電動汽車低溫熱泵系統臺架及整車實驗研究

摘 要：熱泵空調可明顯改善電動汽車冬季制熱工況下的能耗，提升整車續航里程。但由于其系統架構相對復雜，應用的零部件數量較多，較高昂的成本成為熱泵技術廣泛推廣應用的制約因素。文章設計了一套結構相對簡化，同時可滿足整車冬季采暖需求的熱泵系統。通過系統臺架的搭建及測試，進行了該系統的充注量試驗，分析了其在-7℃工況下的制熱性能；并將該系統安裝到整車上進行風洞測試，研究其冬季工況的制熱特性，充分驗證了該熱泵空調系統在實際工程應用中的可行性。

關鍵詞：低溫熱泵 間接換熱 電動汽車 制熱性能 風洞測試

0 引言

正相比于傳統內燃機汽車利用發動機的余熱實現乘員艙的制熱及除霜，電動汽車只能利用電池的能量對乘員艙進行制熱，除霜及舒適性調節?；诟邏篜TC （Positive Temperature Coefficient，正溫度系數）材料的加熱器的恒溫發熱，升溫速率快，控制策略簡易等特點，電動汽車普遍采用該技術實現乘員艙采暖需求[1]。由于PTC是基于電熱轉換的原理，其工作時的COP小于1，開啟PTC加熱將增加電池能耗，從而降低電動汽車的續航里程[2]。

為滿足整車乘員艙，電池和電機的加熱及冷卻需求，不同機研究人員采取了豐富多樣的系統架構。袁野等提出了一種具備電池直冷的熱泵系統[3]，在艙內冷凝器，室外換熱器，和電池冷卻器前后分別布置了膨脹閥，電子截止閥，單向閥等，以便這些換熱器在不同工況下實現蒸發或者冷凝功能。于述亮等設計了一套具備電機余熱回收功能的整車熱管理系統[4]。也有研究者從新型制冷劑兼容性，系統集成化應用，避免空調箱使用費用高昂的高壓空氣PTC等方面，研究間接式二次回路熱泵系統[5-7]。為實現熱泵空調系統實現制冷制熱功能，以及與三電熱管理系統的深度耦合，越來越多的電子閥件及管路被應用在熱泵空調系統中，進而推高了整個系統的材料成本，限制了熱泵空調系統的廣泛應用。

受制于常規制冷劑R134a及R1234yf的環境溫度使用范圍，目前在環境溫度低于-15℃的工況下，熱泵空調系統無法從環境中吸收足夠的熱量，主流解決方案仍是采用高壓空氣PTC對乘員艙進行加熱[8]。但受限于高壓空氣PTC的價格，以及引入該高壓部件進入乘員艙的擔憂，需要考慮在滿足系統功能需求的前提下，盡量簡化系統架構，減少系統成本，提升零部件利用率，降低安全隱患。

本文基于工程實際應用，設計了一套結構簡單且支持寬溫域運行的電動汽車熱泵系統架構。首先搭建了系統性能測試臺架，對比分析了不同的低溫制熱工況下系統各運行參數以及系統能效。之后將該系統安裝在電動汽車上，進行整車風洞環境模擬測試，重點研究了低溫環境下該系統應用在整車上的升溫特性以及整車除霜除霧性能。從臺架實驗和整車實驗，驗證該系統在低溫制熱性能可靠性。

1 熱泵空調系統架構設計

本文設計的熱泵空調系統架構如圖1所示。其中包括電動壓縮機、空調箱（內部配置內外循環風門，鼓風機，蒸發器，車內冷凝器（Cabin Condenser），溫度風門等）、制冷劑三通閥（3WV）、板式換熱器（PHE）、低溫水箱、冷卻風扇、電子膨脹閥（EXV1，EXV2，ERV）、電池冷卻器（Chiller、冷卻液PTC加熱器、單向閥（CV）、氣液分離器（AD）、低溫水箱、水泵（低溫水箱回路及電池冷卻回路）等零部件。該系統架構設計取消了空調箱內的成本最高零部件高壓空氣PTC加熱器；同時采用氣液分離器代替高壓儲液罐，可節省制冷系統高壓側的管路數量，在降低零部件材料成本的同時也可以減少系統裝配工作量。

2 系統臺架實驗

2.1 臺架實驗裝置

參考電動汽車實車熱泵系統零部件安裝位置及方式，搭建了熱泵空調系統臺架，該臺架布置在專門的環境氣候艙內，該環境可模擬-20℃至60℃的環境溫度，同時在0℃以上環境條件下可任意調節濕度。

系統使用的制冷劑為R134a，冷卻液為50%的乙二醇和水的混合液。系統回路中采用T型熱電偶測量制冷劑回路，冷卻液回路及空氣側溫度，采用濕度傳感器測量空氣濕度。冷卻液體積流量通過體積流量計測量。通過電壓表及電流表監測壓縮機及PTC的運行功率。

2.2 系統臺架實驗方法

為保證熱泵空調正常運行，首先需要對系統進行加注量實驗，確認系統運行時合適的制冷劑加注量。針對空氣源熱泵性能測試，本文參考中國汽車技術研究中心對電動汽車低溫續航相關測試的要求而制定[9]。其中環境溫度為-7℃，車內冷凝器出口過冷度設定在10℃，試驗過程中由電子膨脹閥開度控制。具體測試工況為：環境溫度-7℃、車外換熱器風量為2000m3/h、空調箱風量為307m3/h、壓縮機轉速為2000/4000/6000/8000RPM、過冷度為10℃、余熱回收功率0/0.5/1/1.5/2kW、低溫散熱器冷卻液流量16l/min。

2.3 系統實驗結果

2.3.1 加注量實驗

為保證初始狀態臺架可以安全穩定運行，首先對系統加注300g制冷劑。將罐裝制冷劑放置在精度為1g的電子秤上，通過電子秤的讀數變化，計算制冷劑加注量。在加注量實驗初始階段，每次加注量為50g，判斷系統進入加注量平臺后，每次加注量可控制在100g，在加注量平臺末期，每次加注量為50g。

圖2為加注量實驗過程中，各關鍵參數的變化曲線，其中包括壓縮機排氣壓力，排氣過熱度；車內冷凝器出口過冷度，板式換熱器PHE出口過熱度，系統制熱量。結合壓縮機的排氣溫度和排氣壓力，板式換熱器PHE的出口過熱度變化，和系統制熱量的變化可以判斷出加注量的起始位置在400g。此加注量為保證系統正常工作的最小加注量。當加注量到達1050g，此時氣液分離器內基本充滿液態制冷；結合整條過冷度曲線的變化趨勢，可以判斷出此時已經達到過冷平臺的最大值。本文選取900g制冷劑加注量進行后續性能測試。

2.3.2 -7℃環境溫度下系統制熱性能實驗

-7℃環境溫度是電動汽車考核冬季能耗及續航里程的重要考核工況[9]，系統臺架試驗首先研究了不同壓縮轉速對系統換熱量，車內冷凝器出風溫度等關鍵參數的影響，如圖3所示。壓縮機轉速從2000rmp逐步增加到8000rmp，在這個過程中，壓縮機排氣壓力從3.8bar增加到10.6bar；吸氣壓力從0.8bar降低到0.3bar；車內冷凝器出風溫度從9.7℃增加到40℃；系統制熱量從1.9kW增加到5.4kW；隨著壓縮機轉速的提升，需要從環境中吸收更多的熱量，低溫散熱器的水溫從-10.5℃降低到-15.1℃；系統COP從6.8降低到2.4。

3 整車試驗

3.1 整車熱泵系統裝置

本文對一輛純電動A級SUV進行改裝，整車的原單冷空調系統改裝為本文設計的熱泵空調系統，關鍵零部件清單與系統臺架一致。

3.2 整車實驗方法

整車在風洞中分別進行了制熱試驗以及國標工況的除霜除霧試驗，其中第一階段的時間，以浸車溫度的達到時間為準。整車除霜試驗參數設定為：環境溫度為-18℃、壓縮機轉速為5700–7000rpm、空調箱模式為除霜&30%內循環、鼓風機電壓為13V、水熱PTC功率為5kW。整車除霧試驗參數設定為：環境溫度為-3℃、壓縮機轉速為7000rpm、空調箱模式為外循環&除霧模式、鼓風機電壓為13V、水熱PTC不開。

3.3 整車實驗結果

-7℃環境溫度下，對比分析了7.5V和9V兩種鼓風機端電壓設定下的整車升溫速率。

3.3.1 -7℃環境下鼓風機電壓7.5V工況

鼓風機端電壓7.5V時整車升溫曲線如圖4所示。整車啟動20分鐘后，車內冷凝器出風溫度達到60.3℃，吹腳平均溫度達到27℃，呼吸點平均溫度達到20.1℃。整車啟動35分鐘后，吹腳平均溫度達到30.6℃，呼吸點平均溫度達到24.0℃，滿足目標客戶對整車溫升實驗的要求。

3.3.2 -7℃環境下鼓風機電壓9V工況

鼓風機端電壓9V時整車升溫曲線如圖5所示。整車啟動20分鐘后，車內冷凝器出風溫度達到58.6℃，吹腳平均溫度達到28.7℃，呼吸點平均溫度達到20.9℃。整車啟動35分鐘后，吹腳平均溫度達到31.5℃，呼吸點平均溫度達到24.4℃，滿足目標客戶對整車溫升實驗的要求。

與鼓風機7.5V的整車升溫過程相比，提升鼓風機電壓后，將會降低壓縮機出口壓力，降低車內冷凝器出風溫度。熱泵空調啟動20分鐘后，9V鼓風機設定的工況下，車內冷凝器出風溫度從60.3℃降低到58.6℃；但車內溫度卻略有增加。這是因為鼓風機風量增加后，一方面提升了整體換熱量，有助于腳部區域溫度升高，另一方增強車內氣流擾動，也有利于呼吸點溫度提升。

4 結論

本文提出一種結構簡化，成本相對較低的熱泵空調系統，并通過仿真分析、系統臺架及整車實驗驗證了其可行性。

臺架試驗結果表明，壓縮機轉速增加能夠明顯提高空調箱出風溫度和系統制熱量，壓縮機轉速從2000rpm增加到8000rpm，系統制熱量從1.9kW增加到5.4kW；出風溫度從9.7℃增加到40℃。但是制熱效率會隨之降低，系統COP從6.8降低到2.4。

整車實驗結果表明，-7℃環境下熱泵是從空氣中吸熱，盡管車外側采用了二次換熱，但是在7V和9V鼓風機電壓下，第20分鐘腳部區域溫度均超過25℃；同時發現鼓風機檔位的變化會影響出風溫度和車內溫度，進而影響人體舒適性。

參考文獻：

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