摘 要

燃料電池冷卻水水溫較傳統(tǒng)燃油車(chē)低，制熱量同比降低約28%。使用PTC 加熱冷卻水會(huì)迫使燃料電池余熱直接排放到空氣中，能效較低，影響車(chē)輛冬季開(kāi)熱空調(diào)時(shí)的續(xù)航里程。文章通過(guò)研究分析發(fā)現(xiàn)，熱泵制熱技術(shù)應(yīng)用在燃料電池車(chē)中可以有效避開(kāi)此技術(shù)低溫制熱面臨的難點(diǎn)，提高了制熱系統(tǒng)能效。同時(shí)，整理現(xiàn)有汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)改造成熱泵系統(tǒng)所需優(yōu)化的方向，為后續(xù)開(kāi)發(fā)提供了參考。

關(guān)鍵詞：燃料電池 熱泵 余熱應(yīng)用

電動(dòng)車(chē)輛的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用越來(lái)越多，但受電池技術(shù)制約，續(xù)航里程及充電速度一直是電動(dòng)車(chē)輛發(fā)展的瓶頸。在諸多發(fā)電增程的解決方案中，氫燃料電池具有因不受卡諾循環(huán)限制( 熱效率高) 、沒(méi)有機(jī)械部件( 運(yùn)行噪聲小) 、無(wú)尾氣排放的污染處理需求( 環(huán)境友好) 等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的電池技術(shù)。

但是氫燃料電池應(yīng)用對(duì)于環(huán)境的要求與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)有較大差異。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠給予空調(diào)85 ℃以上的熱水供制熱/除霜。以-20 ℃環(huán)境溫度作為基準(zhǔn)，氣液溫差達(dá)到105 ℃，空調(diào)暖風(fēng)芯體的換熱效率相對(duì)較高。而氫燃料電池水溫一般低于65 ℃，對(duì)于相同的環(huán)境溫度，氣液溫差明顯降低，空調(diào)制熱/除霜的出風(fēng)溫度都有較大幅度降低。

表1 為某車(chē)型空調(diào)暖風(fēng)芯體制熱數(shù)據(jù)。由表可知，在450 kg/h 風(fēng)量下，進(jìn)水溫度從85 ℃降到65 ℃( 汽液溫差從105 ℃降到85 ℃) ，制熱量降低28.8%，出風(fēng)溫度降低34.3%。



為了提高出風(fēng)溫度，可以通過(guò)增加冷卻水流量來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)，但是氣液溫差降低后，換熱效率也相應(yīng)降低，出風(fēng)溫度改善很有限，而且因系統(tǒng)液側(cè)流阻的存在，流量增加量也有限。或者使用風(fēng)側(cè)PTC 直接提高出風(fēng)溫度，但鑒于 PTC 的特性，系統(tǒng)能效比較低。

已經(jīng)有開(kāi)發(fā)實(shí)例使用水側(cè) PTC 輔助加熱，受限于空調(diào)水溫需求高于燃料電池水溫，水路無(wú)法共用。燃料電池的余熱需完全向空氣散熱。而PTC 的制熱能效比較低( 最高為1) ，在滿足空調(diào)制熱、除霜、除霧需求的前提下，需要消耗大量的電能，這無(wú)疑又大幅降低了車(chē)輛的續(xù)航里程。

因此，在燃料電池車(chē)上有必要探尋一種新制熱模式，將燃料電池的余熱利用起來(lái)，減少電能消耗，增加續(xù)航里程。

1  熱泵制熱技術(shù)的引入

遵循逆卡諾定理的熱泵技術(shù)可以將熱量從低溫?zé)嵩催\(yùn)送到高溫?zé)嵩?。通常制熱的能效比可以達(dá)到 3 ～ 4，即 1 倍電能消耗可獲得 3 ～ 4 倍制熱量，符合新能源車(chē)低溫?zé)嵩吹膶?shí)際情況以及對(duì)于能效比的需求。

為了從較低的環(huán)境溫度中吸取熱量，系統(tǒng)內(nèi)的蒸發(fā)壓力會(huì)變得很低，這樣壓縮機(jī)吸氣點(diǎn)的密度會(huì)降低，體現(xiàn)在吸氣比容較大，直接限制了制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量和最終的系統(tǒng)制熱量。以目前車(chē)用空調(diào) Ｒ134a 制冷劑為例，其飽和蒸發(fā)壓力( 吸氣壓力) 及過(guò)熱 5 ℃ 下的物性狀態(tài)對(duì)比如表 2 所示。



以10℃和-5℃吸氣壓力為例，密度從16.706降到9. 7704，降低了42% ; 比容從0.059859升到 0.10235，增加了 95% 。在壓縮機(jī)排量和轉(zhuǎn)速一定的情況下，制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量及制熱量同步降低了 42% 。

此外，使用Ｒ134a 在 1 個(gè)大氣壓下對(duì)應(yīng)的飽和蒸發(fā)溫度約為-21 ℃ 。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，空氣側(cè)溫度通常比飽和蒸發(fā)溫度高約5 ℃ ，即此時(shí)對(duì)應(yīng)的空氣側(cè)溫度約為-16 ℃ ，此為R134a 制冷系統(tǒng)的制熱極限。當(dāng)需要從-16 ℃ 或更低的環(huán)境溫度中吸取熱量時(shí)，系統(tǒng)低壓會(huì)低于大氣壓，由于此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)低壓較低，不再使制冷劑向大氣泄漏，而空氣會(huì)滲漏至制冷系統(tǒng)中，最終嚴(yán)重影響制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

為了獲得較高的出風(fēng)溫度，必須要有足夠高的高壓作為飽和冷凝溫度，在吸氣壓力較低時(shí)，吸排氣壓縮比會(huì)大幅增加，引起排氣溫度升高。較高的排氣溫度會(huì)使冷凍機(jī)油粘度降低，油膜承載力下降，這對(duì)于壓縮機(jī)的工作壽命影響較大，甚至?xí)饓嚎s機(jī)自帶的保護(hù)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，致使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。以R134a 制冷劑為例，當(dāng)熵壓縮到 3.0 MPa( 對(duì)應(yīng) 86 ℃ 飽和冷凝溫度) 時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在吸氣溫度從26.572℃ 降低到 -21.361℃的過(guò)程中，排氣溫度反而從97.429℃ 升高到104.5 ℃ ，對(duì)應(yīng)的吸排氣溫差則從 70.9℃ 升高到125.9℃ 。如果吸氣過(guò)熱超過(guò)5℃，在低溫制熱時(shí)排氣溫度將會(huì)更高，如表 3 所示。



為了改善熱泵低溫制熱技術(shù)，業(yè)界從上世紀(jì)70 年代開(kāi)始，陸續(xù)開(kāi)始了補(bǔ)氣增焓的研究應(yīng)用。有的引入中壓液態(tài)制冷劑直接對(duì)壓縮腔進(jìn)行噴射增焓，也有用中壓蒸汽直接提高吸氣點(diǎn)密度。在應(yīng)用變頻技術(shù)后，通過(guò)提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)增加系統(tǒng)的循環(huán)質(zhì)量流量，進(jìn)而增加系統(tǒng)制熱量。在新型制冷劑研究中，也有考慮使用Ｒ744，但此新制冷劑的應(yīng)用將顛覆現(xiàn)有國(guó)內(nèi)汽車(chē)空調(diào)Ｒ134a 制冷劑的零部件供應(yīng)體系，系統(tǒng)改造代價(jià)較高。

另外，在低溫制熱時(shí)，難免會(huì)發(fā)生室外換熱器因結(jié)霜、結(jié)冰影響換熱器正常工作的情況。為了除冰化霜，空調(diào)在制熱工作一段時(shí)間以后，即會(huì)轉(zhuǎn)入除霜運(yùn)行，此時(shí)車(chē)內(nèi)的制熱功能將停止。這種情況如果發(fā)生在汽車(chē)除霧時(shí)，會(huì)影響車(chē)輛的行車(chē)安全，故除霜運(yùn)行也限制了單一的熱泵系統(tǒng)在汽車(chē)上的應(yīng)用。

2  水源熱泵制熱在燃料電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用

某車(chē)型計(jì)劃選用額定功率為30kW 的燃料電池，以47%名義系統(tǒng)電效率進(jìn)行估算，將會(huì)有33.8kW的余熱通過(guò)溫度較低的冷卻水循環(huán)排放到空氣中。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空調(diào)在制熱過(guò)程中的熱量需求。

如果將熱泵制熱技術(shù)與燃料電池水循環(huán)相結(jié)合，在制熱工況時(shí)，燃料電池的循環(huán)冷卻水可以提供一個(gè)穩(wěn)定的65 ℃進(jìn)水溫度。如果熱泵空調(diào)能從冷卻水中吸取熱量，則上文中提到的熱泵低溫制熱的技術(shù)難題就可完美地解決。

下面提供一種系統(tǒng)解決方案，對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行進(jìn)一步的分析估算( 有關(guān)方案的優(yōu)劣及細(xì)化不在本文探討范疇) ，如圖 1 所示。

由圖可知，當(dāng)截止閥1接通、截止閥2斷開(kāi)， 制冷劑流向如黑色箭頭所示，實(shí)現(xiàn)熱泵制冷功能; 當(dāng)截止閥1斷開(kāi)、截止閥2接通，制冷劑流向如深灰色箭頭所示，實(shí)現(xiàn)熱泵制熱功能。

燃料電池的冷卻水回路為淺灰色箭頭所示， 本文僅提供一種經(jīng)典接法用以熱泵運(yùn)行工況估算。在制冷模式時(shí)，冷水機(jī)是否需要旁通、電機(jī)以及燃料電池是需要并聯(lián)還是串聯(lián)，需要在后期細(xì)化設(shè)計(jì)中予以考慮。



3  水源熱泵在燃料電池?zé)峁芾碇械倪\(yùn)行工況估算

某車(chē)型制熱需求為5500W，使用排量為34mL的電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)時(shí)，對(duì)其熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行工況進(jìn)行估算。為了保持和傳統(tǒng)燃油車(chē)相同的制熱性能，擬設(shè)定車(chē)內(nèi)冷凝器的飽和冷凝溫度為 85 ℃ ，過(guò)冷及過(guò)熱度設(shè)定為 5 ℃ ，結(jié)果如表 4 所示。

從熱泵工況估算結(jié)果可見(jiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)面臨以下幾個(gè)問(wèn)題:

( 1 ) 85 ℃ 冷凝溫度對(duì)應(yīng)的高壓為2.9258MPa［A］，此壓力高于常規(guī)制冷系統(tǒng)運(yùn)行情況，系統(tǒng)壓力開(kāi)關(guān)等設(shè)備及控制邏輯需要對(duì)熱泵系統(tǒng)重新標(biāo)定。同時(shí)需要確認(rèn)該工況是否在壓縮機(jī)和車(chē)內(nèi)冷凝器的運(yùn)行范圍內(nèi)。

( 2) 熱泵制熱工況下吸氣密度較高，系統(tǒng)質(zhì)量流量有所增加，此時(shí)系統(tǒng)循環(huán)制冷劑需求量會(huì)與制冷工況不同，因此制冷劑充注量需要針對(duì)熱泵重新標(biāo)定，并設(shè)置足夠大的儲(chǔ)液器，以在制冷過(guò)程中容納多余的制冷劑。

( 3) 吸氣壓力和循環(huán)流量較制冷情況更高，需要對(duì)TXV重新選型并進(jìn)行匹配。

( 4) 表 4 中的計(jì)算制冷量即為熱泵系統(tǒng)通過(guò)冷水機(jī)從燃料電池冷卻水中吸取的熱量，可以用于冷水機(jī)的選型。如果選擇較大的冷水機(jī)，可以通過(guò)調(diào)整TXV進(jìn)一步擴(kuò)大制熱量。但是受空調(diào)箱散熱能力限制，高壓會(huì)進(jìn)一步升高，引起系統(tǒng)停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，在后期細(xì)化設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮。



( 5) 表 4 中計(jì)算壓縮功為 1.75kW，考慮絕熱壓縮的等熵效率、壓縮機(jī)泵體摩擦副的機(jī)械效率以及電機(jī)效率，最終的系統(tǒng) COP約為2.5，即5500 W制熱量只需要2200 W 的電能需求，比使用 PTC 單獨(dú)提供5500 W制熱量節(jié)省了約 60% 的電能，節(jié)能效果明顯。以某新能源車(chē)冬季開(kāi) PTC 制熱衰減 50% 里程為例，采用熱泵系統(tǒng)后，里程衰減減小為 20%，即冬季開(kāi)空調(diào)制熱時(shí)續(xù)航里程增加了 30% 。

4  結(jié)論

燃料電池冷卻水溫較傳統(tǒng)燃油車(chē)低，直接使用該冷卻水，制熱/ 除霜效果會(huì)相對(duì)燃油車(chē)情況變差。如果使用 PTC，會(huì)造成大量的能量浪費(fèi)，影響續(xù)航里程。

水源熱泵技術(shù)可以充分利用燃料電池余熱， 將較低溫度的冷卻水提升至與燃油車(chē)相同的溫度。在獲得相同制熱量的前提下，對(duì)比PTC方案， 具有顯著的節(jié)能效果，可以直接增加車(chē)輛冬季開(kāi)空調(diào)制熱時(shí)的續(xù)航里程。
鑒于水源熱泵的工作特性，該技術(shù)在新能源車(chē)熱管理中有廣闊的應(yīng)用前景，可以橫向拓展到新能源車(chē)的三電余熱回收利用，提高整車(chē)的系統(tǒng)能效。但是，在應(yīng)用水源熱泵時(shí)，需要對(duì)原先單冷空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，這會(huì)涉及到整個(gè)系統(tǒng)物料成本及開(kāi)發(fā)費(fèi)用投入，需要在后續(xù)的細(xì)化設(shè)計(jì)中予以分析考慮。

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