摘 要：熱泵空調(diào)可明顯改善電動(dòng)汽車(chē)冬季制熱工況下的能耗，提升整車(chē)?yán)m(xù)航里程。但由于其系統(tǒng)架構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，應(yīng)用的零部件數(shù)量較多，較高昂的成本成為熱泵技術(shù)廣泛推廣應(yīng)用的制約因素。文章設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)化，同時(shí)可滿足整車(chē)冬季采暖需求的熱泵系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)臺(tái)架的搭建及測(cè)試，進(jìn)行了該系統(tǒng)的充注量試驗(yàn)，分析了其在-7℃工況下的制熱性能；并將該系統(tǒng)安裝到整車(chē)上進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試，研究其冬季工況的制熱特性，充分驗(yàn)證了該熱泵空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中的可行性。

關(guān)鍵詞：低溫?zé)岜?間接換熱 電動(dòng)汽車(chē) 制熱性能 風(fēng)洞測(cè)試

0 引言

正相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)?yán)冒l(fā)動(dòng)機(jī)的余熱實(shí)現(xiàn)乘員艙的制熱及除霜，電動(dòng)汽車(chē)只能利用電池的能量對(duì)乘員艙進(jìn)行制熱，除霜及舒適性調(diào)節(jié)?；诟邏篜TC （Positive Temperature Coefficient，正溫度系數(shù)）材料的加熱器的恒溫發(fā)熱，升溫速率快，控制策略簡(jiǎn)易等特點(diǎn)，電動(dòng)汽車(chē)普遍采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)乘員艙采暖需求[1]。由于PTC是基于電熱轉(zhuǎn)換的原理，其工作時(shí)的COP小于1，開(kāi)啟PTC加熱將增加電池能耗，從而降低電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程[2]。

為滿足整車(chē)乘員艙，電池和電機(jī)的加熱及冷卻需求，不同機(jī)研究人員采取了豐富多樣的系統(tǒng)架構(gòu)。袁野等提出了一種具備電池直冷的熱泵系統(tǒng)[3]，在艙內(nèi)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(shí)現(xiàn)蒸發(fā)或者冷凝功能。于述亮等設(shè)計(jì)了一套具備電機(jī)余熱回收功能的整車(chē)熱管理系統(tǒng)[4]。也有研究者從新型制冷劑兼容性，系統(tǒng)集成化應(yīng)用，避免空調(diào)箱使用費(fèi)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(tǒng)[5-7]。為實(shí)現(xiàn)熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制冷制熱功能，以及與三電熱管理系統(tǒng)的深度耦合，越來(lái)越多的電子閥件及管路被應(yīng)用在熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，進(jìn)而推高了整個(gè)系統(tǒng)的材料成本，限制了熱泵空調(diào)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

受制于常規(guī)制冷劑R134a及R1234yf的環(huán)境溫度使用范圍，目前在環(huán)境溫度低于-15℃的工況下，熱泵空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法從環(huán)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(duì)乘員艙進(jìn)行加熱[8]。但受限于高壓空氣PTC的價(jià)格，以及引入該高壓部件進(jìn)入乘員艙的擔(dān)憂，需要考慮在滿足系統(tǒng)功能需求的前提下，盡量簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)，減少系統(tǒng)成本，提升零部件利用率，降低安全隱患。

本文基于工程實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且支持寬溫域運(yùn)行的電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)架構(gòu)。首先搭建了系統(tǒng)性能測(cè)試臺(tái)架，對(duì)比分析了不同的低溫制熱工況下系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)以及系統(tǒng)能效。之后將該系統(tǒng)安裝在電動(dòng)汽車(chē)上，進(jìn)行整車(chē)風(fēng)洞環(huán)境模擬測(cè)試，重點(diǎn)研究了低溫環(huán)境下該系統(tǒng)應(yīng)用在整車(chē)上的升溫特性以及整車(chē)除霜除霧性能。從臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和整車(chē)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該系統(tǒng)在低溫制熱性能可靠性。

1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。其中包括電動(dòng)壓縮機(jī)、空調(diào)箱（內(nèi)部配置內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門(mén)，鼓風(fēng)機(jī)，蒸發(fā)器，車(chē)內(nèi)冷凝器（Cabin Condenser），溫度風(fēng)門(mén)等）、制冷劑三通閥（3WV）、板式換熱器（PHE）、低溫水箱、冷卻風(fēng)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(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)取消了空調(diào)箱內(nèi)的成本最高零部件高壓空氣PTC加熱器；同時(shí)采用氣液分離器代替高壓儲(chǔ)液罐，可節(jié)省制冷系統(tǒng)高壓側(cè)的管路數(shù)量，在降低零部件材料成本的同時(shí)也可以減少系統(tǒng)裝配工作量。

2 系統(tǒng)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

2.1 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)裝置

參考電動(dòng)汽車(chē)實(shí)車(chē)熱泵系統(tǒng)零部件安裝位置及方式，搭建了熱泵空調(diào)系統(tǒng)臺(tái)架，該臺(tái)架布置在專(zhuān)門(mén)的環(huán)境氣候艙內(nèi)，該環(huán)境可模擬-20℃至60℃的環(huán)境溫度，同時(shí)在0℃以上環(huán)境條件下可任意調(diào)節(jié)濕度。

系統(tǒng)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(tǒng)回路中采用T型熱電偶測(cè)量制冷劑回路，冷卻液回路及空氣側(cè)溫度，采用濕度傳感器測(cè)量空氣濕度。冷卻液體積流量通過(guò)體積流量計(jì)測(cè)量。通過(guò)電壓表及電流表監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)及PTC的運(yùn)行功率。

2.2 系統(tǒng)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)方法

為保證熱泵空調(diào)正常運(yùn)行，首先需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加注量實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)合適的制冷劑加注量。針對(duì)空氣源熱泵性能測(cè)試，本文參考中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心對(duì)電動(dòng)汽車(chē)低溫續(xù)航相關(guān)測(cè)試的要求而制定[9]。其中環(huán)境溫度為-7℃，車(chē)內(nèi)冷凝器出口過(guò)冷度設(shè)定在10℃，試驗(yàn)過(guò)程中由電子膨脹閥開(kāi)度控制。具體測(cè)試工況為：環(huán)境溫度-7℃、車(chē)外換熱器風(fēng)量為2000m3/h、空調(diào)箱風(fēng)量為307m3/h、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為2000/4000/6000/8000RPM、過(guò)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(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 加注量實(shí)驗(yàn)

為保證初始狀態(tài)臺(tái)架可以安全穩(wěn)定運(yùn)行，首先對(duì)系統(tǒng)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(guò)電子秤的讀數(shù)變化，計(jì)算制冷劑加注量。在加注量實(shí)驗(yàn)初始階段，每次加注量為50g，判斷系統(tǒng)進(jìn)入加注量平臺(tái)后，每次加注量可控制在100g，在加注量平臺(tái)末期，每次加注量為50g。

圖2為加注量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各關(guān)鍵參數(shù)的變化曲線，其中包括壓縮機(jī)排氣壓力，排氣過(guò)熱度；車(chē)內(nèi)冷凝器出口過(guò)冷度，板式換熱器PHE出口過(guò)熱度，系統(tǒng)制熱量。結(jié)合壓縮機(jī)的排氣溫度和排氣壓力，板式換熱器PHE的出口過(guò)熱度變化，和系統(tǒng)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(tǒng)正常工作的最小加注量。當(dāng)加注量到達(dá)1050g，此時(shí)氣液分離器內(nèi)基本充滿液態(tài)制冷；結(jié)合整條過(guò)冷度曲線的變化趨勢(shì)，可以判斷出此時(shí)已經(jīng)達(dá)到過(guò)冷平臺(tái)的最大值。本文選取900g制冷劑加注量進(jìn)行后續(xù)性能測(cè)試。

2.3.2 -7℃環(huán)境溫度下系統(tǒng)制熱性能實(shí)驗(yàn)

-7℃環(huán)境溫度是電動(dòng)汽車(chē)考核冬季能耗及續(xù)航里程的重要考核工況[9]，系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)首先研究了不同壓縮轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)換熱量，車(chē)內(nèi)冷凝器出風(fēng)溫度等關(guān)鍵參數(shù)的影響，如圖3所示。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?000rmp逐步增加到8000rmp，在這個(gè)過(guò)程中，壓縮機(jī)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(chē)內(nèi)冷凝器出風(fēng)溫度從9.7℃增加到40℃；系統(tǒng)制熱量從1.9kW增加到5.4kW；隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，需要從環(huán)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(tǒng)COP從6.8降低到2.4。

3 整車(chē)試驗(yàn)

3.1 整車(chē)熱泵系統(tǒng)裝置

本文對(duì)一輛純電動(dòng)A級(jí)SUV進(jìn)行改裝，整車(chē)的原單冷空調(diào)系統(tǒng)改裝為本文設(shè)計(jì)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，關(guān)鍵零部件清單與系統(tǒng)臺(tái)架一致。

3.2 整車(chē)實(shí)驗(yàn)方法

整車(chē)在風(fēng)洞中分別進(jìn)行了制熱試驗(yàn)以及國(guó)標(biāo)工況的除霜除霧試驗(yàn)，其中第一階段的時(shí)間，以浸車(chē)溫度的達(dá)到時(shí)間為準(zhǔn)。整車(chē)除霜試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為：環(huán)境溫度為-18℃、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為5700–7000rpm、空調(diào)箱模式為除霜&30%內(nèi)循環(huán)、鼓風(fēng)機(jī)電壓為13V、水熱PTC功率為5kW。整車(chē)除霧試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為：環(huán)境溫度為-3℃、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為7000rpm、空調(diào)箱模式為外循環(huán)&除霧模式、鼓風(fēng)機(jī)電壓為13V、水熱PTC不開(kāi)。

3.3 整車(chē)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

-7℃環(huán)境溫度下，對(duì)比分析了7.5V和9V兩種鼓風(fēng)機(jī)端電壓設(shè)定下的整車(chē)升溫速率。

3.3.1 -7℃環(huán)境下鼓風(fēng)機(jī)電壓7.5V工況

鼓風(fēng)機(jī)端電壓7.5V時(shí)整車(chē)升溫曲線如圖4所示。整車(chē)啟動(dòng)20分鐘后，車(chē)內(nèi)冷凝器出風(fēng)溫度達(dá)到60.3℃，吹腳平均溫度達(dá)到27℃，呼吸點(diǎn)平均溫度達(dá)到20.1℃。整車(chē)啟動(dòng)35分鐘后，吹腳平均溫度達(dá)到30.6℃，呼吸點(diǎn)平均溫度達(dá)到24.0℃，滿足目標(biāo)客戶對(duì)整車(chē)溫升實(shí)驗(yàn)的要求。

3.3.2 -7℃環(huán)境下鼓風(fēng)機(jī)電壓9V工況

鼓風(fēng)機(jī)端電壓9V時(shí)整車(chē)升溫曲線如圖5所示。整車(chē)啟動(dòng)20分鐘后，車(chē)內(nèi)冷凝器出風(fēng)溫度達(dá)到58.6℃，吹腳平均溫度達(dá)到28.7℃，呼吸點(diǎn)平均溫度達(dá)到20.9℃。整車(chē)啟動(dòng)35分鐘后，吹腳平均溫度達(dá)到31.5℃，呼吸點(diǎn)平均溫度達(dá)到24.4℃，滿足目標(biāo)客戶對(duì)整車(chē)溫升實(shí)驗(yàn)的要求。

與鼓風(fēng)機(jī)7.5V的整車(chē)升溫過(guò)程相比，提升鼓風(fēng)機(jī)電壓后，將會(huì)降低壓縮機(jī)出口壓力，降低車(chē)內(nèi)冷凝器出風(fēng)溫度。熱泵空調(diào)啟動(dòng)20分鐘后，9V鼓風(fēng)機(jī)設(shè)定的工況下，車(chē)內(nèi)冷凝器出風(fēng)溫度從60.3℃降低到58.6℃；但車(chē)內(nèi)溫度卻略有增加。這是因?yàn)楣娘L(fēng)機(jī)風(fēng)量增加后，一方面提升了整體換熱量，有助于腳部區(qū)域溫度升高，另一方增強(qiáng)車(chē)內(nèi)氣流擾動(dòng)，也有利于呼吸點(diǎn)溫度提升。

4 結(jié)論

本文提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，成本相對(duì)較低的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并通過(guò)仿真分析、系統(tǒng)臺(tái)架及整車(chē)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。

臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增加能夠明顯提高空調(diào)箱出風(fēng)溫度和系統(tǒng)制熱量，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?000rpm增加到8000rpm，系統(tǒng)制熱量從1.9kW增加到5.4kW；出風(fēng)溫度從9.7℃增加到40℃。但是制熱效率會(huì)隨之降低，系統(tǒng)COP從6.8降低到2.4。

整車(chē)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，-7℃環(huán)境下熱泵是從空氣中吸熱，盡管車(chē)外側(cè)采用了二次換熱，但是在7V和9V鼓風(fēng)機(jī)電壓下，第20分鐘腳部區(qū)域溫度均超過(guò)25℃；同時(shí)發(fā)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)檔位的變化會(huì)影響出風(fēng)溫度和車(chē)內(nèi)溫度，進(jìn)而影響人體舒適性。

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