纯电动汽车两种热泵空调系统的实验研究

(1 盾安环境技术有限公司 杭州 310000； 2 浙江盾安机电科技有限公司 绍兴 312000)

纯电动汽车因具有节能环保、零排放、无污染等优点而引起各国汽车企业的关注[1-5]。与传统燃油汽车相比，纯电动汽车使用电池作为动力源，但电池蓄能的有限性对整车的节能提出了更高的要求。纯电动汽车无法像传统燃油车那样回收发动机余热供乘员舱冬季采暖，而是采用PTC电加热方式，该种采暖方式的能耗占电动汽车总能耗的33%[6-7]，严重影响纯电动汽车的续航里程。

针对以上问题，国外学者提出了热泵型空调系统。J. H. Ahn等[8]提出了两种热泵空调系统，一种采用四通阀切换实现制冷制热功能的转换，另一种在室内采用两个换热器，与传统的单冷加PTC系统进行了对比，实验结果表明：两种热泵空调系统均比传统系统具有更好的性能，在室内湿球温度为13 ℃时，采用两个换热器的系统比采用四通阀切换的系统COP高62%。K. Y. Kim等[9]提出一种由热泵与PTC电加热组成的系统，搭建了实验台，通过改变压缩机转速、室外侧温度、室内侧温度研究了系统换热量、压缩机功耗及COP的变化，在室内侧热负荷为1.5 kW时，对系统进行了温升实验研究。

国内也有很多学者[10-15]对汽车空调系统的性能展开了相关研究。彭庆丰等[10]研发了一种采用二级压缩喷射热泵的电动汽车热泵空调系统，并与PTC采暖方式进行了实测对比实验，结果表明，与PTC采暖系统相比，新型热泵空调系统能够节能15%，整车续航里程延长15 km。佟丽蕊等[11]分析了电动汽车空调系统在国内外的研究进展，总结出目前4种主流的空调系统，即电动热泵式空调系统、电动压缩式制冷加电加热采暖空调系统、余热空调及复合热泵空调系统以及储能式空调系统。王颖等[12]对比分析了使用三个换热器及两个换热器的系统，研究表明：大部分工况下，两个系统的能力相近，四通阀系统的COP比三换热器系统COP高7%～15%。张优等[13]探讨了纯电动汽车空调热泵方案，提出PTC加热法、利用电机冷却液余热同时PTC辅助加热法及热泵式制热法三种方案。金鹏[14]设计研发的热泵型直流变频电动汽车空调系统采用质轻抗振的竖置式微通道换热器,有效改善了微通道换热器在热泵空调系统上一器两用、制冷剂均匀分配、换热器表面结霜除霜及凝结水排除等问题。殷海艳[15]研究了低温车用准二级热泵空调系统，得出提高压缩机的做功效率是提高带喷射经济器的准二级压缩电动汽车低温热泵空调系统能量利用效率的关键。江挺候等[16]对比了采用不同制冷剂的汽车热泵空调系统,并提出高效车用热泵空调系统的设计思路。

在单冷系统改成热泵空调系统的过程中，为避免整车HVAC (heating ventilation and air conditioning)重新开模，本文设计了两种方案：采用四通阀的两换热器热泵空调系统(方案Ⅰ)；采用四个电磁阀进行制冷制热切换的两换热器热泵空调系统(方案Ⅱ)。针对两种方案搭建了实验台，在焓差实验室中分别对热泵空调系统进行性能测试，在振动实验台上对系统进行振动测试，以此来评价热泵空调系统的性能及装车运行的可靠性。

1 两种热泵空调系统

借鉴现有热泵空调系统技术及汽车空调的结构特点，提出一种采用电磁四通阀的热泵空调系统(方案Ⅰ)，该热泵空调系统零部件少，系统结构简单，如图1所示。该系统制冷时，制冷剂工质(R134a)由压缩机排出，经过电磁四通阀进入室外侧换热器冷凝放热，通过双向H型热力膨胀阀节流后进入内部换热器蒸发吸热，再依次经过电磁四通阀和双向H型热力膨胀阀进入气液分离器，最终进入压缩机吸气口。制热模式时，制冷剂工质(R134a)由压缩机排出，经过电磁四通阀进入室内侧换热器冷凝放热，通过双向H型热力膨胀阀节流后进入外部换热器蒸发吸热，再依次经过电磁四通阀和双向H型热力膨胀阀进入气液分离器，最终进入压缩机吸气口。

采用电磁四通阀的热泵空调系统有如下缺陷：1)现有四通阀大都采用铜制四通阀，而系统管路采用铝管，衔接处会出现铜铝焊，铜铝焊工艺较难且极易腐蚀；2)四通阀在车上使用，由于车在行驶过程中振动剧烈，容易出现高低压窜气，影响系统性能，甚至损坏系统部件。

图1 方案ⅠFig.1 Project Ⅰ

图2 方案ⅡFig.2 Project Ⅱ

针对以上问题，提出采用四个电磁阀代替四通阀来实现制冷制热模式的切换，系统原理如图2所示。四个电磁阀(1、2、3、4)中，1、3为常开电磁阀，2、4为常闭电磁阀。系统制冷时，系统中的四个电磁阀均不通电，此时制冷工质从压缩机排气口出来，经过电磁阀1进入外部换热器冷凝换热，然后经过双向H型热力膨胀阀节流后进入内部蒸发器吸热蒸发，接着经过电磁阀3流经H型热力膨胀阀，最后经过气液分离器回到压缩机吸气口。系统制热时，四个电磁阀全部通电，此时制冷剂经压缩机排出后经过电磁阀4进入内部换热器冷凝放热，冷凝放热后经过双向H型热力膨胀阀节流，然后进入外部换热器蒸发吸热，再依次经过电磁阀2，双向H型热力膨胀阀，气液分离器进入压缩机吸气端，完成制热循环。

两套方案均直接使用原单冷系统的蒸发器及冷凝器，对整车厂来说极大的缩减了系统改进费用。实验中，除了制冷制热模式切换机构电磁四通阀、四个电磁阀有差异，两套方案采用的零部件基本相同。零部件的规格如表1所示。

表1 零部件规格

2 测试方案与实验工况

根据上述方案搭建了实验台并在焓差实验室中对两种方案进行了系统性能测试，利用振动实验台对系统进行了可靠性测试。焓差实验室分为室内侧和室外侧，实验室对温度的控制精度为±0.5 ℃。将内部HVAC部分放置在室内侧，与风洞口相接，其它实验部件放置在室外侧，图3为方案Ⅰ室内侧与室外侧的实物图，图4为方案Ⅱ室内侧与室外侧的实物图。测试工况参考《汽车用电驱动空调器》制冷制热模式的测试工况，如表2所示。

图3 方案Ⅰ实物图Fig.3 The experimental figure of project Ⅰ

振动实验使用的电动振动实验系统，规格为DC-10000-100。进行振动实验时，对于方案Ⅰ，只将四通阀放置在振动台上，其它零部件放在振动台的四周，用软管连接，振动实验时系统开启运行，采用压力传感器(电流型)检测系统运行时的压力波动；对于方案Ⅱ，四个电磁阀及一个H型热力膨胀阀内置在一个盒子里，组成一个阀组，振动时将阀组固定在振动实验台上，其它零部件与方案Ⅰ相同，放置在四周用软管连接，图5为方案Ⅱ在振动台上的固定方式。振动实验的标准参照GB/T21361—2008《汽车用空调器》，振动分横向、轴向和纵向三个方向进行，相关振动参数如表3所示。

表2 测试工况

图5 振动实验Fig.5 Vibration experiment

阶段频率/Hz加速度/(m/s2)测试时间/h垂直横向纵向3 g3330 422

注：3 g即以3个加速度进行振动阶段。

3 实验结果分析

3.1 两种方案的性能测试对比

在名义制冷工况下，对方案Ⅰ搭建的系统进行制冷剂标定，如图6所示。方案Ⅰ全部采用软管连接，管路长，系统内容积大；方案Ⅱ主要采用铝管连接，使用软管较少，管路短，内容积小。因为两套系统内容积不同，所以制冷剂标定的起始量及最终制冷剂充注量也不同。由图6可以看出，随着制冷剂量的增加，内部换热器的换热量先逐渐增加，然后趋于平缓，与此同时冷凝器出口端的过冷度逐渐增加，当制冷剂添加700 g时，外部冷凝器出口过冷度约为4 ℃，此后换热量不再明显增加，因此，方案Ⅰ中制冷剂充注量为700 g。方案Ⅱ制冷剂标定如图7所示，当制冷剂标定量为500 g左右时，外部冷凝器出口过冷度为4 ℃，此后内部换热量也不再增加，因此，方案Ⅱ系统制冷剂的充注量为500 g。

图6 方案Ⅰ制冷剂标定Fig.6 Refrigerant calibration of project Ⅰ

图7 方案Ⅱ制冷剂标定Fig.7 Refrigerant calibration of project Ⅱ

表4和表5分别为方案Ⅰ和方案Ⅱ在4种工况下的测试参数，可以看出，两套方案的额定制冷量及名义制热量均约为2 kW，低温制热工况下，两种方案的制热量急剧降低，制热量小于1 kW，制冷最大负荷工况下制冷量约为2 kW，但性能系数较低。整体来说，方案Ⅰ在4种工况下的性能测试优于方案Ⅱ，主要是因为方案Ⅱ的阀组中连接4个电磁阀使用了铝管，这些铝管在阀组中未采取保温措施，铝管对热量和冷量的散失比软管严重，但方案Ⅱ仍然能够满足小型电动汽车对空调系统性能的需求(制冷出风温度15 ℃、制热出风温度38 ℃)。对于内部换热器出风温度而言，两种方案在各工况下基本相当，差别在3 ℃以内。

表4 方案Ⅰ的性能测试

表5 方案Ⅱ的性能测试

3.2 两种方案的可靠性对比

振动实验先固定好各个零部件，振动实验室系统制冷运行，方案Ⅰ中在四通阀的高压口和低压口分别设置压力传感器，方案Ⅱ中系统高压侧及低压侧分别设置压力传感器。在压缩机排气口及压缩机吸气口设置温度传感器，数据用安捷伦数据采集仪采集，在振动台不开启的情况下使系统运行起来，各采集的参数稳定后开启振动台，按表3中振动耐久性实验标准进行实验。因系统对垂直方向上的振动比较敏感，本文只列出垂直方向上的数据进行讨论。图8为方案Ⅰ中四通阀四个出口检测到的压力变化(两个高压，两个低压，图中只列出高低压)。由图8可以看出，振动台开启后，系统高低压波动明显变大，约0.5 h后，高低压异常且压缩机停机，电动压缩机无法再次开启，已被损坏，在振动的过程中，四通阀出现高低压窜气，导致压缩机损坏。图9、图10为方案Ⅱ振动时系统高低压在振动状态下的变化，如图所示，压缩机吸排气口的压力、吸排气温度均无异常波动。所以，从系统工作的可靠性来说，方案Ⅱ具有绝对的优势。

图8 方案Ⅰ四通阀四个口的压力变化Fig.8 The four ports pressure variation in four-way valve of project Ⅰ

图9 方案Ⅱ压缩机吸排气压力变化Fig.9 Compressor suction-exhaust pressure variation of project Ⅱ

图10 方案Ⅱ压缩机吸排气口温度变化Fig.10 Compressor suction-exhaust temperature variation project Ⅱ

4 结论

本文搭建了两种不同的车用热泵空调系统，在焓差性能实验室及振动实验台上分别完成了系统制冷量、制热量及耐振动性实验。在名义工况下，结合过冷度及制冷量标定了方案Ⅰ及方案Ⅱ的制冷剂充注量，分别为700 g及500 g。从性能实验来说，方案Ⅰ与方案Ⅱ在名义工况、最大负荷工况下制冷量及名义制热、低温制热工况下的制热量相当，名义制热量及名义制冷量约为2 kW，两种方案在低温工况下的制热量急剧下降，小于1 kW；从可靠性来说，方案Ⅰ采用铜制的四通阀，存在铜铝焊，对焊接工艺要求较高且易腐蚀，最重要的是四通阀在振动情况下工作可靠性低，高低压易窜气损坏系统零部件，方案Ⅱ在振动状态下工作稳定可靠。

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