李 萍， 谷 波， 繆夢華

(上海交通大學(xué) 制冷與低溫工程研究所， 上海 200240)

純電動(dòng)汽車的動(dòng)力源為蓄電池，它不依靠傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力輸出，在冬季，純電動(dòng)汽車不能直接獲取內(nèi)燃機(jī)余熱為車內(nèi)提供熱量[1].若直接將熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于純電動(dòng)汽車，熱泵系統(tǒng)的耗電將直接影響純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程[2].因此，保證冬季熱舒適性以及兼顧純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程是目前需要解決的關(guān)鍵問題.相較于其他熱泵系統(tǒng)，純電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)具有運(yùn)行工況多變、傳熱空間限制大、車身振動(dòng)嚴(yán)重等特點(diǎn)[3].許多學(xué)者對純電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)性能進(jìn)行了研究[4-7],但大部分是單熱源熱泵系統(tǒng)以及混合動(dòng)力汽車熱泵系統(tǒng).文獻(xiàn)表明：在惡劣環(huán)境工況下，單熱源熱泵系統(tǒng)在冬季會(huì)出現(xiàn)制熱量不足的情況[8]，而電池和電機(jī)的散熱卻很少被利用.錢程等[9]研究了雙熱源熱泵系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明：吸收500 W廢熱后，制熱量提高了 24.16%，能效比(COP)和功率都大大提高.但文中的試驗(yàn)工況仍處于環(huán)境溫度較適中，沒有達(dá)到惡劣工況，且未對電機(jī)散熱部分進(jìn)行廢熱回收.因此分析電池和電機(jī)兩部分的廢熱回收對熱泵系統(tǒng)性能影響，以及在惡劣工況下，分析該系統(tǒng)能否較好滿足熱舒適性十分必要.

本文研究的廢熱回收型熱泵系統(tǒng)包括空氣源、電機(jī)熱源以及電池?zé)嵩?其中，電機(jī)熱源和電池?zé)嵩礊閺U熱源.試驗(yàn)中，關(guān)閉空氣熱源，僅依靠廢熱源提供熱量來觀察該系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下的性能參數(shù)和冬季熱舒適性滿足情況.

1 廢熱回收型純電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車采用蓄電池作為車的電力驅(qū)動(dòng)，沒有傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)作為空調(diào)壓縮機(jī)的動(dòng)力源，不能提供熱源，取暖動(dòng)力僅由蓄電池提供.因此，純電動(dòng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)需要兼顧制冷與制熱功能，并盡可能減少用電量，保證續(xù)航里程.為滿足以上需求，本文設(shè)計(jì)了一套帶有廢熱回收型的熱泵空調(diào)系統(tǒng).該系統(tǒng)主要基于熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在純電動(dòng)汽車原車上進(jìn)行改造，由于車型空間有限，系統(tǒng)采用單風(fēng)道系統(tǒng).該系統(tǒng)需要滿足夏季制冷、夏季電池冷卻、冬季制熱、冬季電機(jī)熱回收以及冬季除霜除霧等功能.系統(tǒng)包含3個(gè)回路，如圖1 所示，主回路為空調(diào)系統(tǒng)回路，通過四通換向閥來切換制冷以及制熱模式；分回路為電池和電機(jī)回路，采用電磁閥控制.

圖1 廢熱回收型純電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)圖Fig.1 Heat pump system with waste-heat recovery

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在根據(jù)GB/T7725-2004要求建造的環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行，如圖2所示，模擬車速設(shè)定為怠速；環(huán)境溫度設(shè)定為 -7 ℃和2 ℃；濕度控制為50%.考慮到低溫工況的特殊性，以最快達(dá)到熱舒適(即車內(nèi)溫度達(dá)到23 ℃)為目的，采用內(nèi)循環(huán)100%回風(fēng).試驗(yàn)測試的物理量有室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度、室內(nèi)溫度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和壓縮機(jī)功率；計(jì)算性能參數(shù)有制熱量和COP.低溫環(huán)境主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行制冷，風(fēng)機(jī)在電動(dòng)汽車正前方，當(dāng)艙內(nèi)溫度達(dá)到要求溫度并保持半小時(shí)后開始整車試驗(yàn).廢熱回收型純電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)主要包括空氣源熱泵回路、電機(jī)冷卻系統(tǒng)以及廢熱回收系統(tǒng).系統(tǒng)采用的制冷劑為R134a，充注量為580 g.

圖2 環(huán)境艙圖Fig.2 Environmental chamber

當(dāng)開啟冬季制熱模式時(shí)，在無熱回收模式下，電磁閥、水泵都關(guān)閉，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮的制冷劑流過四通換向閥、室內(nèi)冷凝器、干燥過濾器、室內(nèi)蒸發(fā)器側(cè)電子膨脹閥、室外蒸發(fā)器，氣液分離器回到壓縮機(jī)，從室外空氣中吸收熱量；在有熱回收模式下，電磁閥1、3、6和水泵打開，從冷凝器出來的過冷液體分流到空氣源熱泵回路和電機(jī)回路，分別經(jīng)由室內(nèi)蒸發(fā)器側(cè)電子膨脹閥和板式換熱器側(cè)電子膨脹閥的節(jié)流，流入室外蒸發(fā)器和板式換熱器中吸收熱量，再回到壓縮機(jī)中.同時(shí)，冷卻液通過循環(huán)，將模擬電機(jī)的熱源傳到板式換熱器中與制冷劑進(jìn)行熱交換.

夏季制冷時(shí)，四通閥換向，在無熱回收模式下，電磁閥、水泵都關(guān)閉，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮的制冷劑流過四通換向閥、室外冷凝器、干燥過濾器、室內(nèi)蒸發(fā)器側(cè)電子膨脹閥、室內(nèi)蒸發(fā)器、氣液分離器回到壓縮機(jī)，在室外空氣中放出熱量；在有模擬熱模式下，電磁閥2、4、5和水泵打開，從冷凝器出來的過冷液體分流到空氣源熱泵回路和電池回路，分別經(jīng)由室內(nèi)蒸發(fā)器側(cè)電子膨脹閥和板式換熱器側(cè)電子膨脹閥的節(jié)流，流入室內(nèi)蒸發(fā)器和板式換熱器中吸收熱量，再回到壓縮機(jī)中.同時(shí)，冷卻液通過循環(huán)，將電池散發(fā)的熱源傳到板式換熱器中與制冷劑進(jìn)行熱交換.

2.2 試驗(yàn)測試儀器

本次整車試驗(yàn)T型熱電偶共計(jì)69個(gè)，其中：環(huán)境溫度和室內(nèi)外換熱器管道進(jìn)出口各2個(gè)；表面進(jìn)風(fēng)溫度5個(gè)；出風(fēng)溫度5個(gè)；換熱器表面溫度各有5個(gè)；壓縮機(jī)測點(diǎn)2個(gè)；電磁閥測點(diǎn)4個(gè)；噴射器測點(diǎn)2個(gè)；四通閥測點(diǎn)4個(gè)；內(nèi)外循環(huán)進(jìn)風(fēng)溫度2個(gè)測點(diǎn)；檢測車內(nèi)達(dá)到舒適性的吹臉出風(fēng)溫度、呼吸點(diǎn)溫度和腳部點(diǎn)溫度若干；壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力布點(diǎn)2個(gè).試驗(yàn)測試設(shè)備及規(guī)格具體如表1所示.

壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率和室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可通過電腦控制，為減少熱損失，前艙內(nèi)所用的管路使用保溫層進(jìn)行絕熱.開始試驗(yàn)前，試驗(yàn)人員穿戴防護(hù)服在環(huán)境艙內(nèi)站立10～15 min，保證不將自身的熱量帶入車中.試驗(yàn)參數(shù)都設(shè)為穩(wěn)定參數(shù)，待室內(nèi)溫度到達(dá)所設(shè)溫度并穩(wěn)定一段時(shí)間后，開始記錄測點(diǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集通過Keithley2700數(shù)據(jù)采集器完成.

表1 試驗(yàn)測試設(shè)備及規(guī)格Tab.1 Experimental test equipment and specifications

3 結(jié)果與分析

3.1 電池和電機(jī)散熱分析

由于在行駛過程中，汽車會(huì)經(jīng)歷不規(guī)則的車速變化，電池的電流及溫度也會(huì)同時(shí)發(fā)生變化.基于NEDC(New European Driving Cycle，即新歐洲駕駛周期)工況數(shù)據(jù)，來觀測實(shí)際情況下純電動(dòng)汽車車速對電池散熱的影響.圖3所示為電池發(fā)熱量與車速的關(guān)系，當(dāng)處于穩(wěn)定車速時(shí)，電池發(fā)熱量與電機(jī)發(fā)熱量也處于穩(wěn)定狀態(tài).因此，電池散熱在理論上是可回收的，在一定車速下，電池與電機(jī)散熱為一相對固定值.在試驗(yàn)中，可用模擬熱代替廢熱熱值的大小.

圖3 電池散熱與車速關(guān)系Fig.3 Relationship between heat dissipation and vehicle speed

3.2 廢熱對系統(tǒng)影響分析

對壓縮轉(zhuǎn)速Ncom為2 000、3 500以及5 000 r/min時(shí)，環(huán)境溫度分別為2 ℃和 -7 ℃ 下進(jìn)行性能試驗(yàn)，電動(dòng)機(jī)廢熱以模擬熱代替.無模擬熱時(shí)，控制車速為40 km/h，空調(diào)回路開度為100%，電動(dòng)機(jī)回路關(guān)閉；模擬熱開啟時(shí)，控制空調(diào)回路開度為0，電動(dòng)機(jī)回路開度為100%，車速與模擬熱值相對應(yīng).

2 ℃時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，當(dāng)冬季制熱模式開啟，吸收廢熱后，制熱量Qcond會(huì)增加，最大達(dá) 3 797 W，壓縮機(jī)功率增加，COP增加，范圍為 1.82～2.43.加上模擬熱后出風(fēng)溫度明顯上升，最高接近50 ℃.在無模擬熱時(shí)，5 000 r/min轉(zhuǎn)速下，艙內(nèi)回風(fēng)溫度20 ℃左右；在加有1 000 W模擬熱時(shí)，艙內(nèi)回風(fēng)溫度能達(dá)到25 ℃，能很好滿足制熱需求.

當(dāng)環(huán)境溫度降到 -7 ℃后，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，吸收廢熱后，制熱量增加，最大可達(dá)到 2 407 W，壓縮機(jī)功率及COP增加，COP范圍為 1.56～2.63.加上模擬熱后出風(fēng)溫度有上升趨勢，最高可達(dá)30 ℃，艙內(nèi)回風(fēng)溫度也有上升，最高可達(dá) 13.2 ℃；加有 1 000 W的模擬熱仍難以滿足制熱需求，在極端工況下需提供額外熱源保證車內(nèi)舒適度.

圖4 2 ℃時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results at 2 ℃

圖5 -7 ℃時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results at -7 ℃

3.3 試驗(yàn)測量不確定度分析

(1)

(2)

式中：h1為壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)焓值；h2為壓縮機(jī)排氣狀態(tài)焓值；h3為冷凝器出口狀態(tài)焓值；h2為蒸發(fā)器入口狀態(tài)焓值；qmr為制冷劑流量.

進(jìn)而計(jì)算求得如表2所示的在無模擬熱的各工況下Q、W和COP的相對不確定度.

表2 不同工況下各參數(shù)的相對不確定度

Tab.2 Relative uncertainty of various parameters under different operating conditions

環(huán)境溫度/℃相對不確定度/%QWCOP20.2830.3380.496-70.2990.4670.583

4 結(jié)論

(1) 純電動(dòng)汽車電池發(fā)熱量與車速相關(guān)，當(dāng)電動(dòng)汽車改變車速時(shí)，電池發(fā)熱量會(huì)急劇增加；當(dāng)汽車處于穩(wěn)定車速時(shí)，電池的發(fā)熱量穩(wěn)定.

(2) 當(dāng)環(huán)境溫度為2 ℃時(shí)，采用廢熱回收模式，COP提高，范圍為 1.81～2.43，出風(fēng)溫度最高能達(dá)到50 ℃，能較好滿足制熱需求.

(3) 當(dāng)環(huán)境溫度為 -7 ℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)制熱量和壓縮機(jī)功率仍舊增加，COP范圍為 1.56～2.63，艙內(nèi)回風(fēng)溫度最高可達(dá) 13.2 ℃.但僅靠廢熱回收的熱量以及熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生的制熱量不能滿足車內(nèi)舒適度的要求.