谷曉陽，蘇林，李康，穆文杰，楊忠誠(chéng)

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

0 引言

隨著各國(guó)環(huán)保要求的提高以及新能源汽車行業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，汽車從傳統(tǒng)燃油汽車朝新能源方向發(fā)展已是大勢(shì)所趨[1]。相比于燃油車冬季可利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱提供乘員艙足夠的熱量，純電動(dòng)車的可利用余熱較少，不足以支持冬季乘員艙的熱舒適性要求，采用高壓PTC（Positive Temperature Coefficient）電加熱的方式被各大車企作為主要解決方案，但高壓電加熱雖然有著升溫速率快及簡(jiǎn)易控制的特點(diǎn)，卻存在著制熱效率低、能源消耗大的缺點(diǎn)，大幅縮短了汽車的續(xù)航里程[2]。近年來，高效節(jié)能的熱泵系統(tǒng)開始逐漸取代PTC 加熱器成為電動(dòng)汽車冬季供暖的主要手段，電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷和制熱的研究越來越受到人們的重視[3]。彭發(fā)展等[4]研究了環(huán)境溫度對(duì)電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，環(huán)境溫度越高，系統(tǒng)的COP（Coefficient of performance）越大；武衛(wèi)東等[5]研究了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)新能源汽車制冷性能的影響。結(jié)果表明，較高的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速能使汽車達(dá)到快速降溫的效果，但不利于整體能效提高；華若秋等[6]研究了EXV（Electric Expansion Valve）開度對(duì)電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，冷凝器出口過冷度過大時(shí)，調(diào)節(jié)EXV 開度能有效調(diào)節(jié)熱泵系統(tǒng)出風(fēng)溫度，且在開度較小時(shí)，增大EXV 開度能有效增大系統(tǒng)的COP。目前，關(guān)于汽車熱泵系統(tǒng)冬季制熱性能的研究很多[7-15]，但側(cè)重于影響乘員艙升溫特性的因素及其大小的研究卻很少。純電動(dòng)汽車冬季乘員艙升溫特性的研究，不僅對(duì)構(gòu)建節(jié)能、舒適、安全的汽車乘坐環(huán)境具有深遠(yuǎn)意義，而且是提高整車的能源利用率、實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行科學(xué)高效熱管理的迫切需要[16]。

目前電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)可采用兩換熱器四通換向閥結(jié)構(gòu)，也可采用三換熱器結(jié)構(gòu)?？紤]到可靠性和成本等因素，電動(dòng)汽車上應(yīng)用四通換向閥尚未大規(guī)模推廣，而三換熱器占用體積較大[17]。本課題組設(shè)計(jì)了一套四電磁閥兩換熱器熱泵空調(diào)系統(tǒng)[18]，并且通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)，研究了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開度以及環(huán)境溫度對(duì)乘員艙升溫性能（熱泵系統(tǒng)初始出風(fēng)溫度、乘員艙升溫速率、乘員艙所能達(dá)到的最高溫度）的具體影響。本文可為電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)的舒適性研究提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的新型電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)為兩換熱器熱泵系統(tǒng)，包括1 個(gè)電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)、2個(gè)微通道換熱器、1 個(gè)電子膨脹閥、1 個(gè)熱力膨脹閥、1 個(gè)單向閥、1 個(gè)氣液分離器和4 個(gè)電磁閥。系統(tǒng)原理如圖1 所示，各部件的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 熱泵系統(tǒng)零部件規(guī)格Tab.1 Specifications of heat pump system components

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System schematic diagram

系統(tǒng)具有制冷和制熱2 種模式，通過切換4 個(gè)電磁閥的通斷來進(jìn)行模式的切換。在制冷模式時(shí)，打開電磁閥1 和4，關(guān)閉電磁閥2 和3，制冷劑從壓縮機(jī)排出后進(jìn)入室外換熱器放熱，在經(jīng)過熱力膨脹閥后進(jìn)入室內(nèi)換熱器進(jìn)行吸熱；在制熱模式時(shí)，打開電磁閥2 和3，關(guān)閉電磁閥1 和4，制冷劑從壓縮機(jī)排出后進(jìn)入室內(nèi)換熱器進(jìn)行放熱，然后經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流后進(jìn)入室外換熱器吸熱。該系統(tǒng)使用R134a 制冷劑。

1.2 測(cè)試工況

本實(shí)驗(yàn)在實(shí)車中進(jìn)行，利用低溫環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)艙控制汽車室外側(cè)環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度及迎面風(fēng)速。環(huán)模室可控溫度范圍區(qū)間為-10～60 ℃，溫度控制精度±0.2 ℃。實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試實(shí)物圖Fig.2 Physical image of experimental test

本次試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行制熱模式。通過充注量試驗(yàn)選擇制冷劑最佳充注量700 g。在汽車熱泵系統(tǒng)啟動(dòng)前，汽車需在環(huán)境模擬艙達(dá)到試驗(yàn)工況條件下穩(wěn)定2 h，待乘員艙內(nèi)溫度變化率不大于0.1 ℃/min時(shí)，駕駛?cè)诉M(jìn)入車內(nèi)關(guān)閉車門、車窗后開始試驗(yàn)?？照{(diào)系統(tǒng)運(yùn)行全熱、內(nèi)循環(huán)模式。實(shí)驗(yàn)工況如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)工況Tab.2 Experimental conditions

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

實(shí)驗(yàn)中在壓縮機(jī)、室內(nèi)換熱器、室外換熱器進(jìn)出口布置溫度壓力傳感器，用于測(cè)量制冷劑側(cè)的溫度和壓力。在乘員艙主駕頭部、腳部，副駕頭部、腳部以及吹面出風(fēng)口位置布置熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。在空調(diào)系統(tǒng)啟動(dòng)2 min，待壓縮機(jī)穩(wěn)定后開始計(jì)時(shí)，采集第一組數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。之后每隔2 min 記錄一組數(shù)據(jù)，自第10 min 開始每5 min 記錄一次，直到乘員艙內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。數(shù)據(jù)的采集主要由壓力傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀完成。裝置精度表如表3 所示。

表3 測(cè)量裝置精度Tab.3 Measuring device accuracy

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)乘員艙溫升性能的影響

圖3 為環(huán)境溫度為3 ℃，閥開度100%時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000，2 000，4 000 r/min 時(shí)，乘員艙內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線圖。由圖3 可知，不同轉(zhuǎn)速下乘員艙內(nèi)的升溫速率在熱泵系統(tǒng)運(yùn)行初期達(dá)到最大，隨后逐漸降低，直至乘員艙內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。升溫速率主要由熱泵系統(tǒng)的瞬態(tài)制熱量和維持車內(nèi)溫度恒定所需的瞬時(shí)熱負(fù)荷決定。當(dāng)熱泵系統(tǒng)的制熱量遠(yuǎn)大于車內(nèi)所需的熱負(fù)荷時(shí)，車內(nèi)的溫度將迅速上升，直至熱泵系統(tǒng)的制熱量與車內(nèi)所需熱負(fù)荷相等，達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)車內(nèi)溫度達(dá)到最高且保持穩(wěn)定。在熱泵系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，乘員艙溫度與外界溫度基本一致，此時(shí)乘員艙內(nèi)所需熱負(fù)荷最小。隨著乘員艙內(nèi)溫度的上升，乘員艙內(nèi)外的溫差增大，乘員艙內(nèi)所需熱負(fù)荷也逐漸增大，直到乘員艙內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，熱負(fù)荷也達(dá)到最高。而熱泵系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)，由于乘員艙內(nèi)外的溫度一致，室內(nèi)冷凝器與空氣之間有較大的換熱溫差故而有較大的制熱量[11]。隨著乘員艙內(nèi)溫度上升，熱泵系統(tǒng)冷熱源溫差變大，熱泵系統(tǒng)制熱量也逐漸衰減，直至乘員艙內(nèi)溫度穩(wěn)定。因此乘員艙內(nèi)升溫速率在熱泵系統(tǒng)啟動(dòng)初期達(dá)到最高，隨后逐漸減小，直至乘員艙內(nèi)溫度平衡。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下乘員艙內(nèi)溫度變化趨勢(shì)Fig.3 Temperature change trend in passenger compartment at different speeds

由圖3 可見，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越高，各測(cè)點(diǎn)升溫效果越好。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min 時(shí)，熱泵系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)出風(fēng)溫度達(dá)到最高，此時(shí)的乘員艙內(nèi)升溫最快。這是因?yàn)閴嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速提高，導(dǎo)致排氣壓力升高，使得冷凝溫度升高，增大了冷凝器與空氣的換熱溫差，同時(shí)制冷劑流量變大，增加了換熱量，從而使乘員艙溫度迅速上升。

從圖3 還可以看出，乘員艙不同位置溫度趨于穩(wěn)定時(shí)存在著差異，這主要是由于出風(fēng)口位置及各出風(fēng)口風(fēng)量不同導(dǎo)致的，但乘員艙不同位置升溫速率呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min 時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的最高升溫速率達(dá)到1.99 ℃/min，并且在此工況下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速每提高1 000 r/min，乘員艙內(nèi)最大升溫速率提高約0.68 ℃/min。隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，壓縮機(jī)耗功也會(huì)急劇增加，且其增量遠(yuǎn)大于為系統(tǒng)所增加的制熱量，因此壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提高導(dǎo)致系統(tǒng)COP 降低[19]。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在滿足乘員艙內(nèi)舒適度的條件下，降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖4 所示為不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下膨脹閥開度100%時(shí)壓縮機(jī)吸排氣壓力隨時(shí)間的變化。由圖可知，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)排氣壓力有顯著的影響。當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由1 000 r/min 提升至4 000 r/min 時(shí)，壓縮機(jī)排氣壓力由406.9 kPa 提升至835.7 kPa。而轉(zhuǎn)速的提升對(duì)吸氣壓力影響較小，這主要是因?yàn)殡S著渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，其效率和壓比逐漸增加，導(dǎo)致排氣壓力升高，并且隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，汽車乘員艙內(nèi)能達(dá)到更高的溫度，在此內(nèi)循環(huán)模式時(shí)使得冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度上升，從而提高了系統(tǒng)高壓壓力，使得壓縮機(jī)排氣壓力進(jìn)一步提高。因此壓縮機(jī)排氣壓力受轉(zhuǎn)速影響巨大。而室外蒸發(fā)器由于持續(xù)與室外恒溫新風(fēng)進(jìn)行熱交換，故而低壓側(cè)壓力幾乎不受壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。

圖4 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)吸排氣壓力的影響Fig.4 Influence of compressor speed on suction and discharge pressure

2.2 閥開度對(duì)乘員艙溫升性能的影響

圖6 為室外溫度0℃、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速4 000 r/min時(shí)，電子膨脹閥開度分別為100%、80%、60%時(shí)乘員艙各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線圖。由圖6 可知，在閥開度為80%時(shí)，乘員艙各測(cè)點(diǎn)溫度在穩(wěn)定時(shí)達(dá)到最高。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速不變時(shí)，閥開度過大會(huì)使冷凝壓力降低，導(dǎo)致冷凝溫度降低，使得冷凝器換熱溫差減小，制熱量變小。而閥開度過小，系統(tǒng)中制冷劑循環(huán)流量變小，也會(huì)使系統(tǒng)的制熱量衰減，各測(cè)點(diǎn)溫度變低。因此系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中存在最佳閥開度使得系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)具有最大的制熱量。

圖6 不同閥開度下乘員艙內(nèi)溫度變化趨勢(shì)Fig.6 Temperature change trend in passenger compartment under different valve openings

如圖5 所示，壓縮機(jī)吸排氣溫度在不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下與吸排氣壓力表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，壓縮機(jī)排氣溫度受轉(zhuǎn)速的影響更大，吸氣溫度幾乎不受轉(zhuǎn)速影響。吸氣壓力和風(fēng)側(cè)條件基本不變時(shí)，吸氣溫度變化較小。吸氣壓力和溫度變化較小時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越高，壓比越大，排氣壓力與排氣溫度越高。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速每增加1 000 r/min，排氣溫度上升約20 ℃。

圖5 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)吸排氣溫度的影響Fig.5 Influence of compressor speed on suction and discharge temperature

此外，由圖6 可見，在熱泵系統(tǒng)運(yùn)行6 min 內(nèi)，閥開度在60%下使乘員艙內(nèi)溫度更高，在6 min 之后80%的閥開度帶給熱泵系統(tǒng)的最大制熱量效果才開始顯現(xiàn)，各測(cè)點(diǎn)的溫度逐漸反超。這是因?yàn)樵谙到y(tǒng)運(yùn)行初期，室內(nèi)冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度低，小的閥開度更有助于冷凝壓力的升高，冷凝器換熱量也相應(yīng)更大。隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間增加，冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度上升，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑流量限制了冷凝器換熱量的增大，導(dǎo)致了制熱量相對(duì)變小。此時(shí)，更大的閥開度有助于增大換熱量。這說明熱泵系統(tǒng)在相對(duì)小的閥開度下具有更好的冷啟動(dòng)性能，而乘員艙內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的最高溫度則需要更大的閥開度獲得。

圖7 為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min 時(shí)，不同閥開度下冷凝器出口過冷度的變化趨勢(shì)。由圖可知，閥開度越小，冷凝器出口的過冷度越大。這是因?yàn)檩^小的閥開度會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)制冷劑流量減小，空氣側(cè)的條件基本不變，充分的換熱使得冷凝器出口有較大的過冷度。此外，由圖中可以看出，過冷度在系統(tǒng)啟動(dòng)初期出現(xiàn)了劇烈變化，這是系統(tǒng)高低壓的波動(dòng)造成的，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，過冷度趨于平穩(wěn)且與閥開度之間呈現(xiàn)出線性相關(guān)的變化關(guān)系。

圖7 不同閥開度下冷凝器出口過冷度的變化Fig.7 Change of condenser outlet subcooling under different valve openings

圖8 為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，不同閥開度下壓縮機(jī)壓比的變化趨勢(shì)。由圖中可以看出，在系統(tǒng)啟動(dòng)初期，不同閥開度下壓縮機(jī)壓比有較大的差異，其原因是系統(tǒng)運(yùn)行初期較小的閥開度具有更強(qiáng)的節(jié)流壓降效果，因此導(dǎo)致了高低壓側(cè)有較大的壓差，使壓縮機(jī)出現(xiàn)了更大的壓比。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，不同閥開度下的壓縮機(jī)壓比趨于一致。這是因?yàn)殡S著系統(tǒng)的運(yùn)行，乘員艙內(nèi)溫度逐漸上升，系統(tǒng)冷熱源溫度逐漸拉開，冷熱源溫度逐漸成為決定系統(tǒng)壓力的主要因素，此時(shí)系統(tǒng)高低壓側(cè)壓力受電子膨脹閥開度的影響很小，導(dǎo)致壓縮機(jī)壓比趨于相同。

圖8 不同閥開度下壓縮機(jī)壓比的變化Fig.8 Changes of compressor pressure ratio under different valve openings

2.3 環(huán)境溫度對(duì)乘員艙溫升性能的影響

圖9 為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，閥開度為100%條件下，室外溫度分別為3 ℃、0 ℃、-7 ℃時(shí)乘員艙各測(cè)點(diǎn)的溫升圖。從圖中可以看出，隨著環(huán)境溫度的降低，乘員艙內(nèi)的升溫減緩。假定人體舒適溫度為23 ℃[16]，在環(huán)境溫度為3 ℃時(shí)，出風(fēng)口溫度達(dá)到23 ℃僅需要3 min。而環(huán)境溫度在0 ℃時(shí)，出風(fēng)口溫度達(dá)到23 ℃時(shí)則需8 min，耗時(shí)增加166.7%。并且環(huán)境溫度越低，乘員艙內(nèi)能到達(dá)的最高溫度也越隨之衰減。相比于3℃，室外環(huán)境在0℃時(shí)，吹面出風(fēng)溫度在穩(wěn)定時(shí)降低23.3%。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度越低，乘員艙內(nèi)的熱負(fù)荷就越大，造成了熱泵制熱對(duì)乘員艙內(nèi)的溫升效果變差。此外，從圖9 可以看出，在室外環(huán)境溫度為 -7 ℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)不足以滿足乘員艙內(nèi)的熱舒適度要求，這說明熱泵系統(tǒng)在低溫下存在著制熱量不足的問題，需要添加PTC輔助加熱[20]，以滿足乘員艙的熱舒適度。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可把室外環(huán)境溫度0℃作為開啟PTC 加熱的臨界溫度。

圖9 不同環(huán)境溫度下乘員艙內(nèi)溫度變化趨勢(shì)Fig.9 Temperature change trend in passenger compartment under different ambient temperature

3 結(jié)論

本文通過對(duì)實(shí)車進(jìn)行冬季環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同條件下電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)的瞬態(tài)性能以及乘員艙內(nèi)的溫升特性進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

（1）壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速是影響乘員艙溫升速率的主要因素。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越高，乘員艙內(nèi)溫升越快，在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min 時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的最大溫升速率達(dá)到1.99 ℃/min。在此工況下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速每提高1 000 r/min，乘員艙內(nèi)最大溫升速率提高約0.68 ℃/min。

（2）壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，熱泵系統(tǒng)在60%閥開度下具有更好的冷啟動(dòng)性能，在系統(tǒng)運(yùn)行6 min內(nèi)乘員艙升溫更快。但是，乘員艙內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的最高溫度需要80%的閥開度獲得。

（3）在室外環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，空調(diào)箱吹面出風(fēng)溫度經(jīng)8 min 上升至23℃，相比于室外環(huán)境3℃時(shí)，所需時(shí)間延長(zhǎng)166.7%，最高溫度衰減23.3%。經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)無法滿足乘員艙內(nèi)的供熱需求，需開啟PTC 進(jìn)行輔助加熱。