李延鋒，石　靜，程　勛，梁志偉（河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作454000）

純電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設計與實驗研究

李延鋒，石靜，程勛，梁志偉
（河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作454000）

針對一款純電動汽車設計了基于蒸汽壓縮的冷暖一體熱泵空調(diào)系統(tǒng)，對不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)的制熱量和制熱效率進行測試，并與PTC制熱進行實驗對比。結(jié)果表明環(huán)境溫度越低，系統(tǒng)的壓力越低，熱泵的制熱量越少，制熱效率越低，但熱泵的制熱效率要遠大于PTC的制熱效率，熱泵空調(diào)系統(tǒng)在電動汽車上的應用具有可行性。

純電動汽車；熱泵空調(diào)；制熱效率；實驗研究

0　引言

純電動汽車使用電能作為驅(qū)動動力，使得它的空調(diào)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)燃油汽車。傳統(tǒng)燃油汽車采用發(fā)動機余熱來制熱，而電動汽車普遍采用PTC（正溫度系數(shù)電熱管）加熱的方式制熱。由于PTC制熱效率低，導致電動汽車冬季續(xù)航里程嚴重降低。研究表明空調(diào)制熱消耗的電能約占電動汽車整車能耗的33%［1］。熱泵是利用少量高品位能源使熱量由低溫熱源流向高溫熱源的節(jié)能裝置，電動汽車采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)取暖，可利用電能將環(huán)境中的熱量泵送到車室內(nèi)，得到的熱量為消耗的電能與吸收的低位熱能之和，因此其能效比COP（Cop，Coefficient of Performance）大于1［2］。開發(fā)出適用于純電動汽車的冷暖一體的熱泵空調(diào)系統(tǒng)對純電動汽車節(jié)能降耗具有重要意義。

Takahisa Suzuki和Katsuya Ishii［3］為電動汽車開發(fā)了以R134a為工質(zhì)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，其風道內(nèi)安裝了兩個換熱器，可以實現(xiàn)制冷、制熱、除霜三種模式下切換，該系統(tǒng)在較低環(huán)境溫度下制熱能效比可達2.3。

Hosoz和Direk［4］對汽車熱泵空調(diào)在改變室外溫度和壓縮機轉(zhuǎn)速的條件下進行了性能測試，結(jié)果表明系統(tǒng)制熱量隨壓縮機轉(zhuǎn)速增大而增加，COP隨壓縮機轉(zhuǎn)速增大而減小。

李麗和魏名山［5］設計了一套熱泵空調(diào)系統(tǒng)，對不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)的制熱模式進行了實驗分析，結(jié)果表明環(huán)境溫度越低，壓縮機排氣溫度越低。

徐磊和林用滿［6］研究了熱泵空調(diào)系統(tǒng)壓縮機轉(zhuǎn)速對空調(diào)制冷制熱性能的影響。

李海軍和李旭閣［7］設計了一種混氣型純電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，對系統(tǒng)主要性能參數(shù)進行計算，計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)能夠較好吻合。

1　純電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

熱泵的原理是通過做功使熱量從溫度低的介質(zhì)流向溫度高的介質(zhì)。其主要包含有壓縮機、室內(nèi)換熱器、室外換熱器、膨脹閥、四通閥和氣液分離器等部件（如圖1所示）。

當系統(tǒng)處于制冷模式時，四通閥不通電，低溫低壓的氣態(tài)制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮后變成高溫高壓氣態(tài)制冷劑，流經(jīng)四通閥到室外換熱器，高溫高壓的氣態(tài)制冷劑經(jīng)室外換熱器與外界空氣對流換熱后變成中溫中壓的液體，經(jīng)膨脹閥節(jié)流，制冷劑的溫度和壓力降低，變成霧狀后進入室內(nèi)換熱器，制冷劑在室內(nèi)換熱器中蒸發(fā)吸熱，從而降低車室內(nèi)的溫度，此時工質(zhì)經(jīng)室內(nèi)換熱器出口變成低溫低壓的氣體，最終經(jīng)過四通換向閥、氣液分離器進入壓縮機中，完成制冷循環(huán)。

當系統(tǒng)處于制熱模式時，四通閥通電，壓縮機排出的高溫高壓氣態(tài)制冷劑經(jīng)過四通閥進入室內(nèi)換熱器，制冷劑將攜帶的熱量傳遞給車室內(nèi)的空氣，從而實現(xiàn)室內(nèi)制熱，接著制冷劑經(jīng)過膨脹閥的節(jié)流降壓后進入室外換熱器，在室外換熱器中蒸發(fā)吸熱，將環(huán)境中的熱量帶入系統(tǒng)中，最后在壓縮機的抽吸作用下，工質(zhì)經(jīng)四通閥和氣液分離器回到壓縮機中，完成制熱循環(huán)。

圖1　電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖Fig.1　The schematic diagram of heat pump air-conditioning system for electric vehicles

2　熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實驗研究

2.1實驗原理圖

實驗系統(tǒng)安裝在實驗臺架上（如圖2所示）。在壓縮機的進出口、室內(nèi)外換熱器的進出口、雙向膨脹閥的進出口分別布置熱電偶和壓力變送器，在室內(nèi)換熱器的風道進風口和出風口分別布置溫濕度變送器，在穩(wěn)壓電源與控制器之間安裝電流變送器，在壓縮機出口安裝質(zhì)量流量計，各種變送器接到無紙記錄儀上，熱電偶接到溫度采集儀上，無紙記錄儀和溫度采集儀直接連接電腦，采集數(shù)據(jù)實時記錄在電腦上。

2.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.2.1溫度采集系統(tǒng)

溫度測試系統(tǒng)由美國安捷倫數(shù)據(jù)采集儀34972A主機、溫度采集模塊34901A、T型熱電偶組成，數(shù)據(jù)采集儀主機可以通過以太網(wǎng)連接電腦，通過電腦軟件實時反映系統(tǒng)溫度變化情況；溫度采集模塊有20個通道，可以同時采集20路溫度信息；T型熱電偶型號為T-TT-24，線徑0.25mm，測量溫度范圍為-50～150℃。熱電偶一端藍色線接溫度采集模塊正極，紅色線接溫度采集模塊負極，另一端兩根線焊接在一起作為測量端，將T型熱電偶測量端分別布置在壓縮機進出口、室內(nèi)外換熱器進出口、膨脹閥進出口以及室內(nèi)室外換熱器的翅片上，用帶膠的錫箔紙固定，并在外面加保溫材料。

圖2　熱泵空調(diào)系統(tǒng)實驗原理圖Fig.2　The experimental principle diagram of the heat pump air conditioning system

2.2.2無紙記錄系統(tǒng)

無紙記錄系統(tǒng)由24路彩色無紙記錄儀、壓力變送器、電壓變送器、電流變送器、渦輪流量計、溫濕度變送器組成。無紙記錄儀可以對現(xiàn)場各種溫度、壓力、流量、電量等信號實時監(jiān)測、控制并記錄，還可以通過RS232接口與電腦通訊實現(xiàn)與上位機軟件的數(shù)據(jù)交換。壓力變送器0.3級精度，量程2.5MPa，輸出模擬電流4～20mA，采用24V直流電源供電，螺紋外徑2分。電壓變送器量程80V，輸出模擬電流4～20mA，24V供電，導軌安裝，電流變送器量程20A，輸出模擬電流4～20mA，孔徑8mm，24V供電，溫濕度變送器溫度量程范圍-40～120℃，濕度量程范圍0%～100%，輸出模擬電流4～20mA，3A級精度。

2.3熱泵空調(diào)系統(tǒng)組件

熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機、四通閥、室內(nèi)換熱器、室外換熱器、膨脹閥組成，壓縮機作為空調(diào)系統(tǒng)的“心臟”，其性能直接影響著整個系統(tǒng)的制冷和制熱性能。本系統(tǒng)采用渦旋式電動壓縮機，該壓縮機與活塞式壓縮機相比具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、振動小、可靠性高等優(yōu)點，具體參數(shù)如表1所示:

表1　渦旋式電動壓縮機參數(shù)表Tab.1　The parameters of the electric Scroll com pressor

室外換熱器采用平行流結(jié)構(gòu)，平行流換熱器由多孔扁管、集液管和散熱翅片組成，這種換熱器具有空氣側(cè)和制冷劑側(cè)壓力損失小、換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，與管帶式冷凝器相比，相同制冷劑的情況下，其制冷劑側(cè)壓力只有管帶式的20%，而換熱性能卻提高約70%。由于平行流換熱器翅片緊湊密集不利于通風，風扇的風很難通過風道吹進室內(nèi)，因此室內(nèi)換熱器采用管片式蒸發(fā)器，室內(nèi)外換熱器的具體參數(shù)如表2所示。

表2　室內(nèi)外換熱器參數(shù)表Tab.2　The parameters of the heat exchangers

3　實驗結(jié)果與分析

熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行過程中，取壓縮機出口處為高壓側(cè)，壓縮機進口處為低壓側(cè)，不斷改變環(huán)境溫度，使其在不同環(huán)境溫度下運行，達到穩(wěn)定狀態(tài)后，取穩(wěn)定狀態(tài)下的平均壓力，如圖3所示，隨著環(huán)境溫度的提高，系統(tǒng)高低壓側(cè)壓力均有提高，且高低壓的壓差基本維持不變。

圖3　系統(tǒng)壓力與環(huán)境溫度的關系Fig.3　The system pressure VS ambient temperature

圖4所示為環(huán)境溫度在零度（運行時間內(nèi)環(huán)境溫度的平均值）時空調(diào)系統(tǒng)啟動時高低壓側(cè)壓力變化情況，系統(tǒng)啟動瞬間，高壓迅速升高，在200s時達到最大值，隨后趨于穩(wěn)定狀態(tài)但有較大的波動；低壓有所下降，在200s時壓力開始回升，最終趨于平穩(wěn)狀態(tài)略有波動。系統(tǒng)低壓壓差小于高壓壓差。表明熱力膨脹閥隨著室外換熱器出口過熱度的變化不斷調(diào)整開合度。

圖5所示為熱泵的制熱量與PTC制熱量的對比，在環(huán)境溫度相同的情況下，PTC消耗功率為800W時，其制熱量為720W左右，與PTC功耗相當?shù)那闆r下，熱泵的制熱量明顯要大于PTC，且環(huán)境溫度越高，熱泵的制熱量越大，環(huán)境溫度5℃時制熱量達到1680W。

圖4　系統(tǒng)壓力隨時間變化曲線Fig.4　The changing curve of system pressurewith time

圖5　熱泵制熱量與PTC制熱量的對比Fig.5　The comparison of PTC heating and heat pump system heating

圖6所示為熱泵系統(tǒng)的制熱效率與PTC制熱效率的對比，不同環(huán)境溫度下PTC的制熱效率保持在0.9左右，而熱泵系統(tǒng)在環(huán)境溫度為-5℃時，制熱效率達到1.55，環(huán)境溫度為5℃時，制熱效率達到2.3，環(huán)境溫度越高，熱泵系統(tǒng)制熱效率越高。

圖6　熱泵制熱效率與PTC對比Fig.6　The efficiency comparison of heat pump heating and PTC

4　總結(jié)

（1）隨著環(huán)境溫度的升高，熱泵空調(diào)系統(tǒng)高壓側(cè)與低壓側(cè)壓力均有所上升。

（2）環(huán)境溫度不變時，系統(tǒng)在短時間內(nèi)高壓達到1200kPa，對應的冷蒸溫度較高，表明系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)取得很好的制熱效果。

（3）隨著環(huán)境溫度的變化，PTC的制熱效率保持在0.9左右，而環(huán)境溫度越高，熱泵的制熱效率越高，環(huán)境溫度為-5℃時，熱泵的效率達到1.55，環(huán)境溫度為5℃時，熱泵制熱效率達到2.3。表明熱泵系統(tǒng)應用在電動汽車上具有可行性，其制熱效率要遠遠高于常規(guī)的PTC制熱。

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Design and Experiment of Heat Pump Air-conditioning System For Electric Vehicle

LIYanfeng，SHI Jing，CHENG Xun，LIANG Zhiwei
（School ofmechanical and power engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 45400，Henan，China）

In this paper，a cooling and heating dual-mode heat pump air-conditioning system based on the vapor -compression cycle is designed for pure electric vehicles，then in the different environmental temperatures，the heating capacity and heating efficiency of the system are tested，which is compared with PTC heating by experiments.The results showed thatwhen the ambient temperature is lower，the pressure in the pipeline，the heating capacity and the heating efficiency are lower too，but the heating efficiency of heat pump is higher than that of PTC.The heat pump air-conditioning system is feasible to be applied in the electric vehicle。

Pure electric vehicle；Heat pump air-conditioning；Heating efficiency；Experimental research

TQ051.5；TU831 文獻標示碼:A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.004

ISSN1005-9180（2016）02-018-05

2016-3-8

河南教育廳自然基金（2009A630062）；河南理工大學博士基金（B2009-32）

李延鋒（1978-），男，博士，副教授，研究方向:現(xiàn)代設計理論與方法、數(shù)字化設計與制造技術(shù)。Email:Lyf@hpu.edu.com