吳金玉

摘 要：文章通過(guò)電動(dòng)車(chē)熱泵系統(tǒng)制冷劑充注量的臺(tái)架試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了制冷模式下，外部冷凝器的出口壓力和出口過(guò)冷度，壓縮機(jī)進(jìn)口過(guò)熱度，與制冷劑充注量的關(guān)系，得出制冷模式下的最佳充注范圍為980～1480g；制熱模式下內(nèi)部冷凝器的出口壓力和出口過(guò)冷度，壓縮機(jī)進(jìn)口過(guò)熱度與制冷劑充注量的關(guān)系，得出制冷模式下的最佳充注范圍為900～1400g，綜合考慮制冷和制熱模式下，得出系統(tǒng)的最佳充注量為1300±50g。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車(chē)；熱泵空調(diào)；充注量；外部冷凝器；內(nèi)部冷凝器；過(guò)冷度；過(guò)熱度

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.85+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）21-0040-04

Abstract： In this paper， through the bench test of the refrigerant charge of the electric vehicle heat pump system， the relationship between the outlet pressure and the outlet undercooling of the external condenser， the inlet superheat of the compressor and the refrigerant charge are verified. It is concluded that the optimum charging range in refrigeration mode is 980～1480 g， and the relationship between the outlet pressure and outlet undercooling of internal condenser， the inlet superheat of compressor and the charge of refrigerants in heating mode. It is concluded that the optimum filling range of the refrigeration mode is 900～1400 g， and the optimum charge amount of the system is 1300 ± 50 g when the refrigeration and heating modes are taken into account.

Keywords： electric vehicle； heat pump air conditioning； charge； external condenser； internal condenser； undercooling； superheat

前言

近年來(lái)，隨著新能源汽車(chē)的蓬勃發(fā)展，續(xù)航里程不足的問(wèn)題成為越來(lái)越突出的矛盾，尤其在冬季制熱的情況下，續(xù)航里程將大幅度縮短，這就成了制約電動(dòng)車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵因素。而熱泵空調(diào)是一種可以將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的空調(diào)裝置，在冬季制熱工況下COP可達(dá)2-4，能效多倍于當(dāng)今普遍使用的PTC加熱，可以有效延長(zhǎng)20%以上的續(xù)航里程，在電池技術(shù)沒(méi)有突破性進(jìn)展的前提下，熱泵空調(diào)是當(dāng)前傳統(tǒng)空調(diào)損耗續(xù)航里程問(wèn)題為數(shù)不多的有效解決方案。

本文主要針對(duì)國(guó)內(nèi)某電動(dòng)車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的充注量進(jìn)行研究，利用實(shí)車(chē)管路臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)制冷模式和制熱模式充注量進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出制冷模式和制熱模式下的最佳充注范圍，并制定出該系統(tǒng)的最佳充注量。

1 熱泵系統(tǒng)實(shí)車(chē)管路臺(tái)架試驗(yàn)樣件和設(shè)備

1.1 試驗(yàn)樣件

本文主要針對(duì)國(guó)內(nèi)某電動(dòng)車(chē)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行研究，系統(tǒng)主要由以下部件組成： （1）空調(diào)箱總成（Front HVAC），該空調(diào)箱總成集成了（2）內(nèi)部冷凝器（inner condenser），（3）高壓空氣PTC （PTC-Air），（4） 蒸發(fā)器（Cabin EVAP），（5）電子膨脹閥（EXV），（6）板式換熱器（Chiller），（7）電磁膨脹閥；（8）電動(dòng)壓縮機(jī)；（9）同軸管；（10）外部冷凝器（Condenser/EVAP）；（11）低壓熱回收換熱器模塊（LP Chiller）；（12）儲(chǔ)液罐 （receive dryer）；（13）電磁截止閥（solenoid valve）；（14）單向閥（one way valve）；（15）壓力溫度傳感器（PT sensor）；以及連接各個(gè)零部件的管路。

制冷模式系統(tǒng)的連接原理：打開(kāi)電磁截止閥SV_Cmpr_Ohex，使制冷劑從壓縮機(jī)出來(lái)后，依次進(jìn)入外部冷凝器，儲(chǔ)液罐，IHX，蒸發(fā)器，板式換熱器，再回到壓縮機(jī)。

制熱模式系統(tǒng)的連接原理：打開(kāi)電磁截止閥SV_Cmpr_Icond， SV_Ohex， 使制冷劑從壓縮機(jī)出來(lái)后，依次進(jìn)入內(nèi)部冷凝器，儲(chǔ)液罐，外部冷凝器，低壓熱回收換熱器模塊，再回到壓縮機(jī)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

該試驗(yàn)主要在汽車(chē)空調(diào)綜合性能試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)室結(jié)構(gòu)為壓縮機(jī)箱，冷凝器室，蒸發(fā)器室，和操作控制室等組成，其中冷凝器B室和蒸發(fā)器A室和蒸發(fā)器C室，分別設(shè)有制冷系統(tǒng)和加熱加濕系統(tǒng)對(duì)三個(gè)房間的環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行控制，每個(gè)房間都有風(fēng)洞為樣件提供送風(fēng)系統(tǒng)，并在相應(yīng)的位置安裝溫度和壓力傳感器采集溫度和壓力數(shù)據(jù)并傳遞至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

本實(shí)驗(yàn)主要在蒸發(fā)器C室中進(jìn)行，利用C室來(lái)進(jìn)行環(huán)境溫濕度的控制，壓縮機(jī)和電子膨脹閥，電磁閥由系統(tǒng)臺(tái)架的控制模塊獨(dú)立控制。試驗(yàn)設(shè)備的測(cè)量精度：溫度±0.5℃，壓力：±10kPa。

1.3 試驗(yàn)工況

車(chē)用熱泵空調(diào)系統(tǒng)和傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的不同之處在于制冷劑充注量的標(biāo)定有制冷和制熱兩種模式，需要對(duì)兩種模式進(jìn)行充注量的標(biāo)定對(duì)比，從而找到合適兩種模式運(yùn)行的最佳制冷充注量，試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

考慮到熱泵系統(tǒng)比較復(fù)雜，系統(tǒng)中有儲(chǔ)液罐，因此該試驗(yàn)中的系統(tǒng)充注量先預(yù)充800g制冷劑，以后每50g充注一次，每次充注后待系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 制冷模式的充注量結(jié)果分析

熱泵系統(tǒng)的制冷劑充注量對(duì)制冷模式的影響，主要是通過(guò)檢查外部冷凝器的出口壓力，外部冷凝器的出口壓力（即系統(tǒng)的高壓），壓縮機(jī)進(jìn)口的過(guò)熱度，并校核充注平臺(tái)和儲(chǔ)液罐的容量。

外部冷凝器的出口過(guò)冷度是判斷系統(tǒng)制冷劑充注量是否合適的重要依據(jù)之一，外部冷凝器的出口過(guò)冷度隨制冷劑充注量的變化曲線如圖2所示，可以看出，在試驗(yàn)開(kāi)始階段，外部冷凝器的出口過(guò)冷度基本為零，隨著充注量的不斷增加，外部冷凝器的出口過(guò)冷度依然維持在零度，這主要是由于在熱泵系統(tǒng)中使用的非過(guò)冷式冷凝器，所以在冷凝器出口的過(guò)冷度基本沒(méi)有，此時(shí)系統(tǒng)多余的制冷劑主要儲(chǔ)存在儲(chǔ)液罐中，隨著制冷充注量的增加，出口過(guò)冷度呈上升趨勢(shì)，在制冷劑充注量到達(dá)1480g時(shí)，冷凝器的出口過(guò)冷度為4℃，這說(shuō)明系統(tǒng)的儲(chǔ)液罐已滿(mǎn)，當(dāng)繼續(xù)增加制冷劑，冷凝器出口的過(guò)冷度急劇上升到10℃，說(shuō)明系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)充，這將也不利于系統(tǒng)制冷性能的發(fā)揮。因此，從外部冷凝器出口過(guò)冷度曲線可以看出，該系統(tǒng)在制冷模式下的充注量應(yīng)小于1480g。

外部冷凝器的出口壓力（系統(tǒng)的高壓）也是判斷系統(tǒng)制冷劑充注量是否合適的重要依據(jù)之一。外部冷凝器的出口壓力隨制冷劑充注量的變化曲線如圖2所示，可以看出，在試驗(yàn)開(kāi)始階段，到相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)的充注量從880g到1480g時(shí)，外部冷凝器的出口壓力基本穩(wěn)定，維持在14bar左右。隨著制冷充注量的繼續(xù)增加，外部冷凝器的出口壓力出現(xiàn)突變，系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)充，這個(gè)過(guò)冷度的表現(xiàn)是一致的，系統(tǒng)高壓急劇上升將嚴(yán)重影響系統(tǒng)制冷性能的發(fā)揮，因此，從外部冷凝器出口壓力的曲線可以看出，該系統(tǒng)在制冷模式下的充注量應(yīng)小于1480g。

壓縮機(jī)進(jìn)口過(guò)熱度也是判斷系統(tǒng)制冷劑充注量是否合適的重要依據(jù)之一。壓縮機(jī)進(jìn)口過(guò)熱度隨制冷劑充注量的變化曲線如圖2所示，在試驗(yàn)開(kāi)始階段，當(dāng)制冷劑的充注量較少時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)口的過(guò)熱度很高，過(guò)高的過(guò)熱度將使系統(tǒng)的能力下降，隨著制冷劑的增加，壓縮機(jī)進(jìn)口的過(guò)熱度逐漸降低，充注量在980g到1480g時(shí)，壓縮機(jī)的進(jìn)口過(guò)熱度表現(xiàn)平穩(wěn)，基本維持在18℃，隨著制冷劑的進(jìn)一步增加，過(guò)熱度將降低，過(guò)低的過(guò)熱度將增加壓縮機(jī)液擊的風(fēng)險(xiǎn)。因此，從壓縮機(jī)進(jìn)口過(guò)熱度的曲線可以看出，該系統(tǒng)在制冷模式下的充注量應(yīng)大于980g。

綜合外部冷凝的出口壓力，過(guò)冷度，壓縮機(jī)進(jìn)口的過(guò)熱度三種因素可以看出，該熱泵系統(tǒng)在制冷模式下的最佳充注范圍為980～1480g，充注平臺(tái)為500g。該系統(tǒng)的儲(chǔ)液罐容積為520g，該系統(tǒng)的充注平臺(tái)與儲(chǔ)液罐的容積相匹配。

2.2 制熱模式的充注量結(jié)果分析

熱泵系統(tǒng)的制冷劑充注量對(duì)制熱模式的影響，主要是通過(guò)檢查內(nèi)部冷凝器的出口過(guò)冷度，內(nèi)部冷凝器的出口壓力（即系統(tǒng)的高壓），壓縮機(jī)進(jìn)口的過(guò)熱度來(lái)確定系統(tǒng)的最佳充注量范圍。

制熱模式下，內(nèi)部冷凝器的出口壓力和出口過(guò)熱與制冷劑充注量的關(guān)系如圖3所示，和制冷模式類(lèi)似，內(nèi)部冷凝器的出口壓力和過(guò)冷度在充注量較少的時(shí)候就開(kāi)始進(jìn)入平臺(tái)期，此時(shí)，系統(tǒng)多余的制冷劑主要儲(chǔ)存在儲(chǔ)液罐中，隨著制冷劑充注量的不斷增加，當(dāng)充注量大于1400g時(shí)，內(nèi)部冷凝器的出口壓力和過(guò)冷度陡升，進(jìn)入突變階段，系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)充，不利于系統(tǒng)的運(yùn)行。因此在制熱模式下該系統(tǒng)的制冷劑充注量應(yīng)不高于1400g。

熱泵系統(tǒng)制熱模式下，整個(gè)系統(tǒng)在較低的溫度下進(jìn)行，系統(tǒng)的高低壓相對(duì)較低，這就對(duì)壓縮機(jī)提出了更高的要求，因此在制熱模式下要時(shí)刻注意壓縮機(jī)進(jìn)口的過(guò)熱度，防止壓縮機(jī)液擊。如圖3所示，壓縮機(jī)進(jìn)口的過(guò)熱度在制冷劑較少時(shí)，過(guò)熱度較低，存在液擊的風(fēng)險(xiǎn)，隨著制冷劑充注量的增加，過(guò)熱度上升，并在制冷劑量在900～1400g時(shí)，過(guò)熱度出現(xiàn)平臺(tái)期，基本維持在4℃左右，隨著制冷劑量的繼續(xù)增加，壓縮機(jī)進(jìn)口的過(guò)熱度呈下降趨勢(shì)，這將增加壓縮機(jī)液擊的風(fēng)險(xiǎn)。因此，該系統(tǒng)在制熱模式下的最佳充注量范圍為900～1400g，充注平臺(tái)為500g。

綜合制冷模式和制熱模式下，制冷劑充注量和外部冷凝器出口壓力和出口過(guò)冷度，內(nèi)部冷凝器出口壓力和出口過(guò)冷度，壓縮機(jī)進(jìn)口過(guò)熱度的相互影響關(guān)系，充分校核充注平臺(tái)和儲(chǔ)液罐的容量，把該系統(tǒng)的最佳充注量應(yīng)設(shè)定在1300±50g。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)電動(dòng)車(chē)熱泵系統(tǒng)實(shí)車(chē)臺(tái)架充注量試驗(yàn)的研究，分析了制冷劑充注量在制冷和制熱模式下對(duì)系統(tǒng)各參數(shù)的影響，確定了系統(tǒng)儲(chǔ)液罐的容積，確定了系統(tǒng)的最佳充注量為1300±50g，該數(shù)據(jù)和整車(chē)環(huán)模試驗(yàn)的充注量1350g吻合得很好，充注量與外部冷凝器，內(nèi)部冷凝器出口壓力和過(guò)冷度，壓縮機(jī)進(jìn)口的過(guò)熱度的相互影響關(guān)系與整車(chē)環(huán)模的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。實(shí)車(chē)臺(tái)架試驗(yàn)可以有效的驗(yàn)證熱泵系統(tǒng)的性能。

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