新能源车前端蒸发器结霜保护特性实验研究

徐蕴婕，张 驰，钱 锐

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

前言

随着近几年电动汽车的快速发展和电气化程度的快速上升，更为复杂高效的整车热管理系统成为各企业及研究机构的重要研发方向。车用热泵技术发展迅速。

对于各种形式的车用热泵系统，前端蒸发器结霜是不可避免技术问题。目前已有研究中，包佳倩等[1]观察了霜层的凝结过程，研究了结霜对制热量的影响。瞿晓华等[2]研究了12 ℃环境温度下，电动汽车外部蒸发器结霜对热泵系统性能的影响，并提出了有效化霜策略，保证系统安全稳定运行。潘乐燕等[3]比较了不同阀口直径的电子膨胀阀对化霜时间的影响。梁志豪等[4]引入全局摄像头，判断结霜程度，提出了一种除霜策略。

在已有的研究中，多使用固定的压缩机转速。在实际电动压缩机控制中，存在压缩机低压保护策略，即当系统低压过低时，压缩机会降低转速以做保护。针对这一问题，搭建了新能源车前端蒸发器测试台架，搭载实际电动压缩机控制保护策略，研究了前端蒸发器正常结霜和结霜保护时的系统响应，以此对新能源系统中的结霜策略提出指导。

1 系统及测试台架

对新能源系统前端蒸发器结霜新能研究中，图1为测试台架及测试系统示意图。其中省略了制冷相关的管路，只研究相关制热模式。制冷剂通过电动压缩机压缩后流经车内冷凝器，后流经电子膨胀阀（EXV），再流过车外蒸发器，回到电动压缩机。其中车内冷凝器位于空调箱内，空调箱内还包括温度风门和蒸发器等其他部件。空调箱连接于冷凝风道。车外蒸发器连接于蒸发器风道。管路及风道上布有温度和压力传感器，如图中所示，所有温度和压力传感器均连接于dSpace控制器中。dSpace编写有压缩机低压保护控制逻辑，驱动电动压缩机，温度风门和电子膨胀阀（EXV）开度。

图1 实验台架示意图

系统实验在焓差台上进行。台架为测试系统提供两个环境舱，分别为冷凝器室和蒸发器室。台架提供两个风道，分别为冷凝器风道，蒸发器风道。每个风道都有独立的温湿度控制系统，可以提供特定的风量，温度和湿度，其控制范围和精度如表1所示。台架提供制冷剂流量计，其测量范围为0～2 180 kg/h，精度为±0.10%。

表1 实验台架控制范围和精度

2 实验与工况

表2为测试工况，其中包括了不同的影响结霜的因子，包括前端蒸发器风量，车外温度和系统负荷。其中系统负荷通过压缩机初始转速表征。

表2 结霜测试工况

系统实验时，压缩机转速先设置至压缩机初始转速。实验中，由于蒸发器结霜，低压会逐渐下降，当低压下降到绝压105 kPa以下时，算法会进行低压保护，通过降低压缩机转速，PID调节低压保持在105 kPa。105 kPa为标定设置，主要考虑的是系统出现负压，即绝压小于100 kPa时，会出现倒吸空气的风险。

3 结果与分析

3.1 工况对结霜速度的影响

图2为各工况下实验开始后10分钟、30分钟及60分钟的结霜实际状态。分析可以发现，压缩机转速越高，结霜越迅速。这是由于压缩机转速增加时，系统低压下降，前端蒸发器翅片表面温度降低。风量越小，结霜越迅速。这是由于：一方面，风量减小导致换热器换热能力下降，低压随之下降，蒸发器翅片表面温度下降；另一方面，风量减小导致蒸发器排水性能下降，更容易产生结霜。环境温度0 ℃比环境温度−5 ℃时结霜更快。初始情况下，0 ℃工况的低压饱和温度为−14.1 ℃，−5 ℃工况的低压饱和温度为−17.9 ℃。因此，环境温度从0 ℃降低到−5 ℃时，虽然低压降低了，但是两者的前蒸发器换热温差变化不大。另一方面，0 ℃环境时空气中的含水量更大，此时，后一因素占据主导地位。

图2 结霜对低压和转速的影响

3.2 压缩机结霜保护对系统的影响

3.2.1 结霜对低压和转速的影响

图3为系统运行过程中的低压和压缩机转速变化。分析可以发现，在各个工况下，随着结霜厚度增加，系统低压下降。当系统低压下降到105 kPa时，系统进入低压保护状态，压缩机转速下降。算法通过压缩机转速PID控制保证低压维持在105 kPa。

图3 结霜对低压和转速的影响

分析可以发现，工况1在测试时间内没有进入低压保护状态。这是由于工况1压缩机初始转速较低，系统低压较高。工况2进入保护状态的时间为40分钟，工况3为25分钟，工况4为55分钟，工况5为40分钟。

3.2.2 进入保护状态前结霜对系统的影响

图4是系统出风温度和系统制热量在进入结霜保护前的变化。可以发现，出风温度和制热量随着结霜加厚而降低。主要是由于系统高压随着低压的下降而下降。其中工况5的变化最为明显，其出风温度从56 ℃降到48 ℃，制热量从6 141 w降低至4916 w，降幅为20%。

图4 保护状态前结霜对乘客舱舒适性的影响

图5是系统COP在进入结霜保护前的变化。可以发现，系统COP在进入保护前，处于下降趋势，但下降并不明显。这主要由于，一方面如上节所述的制热量下降会导致COP下降；另一方面，由于低压下降，压缩机转速不变，压缩机耗功降低，此有利于提升COP。

图5 保护状态前结霜对COP的影响

3.2.3 进入保护状态后结霜对系统的影响

图6是系统出风温度和系统制热量在进入结霜保护后的变化。可以发现，此时出风温度和系统制热量的变化方向与保护前一致。此时，系统低压受到保护，保持不变。而压缩机转速下降导致系统高压下降，系统换热能力变差。其中工况5的变化最为明显，其出风温度从48 ℃降到32 ℃，制热量从4 916 w降低至3 153 w。在整个结霜工况下制热量损失达到了48.7%。这一制热能力的损失对乘客舱舒适性而言是难以接受的，因此系统必须通过其他方式补全损失的制热能力。一般考虑进行过程中的化霜以保证制热量，或者通过电加热以补充制热量。

图6 保护状态后结霜对乘客舱舒适性的影响

图7是系统COP在进入结霜保护后的变化。可以发现，系统COP在进入保护后，系统的COP扭转为上升趋势。这主要由于，随着压缩机转速的降低，压缩机效率提升，耗功快速下降。其影响程度大于制热量减少的影响。系统运行在更高效的高低压区间。

图7 保护状态前结霜对COP的影响

如上节分析中结论，损失的制热量需要补足。研究考虑通过PTC电加热补足制热能力损失的方案，一般认为PTC效率为95%。图8表示工况5各时间点在使用PTC补全制热量的情况下，制热量与总耗电的比值，即系统的总效率。总耗电量包括PTC耗电量和压缩机耗电量。可以发现系统总效率逐渐下降。这是由于COP大于1的压缩机制热逐步被效率小于1的PTC加热替代。同时可以发现，第60分钟系统总效率为1.4，与初始总效率2.2相比降低0.8，依旧有节能效果。PTC补全制热能力方法的优点在于乘客舱制热始终得到保障。因此，对于可以使用PTC加热的系统，推荐使用PTC补全由结霜带来的制热能力损失，同时在行车结束后再进行化霜。

图8 PTC补全功率和系统总效率

4 总结

针对新能源车前端蒸发器结霜的问题，研究搭建了结霜实验台架，考虑压缩机对系统的低压保护，对系统在不同工况下进行结霜测试，得到如下结论：

（1）压缩机转速越高，前端风量越小，结霜越迅速。环境温度0 ℃比环境温度−5 ℃时结霜更快。

（2）系统出风温度和系统制热量在进入结霜保护前后均持续下降。制热量最大损失达到了48.7%。因此系统必须通过其他方式补全损失的制热能力。

（3）系统COP在进入结霜保护前下降。在进入结霜保护后压缩机转速降低，COP上升。通过PTC补足结霜制热能力损失时，系统总效率从2.2降低至1.4，整个过程中，乘客舱舒适性不受到影响。对于可以使用PTC加热的系统，推荐使用PTC补全由结霜带来的制热能力损失，同时在行车结束后再进行化霜。