楊忠誠 蘇 林 于 榮 方奕棟 李 康 穆文杰

(上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 上海 200093)

近年來，電動汽車的銷量在全球范圍內(nèi)逐漸增加，但其銷量仍不到新車總銷量的1%[1]。根據(jù)目前市場上電動汽車的表現(xiàn)，可靠性和行駛里程是兩個主要問題。汽車空調(diào)作為保障成員舒適性及安全駕駛的必要設(shè)備，目前已經(jīng)得到廣泛的普及。作為汽車中能耗最大的輔助設(shè)備，空調(diào)的開啟會對電動汽車的續(xù)航里程造成極大的影響[2]。電動汽車采用PTC(positive temperature coefficient，正溫度系數(shù))加熱器制熱，具有改造簡單、可靠性高的優(yōu)勢[3]。但在冬季使用 PTC 取暖將會使得續(xù)航里程下降 20.1%～56.4%，而使用熱泵將明顯增加續(xù)航里程，當(dāng)熱泵效率達到1.7時，續(xù)航里程增加 7.4%～13.2%，因此在電動汽車上采用熱泵系統(tǒng)成為研究與應(yīng)用的熱點[4-5]。

電動汽車的熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要用于制冷、供暖、通風(fēng)、擋風(fēng)玻璃的除霜、除霧和車外換熱器除霜等[6]。在不同環(huán)境溫度下，使用熱泵替代PTC，可節(jié)省17%～52%的能耗[7]。李麗等[8]設(shè)計了一款蒸氣壓縮式熱泵空調(diào)系統(tǒng)用于電動汽車，通過四通閥的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)制冷和制熱模式的切換，分別在環(huán)境溫度為35 ℃和-15 ℃下進行了實驗測試，測得系統(tǒng)的制冷量和制熱量分別為2.95 kW和2.63 kW。Qin Fei等[9]設(shè)計了一款三換熱器蒸氣壓縮式熱泵系統(tǒng)，研究了其在低溫環(huán)境下的制熱性能表現(xiàn)?；谲噧?nèi)擋風(fēng)玻璃水汽凝結(jié)除霧的需求，在全新風(fēng)和-20、-15、-10 ℃三種低溫工況條件下進行了測試，結(jié)果表明，在環(huán)境溫度-20 ℃工況下，COP最高超過了1.7。

電動汽車上應(yīng)用熱泵系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢，越來越多的學(xué)者對影響電動汽車熱泵系統(tǒng)性能的因素進行了研究。J. M. Saiz Jabardo等[10]研究了工質(zhì)充注量對R134a空調(diào)系統(tǒng)的流量、換熱量和COP的影響，指出系統(tǒng)存在最佳的工質(zhì)充注量。Tian Changqing等[11]通過建立穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，研究了壓縮機轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度和進風(fēng)量對R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能影響，結(jié)果表明較高的壓縮機轉(zhuǎn)速、較高的環(huán)境溫度和較大的進風(fēng)量能更好的發(fā)揮熱泵的性能。張耘等[12]研究了R134a/R32混合制冷劑對電動汽車空調(diào)系統(tǒng)制熱性能的影響, 結(jié)果表明,相對于R134a系統(tǒng),混合制冷劑空調(diào)系統(tǒng)制熱量增加約14.0%～17.1%,COP提升4.3%～14.0%。武衛(wèi)東等[13]研究了壓縮機轉(zhuǎn)速對電動汽車熱泵空調(diào)的制冷性能的影響，結(jié)果表明較，高轉(zhuǎn)速雖然能達到較快降溫的效果，但不利于整體能效的提高。華若秋等[14]研究了EXV開度對純電動汽車熱泵空調(diào)性能的影響，結(jié)果表明，冷凝器出口過冷度較大時,通過改變EXV開度可有效調(diào)節(jié)熱泵出風(fēng)溫度,且在開度較小時增大EXV開度有利于獲得較高的COP。

綜上所述，電動汽車使用熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比于PTC加熱器具有提高續(xù)航里程的優(yōu)勢，但熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱性能受到多種因素影響，因此本文通過實驗研究了壓縮機轉(zhuǎn)速、HVAC總成進風(fēng)量以及環(huán)境溫度對熱泵系統(tǒng)性能的具體影響，并對電動汽車開啟空調(diào)系統(tǒng)后的續(xù)航里程進行了估算，對熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比于PTC加熱器對于電動汽車續(xù)航里程的影響進行具體分析。

1 實驗裝置和方法

本文設(shè)計的熱泵系統(tǒng)為三換熱器熱泵系統(tǒng)，包括一個電動渦旋壓縮機、三個微通道換熱器、一個電子膨脹閥、一個帶截止功能的熱力膨脹閥、一個氣液分離器、兩個電磁閥和兩個質(zhì)量流量計。各部件的具體參數(shù)如表1所示。該系統(tǒng)實驗在汽車空調(diào)焓差室中進行，焓差室由室內(nèi)和室外兩部分構(gòu)成，通過獨立的環(huán)境控制系統(tǒng)來控制室內(nèi)換熱器和室外換熱器的入口參數(shù)。系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)具有冷卻和加熱的基本功能，通過切換兩個電磁閥(SV1和SV2)的通斷來改變制冷劑流向，調(diào)整電子膨脹閥(EXV)與熱力膨脹閥(TXV)狀態(tài)來保證制冷制熱回路的正常工作。在制冷模式時，打開SV1，關(guān)閉SV2。制冷劑從壓縮機進入室外換熱器，再通過TXV進入室內(nèi)蒸發(fā)器。熱空氣在室內(nèi)蒸發(fā)器中被冷卻，被冷卻后的氣體流向乘員艙內(nèi)，達到冷卻乘員艙的目的。在制熱模式時，打開SV2，關(guān)閉SV1，同時，完全關(guān)閉TXV。制冷劑從壓縮機排出后進入室內(nèi)冷凝器，冷空氣通過室內(nèi)冷凝器表面與高溫制冷劑完成換熱，形成一個溫暖的客艙。然后制冷劑通過質(zhì)量流量計m2、EXV、室外換熱器和氣液分離器，再返回壓縮機。該系統(tǒng)中仍然使用R134a作為制冷劑。

表1 系統(tǒng)部件規(guī)格

圖1 空氣源熱泵系統(tǒng)實驗裝置

本次實驗系統(tǒng)運行制熱模式，實驗時，打開SV2，關(guān)閉SV1，完全關(guān)閉TXV。圖1中壓縮機出口至電子膨脹閥進口的管道內(nèi)流動高壓制冷劑，電子膨脹閥出口至壓縮機進口的管道內(nèi)流動低壓制冷劑。箭頭指向代表制冷劑流動方向，虛線代表管路中無制冷劑流過。實驗工況如表2所示。

表2 實驗工況

實驗過程中，在壓縮機、室內(nèi)冷凝器、室外換熱器的制冷劑側(cè)布置壓力傳感器和熱電偶溫度計，用于測量制冷劑的溫度和壓力，采用功率計測量壓縮機功耗，采用質(zhì)量流量計測量制冷劑質(zhì)量流量。測量裝置精度如表3所示。

表3 測量裝置精度

2 實驗結(jié)果分析

2.1 壓縮機轉(zhuǎn)速及進風(fēng)量對制熱性能影響

圖2和圖3所示為在環(huán)境溫度為-10 ℃時該熱泵系統(tǒng)壓縮機吸/排氣溫度和吸/排氣壓力隨壓縮機轉(zhuǎn)速的變化。由圖2和圖3可知，隨著壓縮機轉(zhuǎn)速增加，壓縮機的吸氣壓力和吸氣溫度均降低，壓縮機排氣溫度和排氣壓力逐漸上升。且壓縮機轉(zhuǎn)速對壓縮機的排氣壓力和排氣溫度的影響很大，對壓縮機的吸氣溫度和壓力影響較小。壓縮機轉(zhuǎn)速增加每1 000 r/min,排氣溫度升高11.8～25.1 ℃，排氣壓力升高0.065～0.166 MPa。這是因為壓縮機的排量隨轉(zhuǎn)速逐漸增加，且在高轉(zhuǎn)速運行時，壓縮效率較高，壓比較大，導(dǎo)致排氣溫度較高[15]。壓縮機轉(zhuǎn)速達到4 000 r/min之后，壓縮機排氣溫度上升速度降低，這是由于壓縮機的控制保護傳感系統(tǒng)發(fā)揮作用，及時將壓縮機的工作強度降低，避免壓縮機排氣溫度過高，保護壓縮機。壓縮機在低轉(zhuǎn)速時，HVAC總成進風(fēng)量從300 m3/h增至400 m3/h，壓縮機吸/排氣溫度和壓力變化較小。壓縮機轉(zhuǎn)速達到5 000 r/min，HVAC總成進風(fēng)量從300 m3/h增至400 m3/h，壓縮機排氣溫度升高約5.6 ℃，吸氣溫度和吸排氣壓力變化較小，總體變化趨勢均很小，這說明HVAC總成進風(fēng)量對壓縮機吸排氣溫度和壓力影響較小。

圖2 不同進風(fēng)量下，壓縮機吸/排氣溫度隨壓縮機轉(zhuǎn)速的變化

圖3 不同進風(fēng)量下，壓縮機吸/排氣壓力隨壓縮機轉(zhuǎn)速的變化

圖4和圖5所示為該熱泵系統(tǒng)在環(huán)境溫度為-10 ℃下的制熱量和COP隨壓縮機轉(zhuǎn)速的變化。由圖4和圖5可知，隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的增加，制熱量不斷增加，COP卻不斷下降。這是因為隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的增加，壓縮機的功耗也隨之增大。壓縮機轉(zhuǎn)速每增加1 000 r/min,制熱量增加4.8%～22.0%，COP降低0.06～1.48。從變化幅度分析，當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速從2 000 r/min增至3 000 r/min時，COP降幅最大，這是因為在低轉(zhuǎn)速下，壓縮機功耗過低，系統(tǒng)不匹配導(dǎo)致即使在換熱量不高的條件下，COP達到很高，隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的增加，COP降幅越來越小。保持壓縮機轉(zhuǎn)速不變，HVAC總成進風(fēng)量從300 m3/h增至400 m3/h，制熱量增加約13.3%～26.0%，COP增加約0.03～0.80。這是因為此時壓縮機轉(zhuǎn)速不變，HVAC總成進風(fēng)量的增加導(dǎo)致對流換熱加強，制熱量隨之增加，此時壓縮機耗功變化不明顯，導(dǎo)致COP增加。

圖4 不同進風(fēng)量下，制熱量隨壓縮機轉(zhuǎn)速的變化

圖5 不同進風(fēng)量下，COP隨壓縮機轉(zhuǎn)速的變化

2.2 環(huán)境溫度對制熱性能影響

圖6所示為在壓縮機轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時，壓縮機吸/排氣溫度隨環(huán)境溫度的變化。由圖6可知，隨著環(huán)境溫度的增加，不同HVAC總成進風(fēng)量下的壓縮機吸/排氣溫度均逐漸升高。環(huán)境溫度從-10 ℃升至0 ℃，三檔HVAC總成進風(fēng)量下的壓縮機排氣溫度分別增加29.9、24.8、21.2 ℃，壓縮機吸氣溫度分別增加13.9、13.1、17.3 ℃。維持環(huán)境溫度不變，HVAC總成進風(fēng)量與壓縮機吸/排氣溫度沒有明顯變化，說明壓縮機吸/排氣溫度受HVAC總成進風(fēng)量影響較小。

圖6 不同進風(fēng)量下，壓縮機吸/排氣溫度隨環(huán)境溫度的變化

圖7所示為壓縮機吸/排氣壓力隨環(huán)境溫度的變化。隨著環(huán)境溫度的增加，壓縮機吸氣壓力逐漸升高，排氣壓力總體呈增加趨勢，但當(dāng)溫度從-10 ℃增至-7 ℃時，排氣壓力變化較小，當(dāng)HVAC總成進風(fēng)量為300 m3/h時，排氣壓力甚至出現(xiàn)降低，這可能是由于數(shù)據(jù)采取誤差造成的。

圖7 不同進風(fēng)量下，壓縮機吸/排氣壓力隨環(huán)境溫度的變化

圖8和圖9所示分別為在壓縮機轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時，該熱泵系統(tǒng)的制熱量和COP隨環(huán)境溫度的變化。由圖8和圖9可知，隨著環(huán)境溫度從-10 ℃升至0 ℃，制熱量和COP總體呈增加趨勢。環(huán)境溫度上升10 ℃，HVAC總成進風(fēng)量不變，制熱量增加60.9%～71.0%，COP增加0.28～0.54。圖9中，當(dāng)環(huán)境溫度從-7 ℃降至-10 ℃時，COP降幅最大，這是因為當(dāng)環(huán)境溫度低于-7 ℃后，蒸發(fā)器的吸熱量下降明顯加快，而此時壓縮機功耗變化不明顯，因此在熱泵系統(tǒng)的制熱量中蒸發(fā)器吸熱所占比例開始減少，而壓縮機功耗占比增加[16]。在HVAC總成進風(fēng)量為300 m3/h和350 m3/h時，隨著環(huán)境溫度的升高，COP出現(xiàn)小幅降低，這是可能是因為實際實驗過程中，壓縮機轉(zhuǎn)速達到5 000 r/min時，壓縮機在高轉(zhuǎn)速下性能不穩(wěn)定或數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致壓縮機功耗數(shù)值偏高。

圖8 不同進風(fēng)量下，制熱量隨環(huán)境溫度的變化

圖9 不同進風(fēng)量下，COP隨環(huán)境溫度的變化

2.3 續(xù)航里程估算對比

為驗證熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比于PTC加熱對于續(xù)航里程的提升效果，計算對比在達到相同制熱量條件下，熱泵系統(tǒng)和PTC各自對續(xù)航里程的影響。選取實驗工況為壓縮機轉(zhuǎn)速5 000 r/min，HVAC總成進風(fēng)量350 m3/h時的制熱量，作為PTC加熱器所需要達到的標(biāo)準(zhǔn)功耗，設(shè)PTC加熱器的加熱效率為0.95。在-10～0 ℃的環(huán)境溫度下，空調(diào)功耗如表4所示，其中壓縮機功耗和開啟PTC加熱器的電耗作為最后計算的空調(diào)能耗。

表4 不同環(huán)境溫度下的空調(diào)功耗

電動汽車相對續(xù)航里程計算式[17]:

(1)

式中：Rrang為相對續(xù)航里程；Wd為汽車能耗，kW；WAC為空調(diào)能耗,kW。為對電動汽車使用空調(diào)系統(tǒng)后的續(xù)航里程進行估算，假設(shè)：電動汽車的電池能量只供給空調(diào)和驅(qū)動汽車；電池能量驅(qū)動汽車行駛效率為1；電動汽車始終勻速行駛，電動汽車空調(diào)始終處于穩(wěn)態(tài)。根據(jù)式(1)推導(dǎo)出估算具體續(xù)航里程式：

(2)

式中：R1為開啟空調(diào)后的續(xù)航里程，km;Ah為電池容量，kW·h；v為行駛速度，km/h；R為汽車不開啟空調(diào)時的續(xù)航里程,km。

對市場上的電動汽車進行調(diào)查，選取一款電池容量為47.5 kW·h的電動汽車，續(xù)航里程達300 km。根據(jù)NEDC(new European driving cycle,新歐洲標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán))測試工況下車速與時間的關(guān)系，理論實驗距離為11.02 km，時間為19 min，如圖10所示[18]，因此平均車速選取為34.8 km/h。

圖10 NEDC測試工況車速-時間關(guān)系圖

根據(jù)式(2)和表4，估算出在滿足同樣制熱量條件下，該款電動汽車開啟空調(diào)系統(tǒng)后的續(xù)航里程，采用該熱泵空調(diào)系統(tǒng)和采用PTC加熱器后該車的續(xù)航里程對比結(jié)果如圖11所示。

圖11 續(xù)航里程對比

由計算結(jié)果可知，開啟空調(diào)使電動汽車的續(xù)航里程明顯減小。在制熱量相同的情況下，使用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的續(xù)航里程高于使用PTC加熱器。在制熱量相同的條件下，熱泵空調(diào)系統(tǒng)可在PTC加熱器的基礎(chǔ)上，使續(xù)航里程提高13.5%～20.8%。

3 結(jié)論

本文基于設(shè)計的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在焓差室內(nèi)搭建了實驗臺，對電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在室外環(huán)境溫度為-10～0 ℃工況下的制熱性能進行了全新風(fēng)實驗研究。測量了制熱循環(huán)中壓力、溫度和換熱量的變化。并分析了壓縮機轉(zhuǎn)速、HVAC總成進風(fēng)量和環(huán)境溫度對熱泵系統(tǒng)制熱性能的影響,最后推導(dǎo)估算電動汽車開啟空調(diào)后續(xù)航里程公式，對比達到相同制熱量條件下，熱泵系統(tǒng)相比于PTC加熱器對于續(xù)航里程的提升。得到如下結(jié)論：

1)壓縮機轉(zhuǎn)速對熱泵系統(tǒng)性能影響較大。壓縮機轉(zhuǎn)速每增加1 000 r/min,制熱量增加4.8%～22.0%，COP降低0.06～1.48，排氣溫度升高11.8～25.1 ℃，排氣壓力升高0.065～0.166 MPa。

2)較大的HVAC總成進風(fēng)量可顯著提升熱泵系統(tǒng)性能。在壓縮機轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度不變的情況下，HVAC總成進風(fēng)量從300 m3/h增至400 m3/h，制熱量增加約13.3%～26.0%，COP增加約0.03～0.80。

3)較高的環(huán)境溫度能更好發(fā)揮熱泵系統(tǒng)性能。環(huán)境溫度從-10 ℃升至0 ℃，在HVAC總成進風(fēng)量不變的情況下，制熱量增加60.9%～71.0%，COP增加0.28～0.54。

4)在達到相同制熱量條件下，使用該熱泵空調(diào)系統(tǒng)，可在PTC加熱器的基礎(chǔ)上使續(xù)航里程提高13.5%～20.8%。