 System schematic diagram

系統具有制冷和制熱2 種模式，通過切換4 個電磁閥的通斷來進行模式的切換。在制冷模式時，打開電磁閥1 和4，關閉電磁閥2 和3，制冷劑從壓縮機排出后進入室外換熱器放熱，在經過熱力膨脹閥后進入室內換熱器進行吸熱；在制熱模式時，打開電磁閥2 和3，關閉電磁閥1 和4，制冷劑從壓縮機排出后進入室內換熱器進行放熱，然后經過電子膨脹閥節流后進入室外換熱器吸熱。該系統使用R134a 制冷劑。

1.2 測試工況

本實驗在實車中進行，利用低溫環境模擬實驗艙控制汽車室外側環境溫度、光照強度及迎面風速。環模室可控溫度范圍區間為-10～60 ℃，溫度控制精度±0.2 ℃。實物圖如圖2 所示。

圖2 實驗測試實物圖Fig.2 Physical image of experimental test

本次試驗系統運行制熱模式。通過充注量試驗選擇制冷劑最佳充注量700 g。在汽車熱泵系統啟動前，汽車需在環境模擬艙達到試驗工況條件下穩定2 h，待乘員艙內溫度變化率不大于0.1 ℃/min時，駕駛人進入車內關閉車門、車窗后開始試驗。空調系統運行全熱、內循環模式。實驗工況如表2 所示。

表2 實驗工況Tab.2 Experimental conditions

1.3 數據采集與處理

實驗中在壓縮機、室內換熱器、室外換熱器進出口布置溫度壓力傳感器，用于測量制冷劑側的溫度和壓力。在乘員艙主駕頭部、腳部，副駕頭部、腳部以及吹面出風口位置布置熱電偶進行動態溫度測量。在空調系統啟動2 min，待壓縮機穩定后開始計時，采集第一組數據，以保證數據的準確性。之后每隔2 min 記錄一組數據，自第10 min 開始每5 min 記錄一次，直到乘員艙內溫度達到穩定狀態。數據的采集主要由壓力傳感器、溫度傳感器、數據采集儀完成。裝置精度表如表3 所示。

表3 測量裝置精度Tab.3 Measuring device accuracy

2 實驗結果與分析

2.1 壓縮機轉速對乘員艙溫升性能的影響

圖3 為環境溫度為3 ℃，閥開度100%時壓縮機轉速為1 000，2 000，4 000 r/min 時，乘員艙內溫度隨時間變化曲線圖。由圖3 可知，不同轉速下乘員艙內的升溫速率在熱泵系統運行初期達到最大，隨后逐漸降低，直至乘員艙內溫度達到穩定狀態。升溫速率主要由熱泵系統的瞬態制熱量和維持車內溫度恒定所需的瞬時熱負荷決定。當熱泵系統的制熱量遠大于車內所需的熱負荷時，車內的溫度將迅速上升，直至熱泵系統的制熱量與車內所需熱負荷相等，達到一個相對穩定狀態，此時車內溫度達到最高且保持穩定。在熱泵系統啟動時，乘員艙溫度與外界溫度基本一致，此時乘員艙內所需熱負荷最小。隨著乘員艙內溫度的上升，乘員艙內外的溫差增大，乘員艙內所需熱負荷也逐漸增大，直到乘員艙內溫度達到穩定狀態，熱負荷也達到最高。而熱泵系統在啟動時，由于乘員艙內外的溫度一致，室內冷凝器與空氣之間有較大的換熱溫差故而有較大的制熱量[11]。隨著乘員艙內溫度上升，熱泵系統冷熱源溫差變大，熱泵系統制熱量也逐漸衰減，直至乘員艙內溫度穩定。因此乘員艙內升溫速率在熱泵系統啟動初期達到最高，隨后逐漸減小，直至乘員艙內溫度平衡。

圖3 不同轉速下乘員艙內溫度變化趨勢Fig.3 Temperature change trend in passenger compartment at different speeds

由圖3 可見，壓縮機轉速越高，各測點升溫效果越好。壓縮機轉速為4 000 r/min 時，熱泵系統啟動時的瞬態出風溫度達到最高，此時的乘員艙內升溫最快。這是因為壓縮機轉速提高，導致排氣壓力升高，使得冷凝溫度升高，增大了冷凝器與空氣的換熱溫差，同時制冷劑流量變大，增加了換熱量，從而使乘員艙溫度迅速上升。

從圖3 還可以看出，乘員艙不同位置溫度趨于穩定時存在著差異，這主要是由于出風口位置及各出風口風量不同導致的，但乘員艙不同位置升溫速率呈現相同的趨勢。在壓縮機轉速為4 000 r/min 時，各測點的最高升溫速率達到1.99 ℃/min，并且在此工況下，壓縮機轉速每提高1 000 r/min，乘員艙內最大升溫速率提高約0.68 ℃/min。隨著壓縮機轉速的提高，壓縮機耗功也會急劇增加，且其增量遠大于為系統所增加的制熱量，因此壓縮機轉速提高導致系統COP 降低[19]。在實際應用中，應在滿足乘員艙內舒適度的條件下，降低壓縮機轉速。

圖4 所示為不同壓縮機轉速下膨脹閥開度100%時壓縮機吸排氣壓力隨時間的變化。由圖可知，壓縮機轉速對排氣壓力有顯著的影響。當壓縮機轉速由1 000 r/min 提升至4 000 r/min 時，壓縮機排氣壓力由406.9 kPa 提升至835.7 kPa。而轉速的提升對吸氣壓力影響較小，這主要是因為隨著渦旋壓縮機轉速的提高，其效率和壓比逐漸增加，導致排氣壓力升高，并且隨著壓縮機轉速的增加，汽車乘員艙內能達到更高的溫度，在此內循環模式時使得冷凝器的進風溫度上升，從而提高了系統高壓壓力，使得壓縮機排氣壓力進一步提高。因此壓縮機排氣壓力受轉速影響巨大。而室外蒸發器由于持續與室外恒溫新風進行熱交換，故而低壓側壓力幾乎不受壓縮機轉速的影響。

圖4 壓縮機轉速對吸排氣壓力的影響Fig.4 Influence of compressor speed on suction and discharge pressure

2.2 閥開度對乘員艙溫升性能的影響

圖6 為室外溫度0℃、壓縮機轉速4 000 r/min時，電子膨脹閥開度分別為100%、80%、60%時乘員艙各測點溫度隨時間的變化曲線圖。由圖6 可知，在閥開度為80%時，乘員艙各測點溫度在穩定時達到最高。這是因為轉速不變時，閥開度過大會使冷凝壓力降低，導致冷凝溫度降低，使得冷凝器換熱溫差減小，制熱量變小。而閥開度過小，系統中制冷劑循環流量變小，也會使系統的制熱量衰減，各測點溫度變低。因此系統在實際運行中存在最佳閥開度使得系統穩定時具有最大的制熱量。

圖6 不同閥開度下乘員艙內溫度變化趨勢Fig.6 Temperature change trend in passenger compartment under different valve openings

如圖5 所示，壓縮機吸排氣溫度在不同壓縮機轉速下與吸排氣壓力表現出相同的趨勢，壓縮機排氣溫度受轉速的影響更大，吸氣溫度幾乎不受轉速影響。吸氣壓力和風側條件基本不變時，吸氣溫度變化較小。吸氣壓力和溫度變化較小時，壓縮機轉速越高，壓比越大，排氣壓力與排氣溫度越高。壓縮機轉速每增加1 000 r/min，排氣溫度上升約20 ℃。

圖5 壓縮機轉速對吸排氣溫度的影響Fig.5 Influence of compressor speed on suction and discharge temperature

此外，由圖6 可見，在熱泵系統運行6 min 內，閥開度在60%下使乘員艙內溫度更高，在6 min 之后80%的閥開度帶給熱泵系統的最大制熱量效果才開始顯現，各測點的溫度逐漸反超。這是因為在系統運行初期，室內冷凝器進風溫度低，小的閥開度更有助于冷凝壓力的升高，冷凝器換熱量也相應更大。隨著系統運行時間增加，冷凝器進風溫度上升，系統內制冷劑流量限制了冷凝器換熱量的增大，導致了制熱量相對變小。此時，更大的閥開度有助于增大換熱量。這說明熱泵系統在相對小的閥開度下具有更好的冷啟動性能，而乘員艙內達到穩態時的最高溫度則需要更大的閥開度獲得。

圖7 為壓縮機轉速為4 000 r/min 時，不同閥開度下冷凝器出口過冷度的變化趨勢。由圖可知，閥開度越小，冷凝器出口的過冷度越大。這是因為較小的閥開度會使系統內制冷劑流量減小，空氣側的條件基本不變，充分的換熱使得冷凝器出口有較大的過冷度。此外，由圖中可以看出，過冷度在系統啟動初期出現了劇烈變化，這是系統高低壓的波動造成的，隨著系統的運行，過冷度趨于平穩且與閥開度之間呈現出線性相關的變化關系。

圖7 不同閥開度下冷凝器出口過冷度的變化Fig.7 Change of condenser outlet subcooling under different valve openings

圖8 為壓縮機轉速為4 000 r/min，不同閥開度下壓縮機壓比的變化趨勢。由圖中可以看出，在系統啟動初期，不同閥開度下壓縮機壓比有較大的差異，其原因是系統運行初期較小的閥開度具有更強的節流壓降效果，因此導致了高低壓側有較大的壓差，使壓縮機出現了更大的壓比。隨著系統的運行，不同閥開度下的壓縮機壓比趨于一致。這是因為隨著系統的運行，乘員艙內溫度逐漸上升，系統冷熱源溫度逐漸拉開，冷熱源溫度逐漸成為決定系統壓力的主要因素，此時系統高低壓側壓力受電子膨脹閥開度的影響很小，導致壓縮機壓比趨于相同。

圖8 不同閥開度下壓縮機壓比的變化Fig.8 Changes of compressor pressure ratio under different valve openings

2.3 環境溫度對乘員艙溫升性能的影響

圖9 為壓縮機轉速為4 000 r/min，閥開度為100%條件下，室外溫度分別為3 ℃、0 ℃、-7 ℃時乘員艙各測點的溫升圖。從圖中可以看出，隨著環境溫度的降低，乘員艙內的升溫減緩。假定人體舒適溫度為23 ℃[16]，在環境溫度為3 ℃時，出風口溫度達到23 ℃僅需要3 min。而環境溫度在0 ℃時，出風口溫度達到23 ℃時則需8 min，耗時增加166.7%。并且環境溫度越低，乘員艙內能到達的最高溫度也越隨之衰減。相比于3℃，室外環境在0℃時，吹面出風溫度在穩定時降低23.3%。這是因為環境溫度越低，乘員艙內的熱負荷就越大，造成了熱泵制熱對乘員艙內的溫升效果變差。此外，從圖9 可以看出，在室外環境溫度為 -7 ℃時，熱泵系統不足以滿足乘員艙內的熱舒適度要求，這說明熱泵系統在低溫下存在著制熱量不足的問題，需要添加PTC輔助加熱[20]，以滿足乘員艙的熱舒適度。結合實驗結果分析，可把室外環境溫度0℃作為開啟PTC 加熱的臨界溫度。

圖9 不同環境溫度下乘員艙內溫度變化趨勢Fig.9 Temperature change trend in passenger compartment under different ambient temperature

3 結論

本文通過對實車進行冬季環境模擬實驗，對不同條件下電動汽車熱泵系統的瞬態性能以及乘員艙內的溫升特性進行了研究，得出以下結論：

（1）壓縮機轉速是影響乘員艙溫升速率的主要因素。壓縮機轉速越高，乘員艙內溫升越快，在壓縮機轉速為4 000 r/min 時，各測點的最大溫升速率達到1.99 ℃/min。在此工況下，壓縮機轉速每提高1 000 r/min，乘員艙內最大溫升速率提高約0.68 ℃/min。

（2）壓縮機轉速不變時，熱泵系統在60%閥開度下具有更好的冷啟動性能，在系統運行6 min內乘員艙升溫更快。但是，乘員艙內達到穩態時的最高溫度需要80%的閥開度獲得。

（3）在室外環境溫度為0 ℃時，空調箱吹面出風溫度經8 min 上升至23℃，相比于室外環境3℃時，所需時間延長166.7%，最高溫度衰減23.3%。經實驗數據分析，在環境溫度低于0 ℃時，熱泵系統無法滿足乘員艙內的供熱需求，需開啟PTC 進行輔助加熱。