新型电动汽车空调热泵系统采暖性能实验研究

章伟 李康

关键词：电动汽车;热泵空调系统;实验;制热方式;续航里程

0 引言

目从目前市场上电动汽车的性能来看，汽车的运行可靠性和续航里程是两个主要问题。在冬季，由于电池和PTC 加热器在低温下使用，电动汽车在寒冷气候下的行驶里程急剧下降[1]。为应对这一问题，提出了可应用于电动汽车的空气源热泵系统，该系统在家用空调系统中已经得到了广泛的应用。已经有实验研究提出，使用热泵空调系统可以在-10℃的环境温度下将电动汽车的行驶里程提高约25%[2]。然而，由于汽车在行驶过程中工况的多变性，热泵空调系统在电动汽车上的广泛应用还受到其可靠性的制约，所以目前迫切需要对系统结构和零部件质量进一步完善和优化。

目前应用于电动汽车上的热泵空调系统， 主要是以家用热泵系统中典型的蒸汽压缩系统为基础进行设计的。一般情况下，汽车热泵空调系统由电动涡旋压缩机、换热器、气液分离器、膨胀阀、多个电磁阀和管道组成。根据系统中使用的换热器数量，电动汽车热泵空调系统可分为两换热器和三换热器系统。针对两换热器系统，在传统的家用热泵空调系统的基础上，首次提出了使用四通换向阀的电动汽车空调系统。虽然四通阀热泵空调系统结构简单，但此类型系统的可靠性仍有待提高，以适应汽车行驶过程中的复杂工况[3]。

在这些广泛应用的汽车热泵空调系统中，宝马i3 中采用的空調系统是典型的使用双三通阀的系统结构，而东风日产聆风则采用了双旁通阀结构[4-5]。这2 款车热泵空调系统都需要另外添加热交换器，在不同模式下使用暖风模块中不同的换热器为车厢提供冷量或者热量。由于电磁阀比三通阀更可靠、更便宜，因此双旁通阀结构比双三通阀结构的热泵空调系统具有更好的发展前景和竞争力。此外，基于该双旁通阀的热泵空调系统，可设计一种蒸汽喷射式热泵空调系统，蒸汽喷射式系统可以以较低的能耗达到较好的制热能力，并以较低的排气温度达到延长压缩机寿命的效果[6]。

因此可以推断，今后电动汽车热泵空调系统的发展和优化将主要基于现有的双旁通阀结构。本文提出了一种新设计的双旁通阀电动汽车热泵空调系统，在实验室能力范围内对其制热性能进行了实验研究。在不同的工况条件下，实验收集了系统中各零部件进出口的制冷剂参数，分析了进风流量和环境温度对系统性能的影响。并且，对应用了此热泵空调系统的电动汽车进行了续航里程的计算，并与装配了PTC 加热器的电动汽车的续航能力进行了比较。

1 实验

1.1 实验装置与设备

汽车热管理实验室示意图如图1 所示。此系统通过切换2 个电磁阀来改变制冷剂流动路径，从而实现为车厢提供冷量和热量的基本功能。电动汽车热泵空调系统主要由电动涡旋压缩机、室外换热器、室内冷凝器、室内蒸发器、热力膨胀阀（具有截止阀功能）、电子膨胀阀和气液分离器组成，有2 个流量计和2 个电磁阀，制冷剂为R134a。环境控制系统用于控制室外换热器和室内换热器的入口参数，如室外侧的风量以及空调箱的入口空气温度、湿度和速度。

本电动汽车热泵空调系统实验系统由1 个实验室和2 个独立的环境室组成。环境室分为室内环境室和室外环境室，每个环境室都配有独立的环境控制系统来控制环境的温度和湿度，为实验系统提供相对稳定的所需环境条件。实验室主要由压缩机、室外换热器、电子膨胀阀、热力膨胀阀、气液分离器、平行流微通道室内蒸发器和室内冷凝器构成实验台的主要部分。

室外部分可控温度范围区间为-20 ～ 60℃，温度控制精度±0.2℃ ;室内部分可控温度范围区间为-10 ～ 60℃，控制精度±0.2℃。本系统利用鼓风机为室内外换热器提供稳定的风量，采用的鼓风机可提供高达1 500 m3/h 的风量。数据的采集主要由压力传感器、温度传感器和数据采集仪完成。系统采用排量为27 mL/r 的电动涡旋压缩机，由CAN 程序控制调速。

1.2 实验原理与工况

本电动汽车热泵空调系统在热泵模式下运行的系统制冷剂流向如下所示：高温高压状态的制冷剂气体从压缩机中排出后进入室内冷凝器中冷凝放热，为车厢提供热量，冷凝后的液态制冷剂经过电子膨胀阀节流后进入室外换热器蒸发换热，最终流回压缩机进行下一次的循环。在此过程中，电磁阀2 打开，电磁阀1 关闭，室外换热器在系统中充当蒸发器。

本实验采用的工况条件如表1 所示，控制室内进风的相对湿度为50% 和室外侧风量为1 600 m3/h，调节进风温度、进风流量和压缩机转速，在不同的工况条件下研究了压缩机的温度和压力的变化。在定转速的条件下，分析了系统性能和效能的几个参数如：压缩机耗功，COP，制热量和出风温度在不同环境温度和风量情况下的变化情况。

2 结果与讨论

2.1 系统主要性能的变化

系统在热泵模式下运行时，压缩机耗功以及空调系统单位功率下的制热量（COP）在压缩机定转速条件下，随不同环境温度变化的变化趋势如图2 所示。一般来说，提高压缩机转速会导致压缩机产生较高的能耗。由图中可以看出，在相同的压缩机转速下，环境温度的升高也会导致压缩机耗功的增加。在系统不同的进风风量的条件下，压缩机耗功随温度的变化程度略有不同，但都是呈上升趋势。

由图2 可以看出，在相同的压缩机转速条件下，不同的进风风量对压缩机耗功与环境温度有一定的影响。随着环境温度从-10℃升高到0 ℃，压缩机耗功和COP 分别增加了31% 和27%。系统COP 是制热量与压缩机耗功共同作用的结果，是系统能效的直接指标。在相同的压缩机转速条件下，COP 随着环境温度的升高而升高。

系统的制热量与出风温度是研究电动汽车热泵空调系统性能的关键参数。本实验系统在不同的环境工况下，以热泵模式稳定运行后得到的性能容量和出口温度如图3 所示。图中收集了系统在定转速的条件下，制热量和COP 在不同实验工况下的变化曲线。

由图3 可以看出，随着环境温度的升高，定风量条件下的系统制热量和出风温度的变化曲线呈上升趋势。但当环境温度不变，风量发生改变时，制热量和COP 会发生不同的变化。风量从300 m3/h 增加到400 m3/h 时， 随着环境温度从-10℃升高到0 ℃，制热量增加了6% ～ 13%，出口空气温度降低了8% ～ 25%。这是因为当进风风量增大时，入口空气与换热器之间的强制对流增强，导致制热量增加。

但是风量增大会导致入口空气没有足够的时间与换热器进行热量交换，从而使出口空气温度降低。当系统的进风风量一致时，高环境温度工况下的系统换热能力较强，制热量较大。同时，当环境温度为-10℃时，在不同风量的工况条件下出口空气温度的范围为12 ～ 15℃。考虑到温度损失，系统此时必须打开PTC 以满足舒适性要求。

2.2 行驶里程的计算与比较

为了探讨热泵空调系统应用于电动汽车上的节能能力，对在寒冷冬季采取不同方式为车厢供暖的电动汽车行驶里程进行了比较。假定PTC 电加热器热效率为1，车速为60 km/h，行驶里程计算公式如下：

Ah——电池容量

v——汽车行驶速度

t——汽车没有加热的时间

WPTC——满足车辆所需负荷的PTC 耗功

WHP——系统在热泵模式运行时压缩机的功耗。

电动汽车在不同的环境温度下的热负荷结果如图4 所示。由图中可以看出，环境温度越低，汽车驾驶舱内的冷负荷越大，需要通过热泵空调抵消的负荷越大。

不同环境温度下，使用不同供热方式的电动汽车在行驶车速为60 km/h 运行条件下的续航里程如图5 所示。从图中可以看出，使用不同的供熱方式对电动汽车的行驶里程有较为明显的影响。冬季采暖时，PTC 加热器会使行驶里程减少32% ～ 47%。而使用热泵空调制热后，由于能耗降低了25% ～ 31%，汽车续航里程将会延长，在较低的环境温度下汽车的续航效果会更好。

3 结束语

电动汽车的空调系统会在很大程度上影响汽车的续航里程，是目前备受关注的一个研究领域。在本文设计的实验系统中，对电动汽车用热泵空调系统的性能进行了实验研究，测量了热泵循环中的压力、温度和压缩机耗功的变化，并对出风温度和换热器换热能力进行了分析。通过一系列可重复的试验，验证了测量结果的准确性和重复性。本文主要结论如下。

（1）压缩机转速对系统有明显影响，转速越大，压缩机耗功越大;压缩机和冷凝器的出口温度压力及压力随着压缩机转速的增大而增大，这也导致了较高的制热量。

（2）对于热泵空调系统，入口空气风量和环境温度对暖风系统出口空气温度有显著影响。入口空气风量的增大会导致制热量增加但出风温度降低。在环境温度-10℃下，当风量为300 m3/h 时，最大制热量比400 m3/h 提高13%。此时，在不同风量的工况条件下出口空气温度的范围为12 ～ 15℃。考虑到温度损失，系统此时必须打开PTC 以满足舒适性要求。

（3）实验证明，在冬季的低温条件下，使用热泵系统制热的电动汽车比使用PTC 加热器的更节能。在本文的实验对比下，前者相比后者可以使行驶里程增加25% ～ 31%。本文提出的电动汽车热泵空调系统方案，既可增加整车续航里程，又能提供较高的制热量满足车厢舒适性。