环境温度对电动汽车热泵空调系统性能的影响

彭发展 魏名山 黄海圣 张 虹

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081)

传统内燃机汽车在工作时不仅会消耗掉大量的化石能源，同时排放的尾气也会对环境产生不利的影响［1］.而电动汽车作为新型的绿色交通工具，在行驶过程中具有零排放、效率高、噪音低等突出优点，已引起广泛的注意［2-3］.电动汽车在冬季使用时，由于电池输出功率随环境温度的降低而减小，且环境温度较低时电动汽车大多采用能耗较高的电加热等方法取暖，从而导致电动汽车冬季的续航里程严重降低［4-5］.据相关资料研究表明，空调系统作为电动汽车能耗最大的辅助子系统［6-7］，在冬季取暖时能耗占整车耗能的33%左右，导致续航里程减少18～30%［8-9］.

热泵是利用少量高品位能源使热量由低温热源流向高温热源的节能装置［10］，在电动汽车中使用热泵空调系统取暖，可利用电能将环境中的热量泵送到车室内，得到的热量为消耗的电能与吸收的低位热能之和，因此其能效比(COP，Coefficient of Performance)大于 1.谢卓等人［11］分析了内燃机汽车与电动汽车空调系统之间的区别，提出了开发适合我国国情的电动汽车热泵空调系统的设计方法.Hosoz等人［12］将传统汽车空调改装为热泵系统，研究了压缩机转速与制冷/制热量、COP等参数之间的关系.史保新等人［13］研制了电动汽车热泵空调系统，并分析了压缩机转速对制冷量、压缩机输入功等参数的影响.魏名山等人［14］针对电动汽车在冬天取暖时能耗较高的问题，设计了一套用于取暖的热泵空调系统.本文设计了用于电动汽车室内取暖的热泵空调试验平台，研究了不同的环境温度和压缩机转速对热泵空调系统的性能及车室内平均温度的影响.

1 电动汽车热泵空调系统

1.1 热泵空调的工作原理

电动汽车热泵空调系统主要由压缩机、节流机构、换热器、四通换向阀等构成，工作原理如图1所示.当热泵空调系统处于制热模式时，工质的流动方向如图1a所示.在压缩机Ⅴ的作用下，换热器Ⅰ中低温低压的气态工质经四通换向阀Ⅱ被吸入压缩机中，经压缩后变为高温高压的气态经四通换向阀Ⅱ的另一通道进入换热器Ⅲ中冷凝放热，在提高车室内环境温度的同时工质变为中温高压的液体，然后工质经过节流机构Ⅳ变为低温低压的气液混合物进入换热器Ⅰ中蒸发吸热，从而将环境中的热量带到热泵空调系统中.当热泵空调系统处于制冷模式时工质的流动方向如图1b所示，此时工质在换热器Ⅰ中冷凝放热，在换热器Ⅲ中蒸发吸热.

由此可知，车室外换热器Ⅰ在制热模式下当蒸发器使用，在制冷模式下当冷凝器使用;车室内换热器Ⅲ在制热模式下当冷凝器使用，在制冷模式下当蒸发器使用.

1.2 热泵空调系统的能效比

COP是制热模式下热泵空调系统的实际制热量与实际输入功率之比［15］，是衡量系统性能的重要参数之一.当电动汽车热泵空调系统处于制热模式时，理论上工质要经过等熵压缩、等压冷凝、绝热膨胀和等压蒸发4个基本过程，将低温环境中的热量源源不断地泵送到车室内.图2为热泵空调系统理论循环的温熵图和压焓图.

图1 热泵空调工作原理Fig.1 Principle of heat pump air conditioning

图2 蒸气压缩式热泵的理论循环Fig.2 Theoretical cycle of vapor compression heat pump

由图2可知，单位质量工质的制热量qc在T-s图中 以 2-2'-2″-3-a-b-2 所 围 成 的 面 积 S22'2″3ab2表示，其值包括显热和潜热两部分，在lg P-h图中以点2与点3的焓差表示，即单位质量工质的制热量为

压缩单位质量工质的耗功量w在T-s图中以1-2-2'-2″-3-4-1 所围成的面积 S122'2″341表示，在 lgP-h图中以点2与点1之间的焓差表示，即单位质量工质的耗功量为

因此，热泵空调系统在制热时的COP可表示为

2 试验设备

2.1 热泵空调试验系统

本文设计的热泵空调试验平台由热泵空调系统、控制系统和模拟车身部分构成.热泵空调系统由斜盘式变排量压缩机、平行流换热器、翅片式换热器、内平衡式膨胀阀及四通换向阀等部件按照图3所示的顺序用带有保温材料包裹的铜管连接起来，该部分是热泵空调试验平台的核心部分.在平行流换热器前的适当位置处安装转速可调的风扇;同时将翅片式换热器、轴流风扇等部件安装在车室内部的风道中.

在热泵空调系统管道的合适位置安装温度传感器、压力传感器，如图3所示，同时在车室内距前后风挡玻璃大约15 cm处分别放置温度传感器.压缩机、传感器及换热器的主要参数分别如表1～表3所示.模拟车身部分与某型号的电动汽车内部空间相当，除风挡玻璃外，车室内壁均用保温材料覆盖.

图3 电动汽车热泵空调试验系统Fig.3 Experimental system of heat pump air conditioning for electric vehicles

表1 斜盘式变排量压缩机的主要参数Table 1 Main parameters of the swash plate type variable displacement compressor

表2 传感器参数Table2 Sensor parameters

表3 换热器主要参数Table3 Main parameters of heat exchangers

2.2 控制系统及数据采集系统

在热泵空调试验系统中，斜盘式变排量压缩机的带轮与变频电机的带轮通过多楔带相连接.当压缩机带轮上的电磁离合器通电时，变频电机带动压缩机工作，此时压缩机对低温低压的气态工质做功;当电磁离合器不通电时，变频电机只带动压缩机的带轮空转，压缩机不对工质做功.当控制系统使四通换向阀通电时，热泵空调系统处于制热模式，此时由压缩机排出的高温高压气态工质经四通换向阀首先进入翅片式换热器中;当控制系统使四通换向阀断电时，热泵空调系统处于制冷模式，此时从压缩机排出的高温高压气态工质经四通换向阀首先进入平行流换热器中.用于改变平行流换热器表面风速的风扇由独立的低压直流电源供电，当热泵空调系统工作时，通过调节电压实现对风扇转速的控制，从而模拟电动汽车在不同速度行驶时迎面风速对热泵空调系统性能产生的影响.根据传感器的测量范围，利用lab-VIEW搭建了数据采集系统，记录监测点处工质的状态参数随热泵空调系统运行时间的关系，可根据实际需要设置不同的采样频率.

3 试验过程

由于试验是在露天环境下进行的，现场的环境温度和湿度是不可控制的，所以无法选择完全相同的环境参数进行对比试验，只能选择近似相同的环境参数进行试验.试验前调整换热器风扇的电压，使其迎面风速保持一定值，在表4所示的工况下进行试验，同时打开数据采集系统记录监测点处工质的温度值和压力值.当车室内平均温度超过25℃或者热泵空调系统运行超过1 300 s时，控制系统使压缩机上的电磁离合器断电，热泵空调系统停止工作.

表4 试验工况Table 4 Test conditions

4 试验结果与讨论

在不同环境温度下，车室内平均温度达到舒适温度(18℃)需要的时间是衡量电动汽车热泵空调系统制热能力的重要参数之一，系统运行时间与车室内平均温度的变化关系如图4所示.压缩机转速为3400 r/min时，在环境温度分别为5，-1和-5℃的情况下，车室内平均温度达到18℃时分别需要240，307和445 s.压缩机转速为1700 r/min时，在环境温度分别为4℃和-1℃的情况下，车室内平均温度达到18℃时分别需要255 s和1220s.由此可知，在压缩机转速相同的情况下，环境温度越高，车室内平均温度达到18℃的时间越短;环境温度较高时，压缩机转速对车室内温度的影响较小，但是环境温度较低时，转速对车室内温度上升的速度影响较大.

图4 车室内平均温度与时间的关系Fig.4 Average temperature in the cabin vs the running time

压缩机出口处工质的状态参数对热泵空调系统的性能及使用寿命有很大的影响，图5为压缩机的排气温度和排气压力随系统运行时间的变化关系.由图可知，当系统稳定运行时，压缩机的排气温度和排气压力随环境温度的升高而升高.在环境温度近似相等的情况下，压缩机的排气温度和排气压力随压缩机转速的升高而升高.系统开始运行时，压缩机排气温度上升的速率比较快，随后缓慢增加，最后趋于稳定，如图5a所示.同排气温度类似，在环境温度较高和压缩机转速较高的情况下，其排气压力较大，同时，在热泵空调系统的启动阶段，压缩机的排气压力出现波动，如图5b所示.

图5 压缩机出口工质状态参数与时间关系Fig.5 Compressor discharge temperature and pressure vs the running time

冷凝温度和冷凝压力是热泵空调系统运行时的重要参数.系统开始运行时，车室内换热器出口处工质的温度变化较慢，接着以近似线性的速度增加.如图6a所示，在环境温度近似相等时，车室内换热器出口处工质的温度随压缩机转速的升高而升高;在压缩机转速相等的情况下，该换热器出口处工质的温度随环境温度的升高而升高.由于工质在车室内换热器中近似等压冷凝，其出口处的压力比压缩机的排气压力稍低，如图6b所示.

当压缩机转速为3 400 r/min，车室内平均温度达到18℃时，根据数据采集系统得到相关位置处工质的温度值和压力值，利用REFPROP软件查询压缩机入口、压缩机出口、车室内换热器出口以及膨胀阀出口处工质的焓值，并做出系统的lgP-h图，如图7所示.由式(1)计算出单位质量工质的制热量，由式(2)计算出单位质量工质的耗功量，由式(3)计算出系统的COP，结果如表5所示.由此可知，当压缩机的转速为3 400 r/min时，随着环境温度的降低，单位质量工质的制热量和单位质量工质的耗功量均有所增加，但是单位质量工质的耗功量增加的较多，因此导致电动汽车热泵空调系统的COP降低.

图6 车室内换热器出口工质状态参数与时间关系Fig.6 Temperature and pressure at the outlet of the heat exchanger in the cabin vs the running time

图7 车内温度达到18℃时的压焓图Fig.7 Pressure-enthalpy diagram when the average temperature in the cabin reaches 18℃

表5 不同工况下热泵空调系统的COP值Table 5 COP of the heat pump air conditioner at different conditions

根据式(1)～式(3)计算电动汽车热泵空调系统的COP时，由于没有考虑变频电机到压缩机的传动损失及换热器风扇等部件的功耗，因此导致计算得到的COP可能比实际值偏大.

5 结论

本文利用电动汽车热泵空调试验平台，研究了环境温度和压缩机转速对工质的状态参数、车室内平均温度和COP的影响，得到以下结论:

1)压缩机出口和车室内换热器出口处工质的温度值和压力值随环境温度及压缩机转速的升高而变大.

2)在压缩机转速为3400 r/min的情况下，当环境温度分别为5，-1和-5℃时，热泵空调系统的COP分别为5.74，5.3和4.55.

3)当环境温度为-5℃时，热泵空调系统能满足车室内取暖的要求，并且压缩机的排气温度、排气压力等参数在合适的范围内.当环境温度较低时，提高压缩机转速可以减少车室内达到舒适温度的时间.

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