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EV/PHEV車輛制冷、制熱、除濕和除霜同時成立的高效熱泵系統(tǒng)

2020-04-13 20:20:02·  來源：電動學堂  
　
文章來源：《EV/PHEV車輛制冷、制熱、除濕和除霜同時成立的高效熱泵系統(tǒng)》引言目前，車輛的燃料消耗總量約占全國的55%。在每年增長的石油消耗量中，幾乎70%以上
文章來源：《EV/PHEV車輛制冷、制熱、除濕和除霜同時成立的高效熱泵系統(tǒng)》
 
引言
目前，車輛的燃料消耗總量約占全國的55%。在每年增長的石油消耗量中，幾乎70%以上被新增車輛所消耗。為此從法規(guī)上強化了節(jié)能環(huán)保車的要求，從而促進了對新能源汽車的需求。預計到2020年中國新能源車市需求將達到車輛總需求量的30%，2025年將達到總需求量的40%左右。作為國家戰(zhàn)略的一部分，在《中國制造2025》中也制定了新能源車目標，即在節(jié)能車輛市場中，2020年國產(chǎn)節(jié)能車輛將達到40%，2025年將達到50%，2030年將達到60%。新能源車市場2020年將新增5%以上（約200萬臺），2025年新增20%左右，2030年有可能超過1000萬臺。
 
車輛生產(chǎn)廠也因此加速開發(fā)各種類型的新能源汽車，如混合動力汽車、插電式混合動力車、電動汽車等。圖1是這些車輛空調的要求事項以及所適用的技術。
在冬季，PHEV車的空調制熱可以利用發(fā)動機冷卻液獲取熱量或者利用汽車電能未獲取熱能，但是發(fā)動機效率提高后，冷卻液溫度降低，由此導致的降低的熱量必須由消耗電能來補充，因此會減少車輛實際行駛距離。在EV車上，因為空調制熱只能由電能轉換而來，所以這個問題尤其突出。冬季制熱功耗有時會超過車輛總耗能的50%，這會導致行駛用電能減少、實際行駛距離大幅度下降的現(xiàn)象。
因此，一輛能源利用效率較高的新能源車輛，如要降低制熱時的實際油耗（增加實際行駛距離），就需要提高空調系統(tǒng)的效率。本文先介紹新能源車空調系統(tǒng)的特征，然后說明與新能源車相適應的熱泵系統(tǒng)。
1 新能源車輛空調的必需性能
車用空調系統(tǒng)不僅要確保它的舒適性，還要能除濕哽即除去前風窗玻璃上的霧氣以確保駕駛人的視野。除此之外，EV車從延長實際行駛距離的角度出發(fā)，對空調功耗提出了更高的要求。為了確保乘坐舒適性，車輛在停止行駛后空調也需要運行，因此電動壓縮機等的動力和車輛行駛動力應相互獨立。另外，內燃發(fā)動機車型(ICEV）的制熱是利用發(fā)動機的廢熱，但是EV車沒有發(fā)動機，所以需要熱泵或電加熱等的熱源供暖。為了減少EV車的空調功耗，我們可以從提高空調的效率及降低熱負荷兩方面著手。
歸納以上，我們可以知道新能源車輛的空調系統(tǒng)不同于以往的ICVE車的特征是
①冬季需要不依賴發(fā)動機廢熱的高；
②降低熱負荷。
2 熱源技術、降低熱負荷技術
熱源、技術有利用電力的PTC加熱器、輝光加熱器、將油的剪切力轉換成熱能的黏性加熱器、燃燒式加熱器、使用制冷劑的熱氣加熱器、熱泵等。從原理上來看，效率(COP）超過1的只有熱泵。
熱負荷降抵技術就是在降低換氣損失的同時，防止風窗玻璃結霧的內外氣雙層流和除濕傳感器控制技術。
3 享用熱泵的特征
車用熱泵構成如下：向車室內放熱的冷凝器、根據(jù)條件不同或是蒸發(fā)器或是冷凝器的室外熱交換器、吸收車室內熱量的蒸發(fā)器共三個熱交換器及兩個插環(huán)控制的電子膨脹閥。
傳統(tǒng)汽車空調是在車室內安裝利用發(fā)動機廢熱的“加熱交換器作為制熱的熱源。熱泵是將冷凝器作為制熱的熱源安裝在車室內。另外，除濕功能與傳統(tǒng)汽車空調→樣，熱泵也是通過蒸發(fā)器的冷卻來除濕，只是傳統(tǒng)空調上除濕后的空氣通過加熱芯，熱泵是利用室內冷凝器來調節(jié)到舒適的吹出口溫度。
 
如圖2所示，無論EV車型還是PHEV車型，目前均較多地采用電加熱式。也就是加熱器將水加熱后，由電動水泵將加熱后的溫水輸送至加熱志。這種系統(tǒng)是在以前的制冷循環(huán)基礎上加入溫水循環(huán)，結構相對簡單。但制熱量必定小于消耗的電力，效率始終小于1。
另一方面，如將熱泵的再加熱量設為軋，壓縮機動力為L，室外換熱器吸熱量設為Q0，那么Qc＝L＋Q0，熱泵的效率將大于1。比以往的電加熱式更節(jié)省電力，會對增大續(xù)航里程做出更大貢獻。在熱泵系統(tǒng)中氣體加熱方式有空氣加熱方式和水加熱方式兩種類型。
3.1 工作原理
3.1.1 制冷模式
 
圖3所示為制冷工作原理。從壓縮機吐出的高溫高壓的冷制冷氣體被送至室內冷凝器。因為混合風門關閉，車室內空氣不會被加熱。隨后制冷劑通過全開的電子膨脹閥-1，進入室外熱交換器，在熱交換器中向大氣放熱并冷凝；然后由電子膨脹閥-2控制節(jié)流降壓，變成低溫低壓狀態(tài)，從而冷卻車室內空氣。
3.1.2 制熱模式
 
圖4所示為制熱工作原理。從壓縮機吐出的高溫高壓的制冷氣體通過室內冷凝器向車室內放熱液化。液化后的制冷劑經(jīng)電子膨脹閥-1節(jié)流降壓，成為低溫低壓狀態(tài)，通過室外熱交換器從大氣中吸熱；然后由儲液分離器實現(xiàn)氣液分離，并將分離后的制冷劑氣體再送至壓縮機內。如室外溫度長期低于0℃，則熱交換器會出現(xiàn)結霜現(xiàn)象。結霜后室外熱交換器的熱交換率就會下降，制熱能力和效率也將下降，必須要考慮相應的除霜措施。有關除霜措施將在除霜模式中加以敘述。
就熱交換器而言，相對于制冷時高壓側為室外熱交換抵壓側為蒸發(fā)器，制熱時高壓側為室內冷凝器，低壓側為室外熱交換器。
這時，可以通過控制電子式膨脹閥的開度來控制最適過SC值，從而控制最大COP值。
最適過冷度SC值可以根據(jù)系統(tǒng)部件的規(guī)格及環(huán)境條件算出。下面介紹某系統(tǒng)部品規(guī)格及某環(huán)境條件（換器的風速為2.2m/s、HVAC風量為150m³/h、HVAC吹出溫度為45℃）中的各HVAC吸入溫度、外氣溫度及最適過冷度SC值和COP的計算結果，如圖5所示。
 
如圖5所示，HVAC吸入溫度越低，COP也越低。如HVAC吸入溫度降假時增加過冷度SC值，就能使COP最大。
 
如圖6所示，室外溫度越低，COP越低。如果室外溫度下降時增加過冷度SC值，就能使COP最大。
由此可知：
①HVAC吸入溫度越低，越要增加目標過冷值。
②外氣溫度越低越要增加目標過冷值。
通過增加目標過冷度SC值，即使室外溫度和車室內溫度發(fā)生變化，熱泵也始終以最大效率運轉。
3.1.3 除濕制熱模式
 
圖7所示為除濕制熱工作原理。除濕制熱，首先通過電子膨脹閥-1節(jié)流降壓，通過室外熱交換器后，在電子膨脹閥-2處進行減壓，隨后進入蒸發(fā)器，返回儲液分離器。
除溫制熱是通過3個熱交，即室內冷凝器、室外熱換器、蒸發(fā)器之間實現(xiàn)熱交換，控制除溫能力和再加熱能力。
 
從圖8可以看出，在電子膨脹閥-1減壓時，通過控制閥門開度，如果室外熱交換器的制冷劑溫度高于室外溫度時，室外熱交換器就作為放熱器；如制冷劑溫度低于室外溫度，室外熱交換器就作為吸熱器發(fā)揮作用。因此，只要分別控制蒸發(fā)器溫度和室內冷凝器溫度就能根據(jù)熱負荷變動來實現(xiàn)除濕的目的。
 
室外溫度20℃的試驗臺測試結果如圖9所示。測試結果表明：將蒸發(fā)器之后的溫度保持在10℃左右HVAV出風口溫度可以控制在10~50℃任一目標溫度在圍內，具有良好的溫度控制特性。
3.1.4 除霜模式（圖10)
 
如前所迷在制熱運模式時有可能結霜，結霜后需在車輛停車時進行除霜。除霜時，與制熱時的制冷劑流向相同，但此時室外熱交換器風扇和HVAC風扇停止運轉，電子膨脹閥-1開度比制熱時大，因此室外熱交換器的壓力會隨之上升，室外熱交換器溫度超出0℃，達到除霜的目的。
從上述說明可以看出，制熱、制冷、除濕市l(wèi)熱、除霜模式都可以在制冷循環(huán)中得以實現(xiàn)。
3.2 效果
試驗臺測試結果如圖11所示。測試結果告訴我們：相對PTC電加熱器，熱泵系統(tǒng)在制熱時可節(jié)省功耗59%，在除濕模式時可節(jié)省功耗67%。
 
根據(jù)以上省功耗效果可知，在制熱時EV車型的實際行駛距離可延長52%，在除溫模式時可延長66%，詳見圖12。
 
4 結論
隨著新能源車的廢熱減少，針對如何提高電池利用率這一需求，本論文提出的熱泵系統(tǒng)，既能滿足車輛的舒適性和風窗玻璃的可視性要求，又能具各制熱、除溫和制冷的空調功能巳亥熱泵系統(tǒng)的效率大于PTC電加熱器，能對EV車型的續(xù)航里程提高做出重大的貢獻。今后，我們在繼結努力開發(fā)高效空調系統(tǒng)的同時，也將開發(fā)整車熱管理的如變頻器、電動機和電池冷卻等相關產(chǎn)品。
 
 
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