梁志豪,巫江虹,金鵬,李會(huì)喜.電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)霜特性及除霜策略[J].兵工學(xué)報(bào),2017,38(01):168-176.

摘要: 

換熱器結(jié)霜是影響熱泵空調(diào)冬季制熱性能的重要因素。研究電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)微通道換熱器結(jié)霜性能，在不同室外溫度、室外相對(duì)濕度、室外送風(fēng)量工況下，測(cè)試熱泵系統(tǒng)的制熱性能、室外側(cè)微通道換熱器結(jié)霜面積占比及結(jié)霜速率等參數(shù)，分析電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)霜影響因素。研究結(jié)果表明: 室外溫度降低、送風(fēng)量減少、相對(duì)濕度增大都使室外換熱器結(jié)霜開(kāi)始時(shí)間提前、結(jié)霜面積占比增加; 分析系統(tǒng)制熱能效比和結(jié)霜速率隨時(shí)間的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)換熱器結(jié)霜速率的變化與系統(tǒng)能效的變化趨勢(shì)一致，運(yùn)行初期結(jié)霜速率增加時(shí)，系統(tǒng)能效增加; 運(yùn)行后期結(jié)霜速率下降時(shí)，系統(tǒng)能效同時(shí)下降; 經(jīng)過(guò)多種工況下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以上規(guī)律; 將結(jié)霜速率驟降同時(shí)結(jié)霜區(qū)域占比達(dá)到 30% 作為反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)霜情況的判斷點(diǎn)，當(dāng)結(jié)霜速率發(fā)生驟降且結(jié)霜區(qū)域占比達(dá)到 30% 時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入除霜模式; 將二值化照片中結(jié)霜區(qū)域的占比作為系統(tǒng)除霜完畢的判斷點(diǎn)，除霜過(guò)程中結(jié)霜區(qū)域的占比與初始未結(jié)霜照片占比一致即可認(rèn)為除霜完畢，得到完整的除霜控制策略; 該除霜策略有效降低系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)制熱性能。

0  引言 

電動(dòng)汽車克服了燃油汽車的化石燃料依賴問(wèn)題，能源利用多元化，安靜環(huán)保，代表著未來(lái)汽車發(fā)展的趨勢(shì)［1］。相較于傳統(tǒng)的 PTC 加熱空調(diào)制冷系統(tǒng)，汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在制熱效率、經(jīng)濟(jì)性上更有優(yōu)勢(shì)［2 － 3］，是目前業(yè)界研究的重點(diǎn)，微通道換熱器由于其高效、節(jié)材、環(huán)保、輕量的特點(diǎn)，是電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)的首選，不少學(xué)者對(duì)微通道換熱器在電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)上的應(yīng)用進(jìn)行了適應(yīng)性研究。Qi 等［4］對(duì)比了室內(nèi)側(cè)采用微通道換熱器、室外側(cè)采用平行流換熱器的強(qiáng)化汽車空調(diào)系統(tǒng)與室內(nèi)側(cè)采用層疊式換熱器、室外側(cè)采用平行流的傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明強(qiáng)化汽車空調(diào)系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)性能。巫江虹等［5］對(duì)比了室內(nèi)外側(cè)均采用微通道換熱器的汽車空調(diào)系統(tǒng)與室內(nèi)外側(cè)均采用管翅式的汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能，實(shí)驗(yàn)表明，采用微通道換熱器后系統(tǒng)車內(nèi)外換熱器體積分別減少了62. 5% 及 57. 6% ，制冷劑充注量減少 26. 5% ，制冷系數(shù)和制熱系數(shù)分別降低 1. 7% ～ 4. 8% 和 4. 2% ～9. 7% ． 盡管微通道換熱器比傳統(tǒng)換熱器有一定的優(yōu)勢(shì)，但在熱泵運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)室外環(huán)境溫度降低時(shí)，室外側(cè)微通道換熱器會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，極大地影響系統(tǒng)的制熱性能。因此，換熱器結(jié)霜特性及與之相關(guān)的除霜控制策略問(wèn)題亟待解決。

除霜控制策略決定了整機(jī)機(jī)組的制熱效率。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)除霜控制策略做了大量研究，包括定時(shí)控制法、換熱器進(jìn)出風(fēng)溫差控制法、排氣溫度控制法、蒸發(fā)器進(jìn)口制冷劑流量不穩(wěn)定檢測(cè)控制法等［6 － 7］，一些學(xué)者還將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制法應(yīng)用到除霜控制，提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)除霜控制法［8］和模糊控制除霜法［9］等。

以上的檢測(cè)和控制方法是基于間接參數(shù)檢測(cè)控制，理論上要求間接參數(shù)在熱泵系統(tǒng)全工況運(yùn)行中都要準(zhǔn)確表征除霜點(diǎn)，很難做到，可能導(dǎo)致無(wú)霜除霜、有霜不除、除霜不凈、除凈后不停等問(wèn)題。相對(duì)的，霜層厚度的檢測(cè)和控制是最直接和準(zhǔn)確的控制除霜方法，為此，Xia 等［10］利用纖維鏡將翅片間霜層增長(zhǎng)過(guò)程的圖像拍攝記錄下來(lái)，從而對(duì)霜層的增長(zhǎng)進(jìn)行分析。Guo 等［11］則利用顯微鏡拍下來(lái)的霜層圖片研究霜層增長(zhǎng)和霜層的形態(tài)對(duì)系統(tǒng)的影響。

遺憾的是，以上方法只能在實(shí)驗(yàn)室對(duì)霜層厚度進(jìn)行測(cè)量，無(wú)法在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中進(jìn)行，因此，部分學(xué)者采用更方便的光電轉(zhuǎn)換設(shè)備對(duì)霜層厚度進(jìn)行測(cè)量。Byun 等［12］把 9 組光電耦合器( OC) 平均布置在換熱器上翅片間空隙的兩端，并分別以其中 1 ～6 個(gè) OC 電壓信號(hào)發(fā)生大幅變化作為除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明把其中 6 個(gè) OC 電壓信號(hào)發(fā)生明顯變化作為除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)的整體制熱性能最高。文獻(xiàn)［13 － 15］改良了這一方法，通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式使霜層在一緊貼管路薄銅板的方形槽上生長(zhǎng)，通過(guò)光電傳感器觀察該區(qū)域霜層的變化，監(jiān)測(cè)結(jié)霜程度，提高檢測(cè)精度，改善除霜循環(huán)。由于檢測(cè)范圍限制，需要多個(gè)光電傳感器才能對(duì)換熱器整體的結(jié)霜情況進(jìn)行檢測(cè)。

本文研發(fā)出了室內(nèi)外換熱器均為微通道換熱器的純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，用電荷耦合器件( CCD) 攝像頭監(jiān)控記錄熱泵系統(tǒng)在不同結(jié)霜工況下室外換熱器的結(jié)霜情況，分析室外溫濕度及送風(fēng)量對(duì)換熱器結(jié)霜的影響，對(duì)比系統(tǒng)結(jié)霜、除霜過(guò)程中全局結(jié)霜面積占比、局部結(jié)霜面積占比、結(jié)霜速率、制熱能效比( COP) 的變化曲線，將結(jié)霜速率的驟降和結(jié)霜面積占比同時(shí)作為反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)霜情況的判斷點(diǎn)。當(dāng)結(jié)霜速率發(fā)生驟降且結(jié)霜面積占比達(dá)到一定值時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入除霜模式; 除霜過(guò)程中二值化照片結(jié)霜區(qū)域的占比與初始未結(jié)霜照片占比一致，即可認(rèn)為除霜完畢，該除霜策略有效地避免誤除霜及過(guò)除霜現(xiàn)象，降低系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)制熱性能。

1 試驗(yàn)研究 

1 .1 測(cè)試系統(tǒng)

電動(dòng)汽車空調(diào)性能試驗(yàn)系統(tǒng)圖及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖如圖 1、圖 2 所示。

系統(tǒng)管路的溫度和壓力測(cè)點(diǎn)分別布置在壓縮機(jī)的進(jìn)出口、室內(nèi)外側(cè)換熱器的進(jìn)出口、電子膨脹閥的進(jìn)出口。換熱器表面的溫度測(cè)點(diǎn)布置和 CCD 攝像頭觀測(cè)記錄位置如圖 2 所示，全局 CCD 攝像頭擺放在回風(fēng)口中間位置，右側(cè)為局部拍攝用攝像頭，熱電偶的測(cè)試精度為 1. 1℃ ． 焓差室測(cè)試系統(tǒng)的熱平衡精度在 2% 以內(nèi)，重復(fù)性精度在 ± 1% 以內(nèi)。熱泵空調(diào)測(cè)試系統(tǒng)的室內(nèi)外換熱器均采用微通道換熱器，參數(shù)尺寸見(jiàn)表 1．

1.2結(jié)霜測(cè)量 

1.2.1結(jié)霜面積占比 

換熱器結(jié)霜狀態(tài)由布置在換熱器前方的全局?jǐn)z像頭拍攝記錄，并對(duì)所拍攝圖片進(jìn)行鏡頭校正，消除魚(yú)眼和拍攝角度的影響，對(duì)修正后的圖片采用灰度閾值分割法進(jìn)行圖像分割，得到二值化處理圖，與換熱器初始狀態(tài)的二值化狀態(tài)值作對(duì)比，計(jì)算出換熱器結(jié)霜的面積占比。具體方法如下:

假定圖像 h( x，y) 的灰度范圍為 g1 ～ g2，在 g1，g2之間選擇一個(gè)灰度值 T 作為門(mén)限( 采用最大類間方差法計(jì)算門(mén)限值) ，并將每個(gè)像素的灰度與其進(jìn)行比較，如( 1) 式所示，高于門(mén)限值的像素分配最大灰度 1，低于門(mén)限值的像素則分配最小灰度 0，從而將圖片轉(zhuǎn)換為一個(gè)二值化圖像。

全局?jǐn)z像頭拍攝圖、修正圖及處理二值化處理圖如圖 3 所示。

由圖 3( c) 可知，換熱器表面中處于結(jié)霜狀態(tài)與未結(jié)霜狀態(tài)的區(qū)域有較大區(qū)別，圖 3( c) 中白色區(qū)域?yàn)閾Q熱器扁管和結(jié)霜的翅片，黑色區(qū)域?yàn)槠渌唇Y(jié)霜的部分。因此，可通過(guò)計(jì)算二值化圖像中白色區(qū)域占整體區(qū)域中的占比表示結(jié)霜區(qū)域覆蓋情況。

1.2.2結(jié)霜速率

換熱器的結(jié)霜速率等于換熱器進(jìn)出風(fēng)含濕量的差值，即可通過(guò)測(cè)量換熱器的進(jìn)出風(fēng)溫濕度以及風(fēng)量間接計(jì)算得出:

1.3測(cè)試工況

室外換熱器入口空氣溫度的變化范圍為 5 ～10 ℃，入口空氣的相對(duì)濕度變化范圍為 60% ～90% ，入口空氣的送風(fēng)量變化范圍為 600 ～1 800 m3 / h，工況如表 2 所示，所有試驗(yàn)工況下室內(nèi)側(cè)環(huán)境溫度均控制在 20 ℃，相對(duì)濕度則為 50% ．

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 

2.1 影響結(jié)霜因素分析

圖 4 顯示了熱泵系統(tǒng)制熱工況( 蒸發(fā)器室干球溫度為 7 ℃，相對(duì)濕度為 80% ) 室外側(cè)不同的送風(fēng)量下的蒸發(fā)器結(jié)霜變化情況。

由圖 4 可知，蒸發(fā)器送風(fēng)量為 600 m3 / h 時(shí)，蒸發(fā)器在系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行 10 s 后開(kāi)始結(jié)霜，結(jié)霜面積占比以較大的速率增加，50 s 后結(jié)霜速率下降，550 s后結(jié)霜面積占比達(dá)到 65% 并開(kāi)始保持不變。風(fēng)量為 1 200 m3 / h 和 1 800 m3 / h 時(shí)，蒸發(fā)器結(jié)霜的發(fā)生時(shí)間依次為 30 s 和 40 s． 3 種不同送風(fēng)量工況下結(jié)霜面積占比的整體變化情況基本一致，換熱器結(jié)霜前期，結(jié)霜面積占比變化速率最大，之后逐漸減緩，結(jié)霜面積占比達(dá)到最大值后保持穩(wěn)定。送風(fēng)量為600 m3 / h、1 200 m3 / h、1 800 m3 / h 時(shí)，換熱器的最大結(jié)霜面積占比依次是 67% 、58% 和 40% ． 送風(fēng)量較小時(shí)，空氣緩慢地流過(guò)換熱器表面，空氣被冷卻達(dá)到水汽過(guò)飽和的時(shí)候，多余的水汽就會(huì)析出，進(jìn)而結(jié)霜。當(dāng)風(fēng)量增大后，空氣通過(guò)換熱器表面速度提高，水汽停留在翅片表面的穩(wěn)定性降低，發(fā)生結(jié)霜的可能性降低。因此，在測(cè)試范圍內(nèi)，風(fēng)量越小，換熱器結(jié)霜的發(fā)生時(shí)間越早，越容易大面積結(jié)霜。

圖 5 顯示了熱泵系統(tǒng)制熱工況( 蒸發(fā)器側(cè)相對(duì)濕度為 60% ，送風(fēng)量為 600 m3 / h) 不同室外溫度下的換熱器結(jié)霜情況。

由圖 5 可知，當(dāng)室外溫度為 5 ℃時(shí)，蒸發(fā)器在系統(tǒng)運(yùn)行 10 s 后開(kāi)始結(jié)霜，50 s 后結(jié)霜速率變緩，350 s后結(jié)霜面積占比達(dá)到最大值 60% ． 室外溫度為7 ℃和 10 ℃時(shí)，換熱器結(jié)霜情況與 5 ℃工況下的變化趨勢(shì)一致，只是換熱器結(jié)霜發(fā)生時(shí)間依次推遲，結(jié)霜面積占比最大值也依次減小?？諝鉁囟仍降?，與換熱器表面接觸換熱后的溫度越低，更容易達(dá)到過(guò)飽和的狀態(tài)，從而析出水分結(jié)成冰晶。因此，在測(cè)試范圍內(nèi)，較低的空氣溫度有助于換熱器表面結(jié)霜以及霜層的生長(zhǎng)。

圖 6 顯示了熱泵系統(tǒng)制熱工況( 蒸發(fā)器側(cè)干球溫度為 7 ℃，送風(fēng)量為 1 200 m3 / h) 室外側(cè)不同的相對(duì)濕度工況下的換熱器結(jié)霜情況。

由圖 6 可知，空氣送風(fēng)相對(duì)濕度為 90% 工況下，系統(tǒng)運(yùn)行 30 s 后室外換熱器開(kāi)始結(jié)霜，400 s 后換熱器結(jié)霜面積占比達(dá)到最大值 63% ． 對(duì)于相對(duì)濕度為 80% 和 60% 的工況，其結(jié)霜發(fā)生時(shí)間依次推遲，最大結(jié)霜面積占比也依次減小。在其他參數(shù)不變的情況下，相對(duì)濕度較大意味著更容易析出水分，在空氣流過(guò)換熱器表面后，較大相對(duì)濕度的空氣更容易達(dá)到過(guò)飽和的狀態(tài)。因此，在測(cè)試范圍內(nèi)，空氣相對(duì)濕度越大，結(jié)霜發(fā)生時(shí)間越早，結(jié)霜面積占比也越大。

2. 2 結(jié)霜對(duì)熱泵性能的影響

圖 7 顯示了室外側(cè)相對(duì)濕度為 60% ，風(fēng)量為600 m3 / h，干球溫度為 7 ℃的工況下，換熱器結(jié)霜面積占比、結(jié)霜速率、COP 隨時(shí)間的變化關(guān)系。

隨著系統(tǒng)運(yùn)行，換熱器在 40 s 后開(kāi)始結(jié)霜，空氣側(cè)的水蒸氣發(fā)生相變，換熱器結(jié)霜速率迅速增加，伴隨著相變潛熱的釋放，蒸發(fā)器的換熱量迅速增加，系統(tǒng)的 COP 也迅速增大。370 s 后，換熱器結(jié)霜面積占比達(dá)到 52% 并開(kāi)始保持不變，而系統(tǒng)的性能、換熱器結(jié)霜速率也幾乎在同一時(shí)間開(kāi)始逐漸下降，COP 從 1. 69 逐 漸 下 降 到 1. 01，結(jié) 霜 速 率 從5. 27 kg / h下降到 0. 69 kg / h． 在另一工況下，三者隨時(shí)間的變化類似( 見(jiàn)圖 8) 。

在換熱器結(jié)霜早期，結(jié)霜量的增加主要體現(xiàn)在換熱器的結(jié)霜區(qū)域增加上，霜層厚度較薄，對(duì)空氣與制冷劑換熱的阻隔少，而霜層的粗糙表面能增大換熱器的換熱系數(shù)，加之水蒸氣在換熱器表面發(fā)生相變，霜層的存在對(duì)換熱有促進(jìn)作用。因此，在該階段內(nèi)，隨著結(jié)霜面積的增加，結(jié)霜速率增大，蒸發(fā)器的換熱量增大，并通過(guò)提升蒸發(fā)溫度間接提升了系統(tǒng)的能效。

而在結(jié)霜區(qū)域逐漸趨于穩(wěn)定后，霜主要從霜層厚度方向增長(zhǎng)，空氣與制冷劑的換熱開(kāi)始變得困難，水蒸氣發(fā)生相變的可能性減少，霜層對(duì)換熱從提升作用逐漸轉(zhuǎn)換到起阻礙作用，結(jié)霜速率開(kāi)始減少，系統(tǒng)的能效開(kāi)始降低。盡管如此，由于此時(shí)霜層厚度還沒(méi)增加到一定程度，結(jié)霜速率、系統(tǒng)的能效經(jīng)過(guò)突然下降后還保持在較高水平，繼而緩慢下降。

從圖 7 ～ 圖 9 可以看出，結(jié)霜速率與 COP 變化趨勢(shì)較為接近，通過(guò) SPSS 軟件對(duì) 3 種工況下結(jié)霜速率與 COP 的相關(guān)性進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明二者的皮爾遜相關(guān)系數(shù)在 3 種工況下分別為 0. 664、0. 839和 0. 912． 而且通過(guò)假設(shè)檢驗(yàn)，3 種工況下的相關(guān)性由誤差引起的概率 p 均在 0. 01 級(jí)別內(nèi)，說(shuō)明結(jié)霜速率與 COP 相關(guān)性顯著。因此，可以基于結(jié)霜速率的驟降判斷系統(tǒng)能效的變化。

3 除霜控制策略分析

3.1 除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)確定

圖 10 為局部攝像頭拍攝的換熱器結(jié)霜過(guò)程圖像的處理圖。

通過(guò)對(duì)換熱器局部結(jié)霜過(guò)程進(jìn)行拍攝，并進(jìn)行二值化處理，得到結(jié)霜過(guò)程中不同時(shí)刻換熱器的局部結(jié)霜面積變化圖。由圖 10 可知，換熱器未結(jié)霜時(shí)，白色部分的占比為 0. 173，隨著換熱器結(jié)霜，白色部分占比逐漸增大，由 0. 173( 見(jiàn)圖 10( a) ) 增大到 0. 614( 見(jiàn)圖 10( c) ) ，表明此時(shí)畫(huà)面中換熱器扁管和翅片的結(jié)霜區(qū)域在逐漸增大，最后白色部分占比變化到 0. 859 并維持穩(wěn)定。由于扁管和翅片接觸區(qū)域結(jié)霜處有下陷，畫(huà)面較暗，導(dǎo)致處理的結(jié)果為黑色，因此，可認(rèn)為此時(shí)畫(huà)面中換熱器結(jié)霜區(qū)域占比為1，即當(dāng)前畫(huà)面中的換熱器區(qū)域已全部結(jié)霜。從而，基于攝像頭拍攝的換熱器局部區(qū)域白色占比的變化能判斷出換熱器結(jié)霜的程度。盡管如此，由于不同位置結(jié)霜程度不一致( 見(jiàn)圖 3) ，單個(gè)攝像頭只能對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行拍攝，還需多個(gè)攝像頭才能判斷出整體換熱器的結(jié)霜程度，而這也可通過(guò)全局?jǐn)z像頭實(shí)現(xiàn)。

準(zhǔn)確的除霜時(shí)間點(diǎn)可以確保除霜的及時(shí)、準(zhǔn)確，避免出現(xiàn)誤除霜現(xiàn)象，影響機(jī)組性能。通過(guò)全局白色區(qū)域占比與換熱器的結(jié)霜速率同時(shí)約束可以較為準(zhǔn)確地得到換熱器的結(jié)霜情況，判斷機(jī)組性能衰減狀況，進(jìn)而確定系統(tǒng)除霜的進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)。全局白色區(qū)域占比初步定為 30% ． 通過(guò)圖 7 ～ 圖 9 的觀察可知，當(dāng)換熱器結(jié)霜速率較其變化峰值有較大程度的迅速下降時(shí)，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱 COP 也會(huì)有較大幅度的下降，且兩者隨后都以緩慢的速率繼續(xù)下降。因此，當(dāng)結(jié)霜速率發(fā)生驟降且全局白色區(qū)域占比達(dá)到 30%時(shí)，可以作為熱泵系統(tǒng)除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)的判定方式。

3.2 除霜退出時(shí)間點(diǎn)確定

圖 11 為換熱器除霜過(guò)程局部攝像頭拍攝圖像處理過(guò)程圖。

換熱器除霜起始時(shí)刻的霜層占比為 0. 859( 見(jiàn)圖 10 ( d) ) ，除霜 進(jìn) 行 20 s 時(shí)，霜 層 占 比 下 降 到0. 833( 見(jiàn)圖 11( a) ) ，隨著除霜的進(jìn)行，霜層占比繼續(xù)下降。除霜進(jìn)行 5 min 后，霜層全部融化為水，此時(shí)白色區(qū)域占比僅為 0. 201( 見(jiàn)圖 11( d) ) ，當(dāng)白色區(qū)域占比恢復(fù)到 0. 173( 見(jiàn)圖 10( a) ) 時(shí)，代表霜層已經(jīng)完全融化完畢，融霜水也完全蒸發(fā)。

由圖 11 可知，除霜過(guò)程中通過(guò)判斷局部攝像頭拍攝處理圖像中白色區(qū)域占比的變化情況可以判斷出除霜進(jìn)行情況，當(dāng)白色區(qū)域占比降到與開(kāi)始時(shí)刻一致的 0. 173 時(shí)，則判定為除霜完畢。盡管上述拍攝區(qū)域同樣為換熱器的局部區(qū)域，但對(duì)于當(dāng)前采用的反轉(zhuǎn)除霜方式，高溫制冷劑最后流過(guò)換熱器的區(qū)域是除霜過(guò)程中最晚除霜完畢的區(qū)域，( 見(jiàn)圖 12) 可作為當(dāng)前除霜方式除霜完畢的判斷時(shí)間點(diǎn)。

對(duì)于其他除霜方式，也可通過(guò)類似方式找出除霜最晚完畢的區(qū)域，設(shè)置一個(gè)或多個(gè)攝像頭拍攝點(diǎn)作為除霜結(jié)束的判斷點(diǎn)。因此，通過(guò)合理放置攝像頭拍攝區(qū)域，能準(zhǔn)確地判斷出除霜過(guò)程中換熱器的除霜進(jìn)度。

3. 3 結(jié)霜在線檢測(cè)與除霜控制策略 

結(jié)霜在線檢測(cè)與除霜控制策略包括除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)控制和除霜完畢退出時(shí)間點(diǎn)控制，其中除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)的判斷主要通過(guò)測(cè)量換熱器進(jìn)出風(fēng)溫濕度和送風(fēng)量及全局結(jié)霜區(qū)域面積，從而計(jì)算出室外換熱器的結(jié)霜速率和全局結(jié)霜區(qū)域占比來(lái)確定熱泵系統(tǒng)當(dāng)前結(jié)霜情況，并找到除霜模式的開(kāi)啟時(shí)間點(diǎn)。除霜完畢退出時(shí)間點(diǎn)判斷系統(tǒng)主要通過(guò)找出除霜最晚完畢的區(qū)域，作為除霜結(jié)束的判斷點(diǎn)，監(jiān)測(cè)結(jié)霜前后室外換熱器局部除霜的情況，進(jìn)而確定熱泵系統(tǒng)除霜模式的退出時(shí)間點(diǎn)，具體流程如圖 13 所示。

通過(guò)傳感器測(cè)量室外側(cè)換熱器的進(jìn)出風(fēng)溫濕度和風(fēng)速，計(jì)算出換熱器的結(jié)霜量。在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，開(kāi)啟全局?jǐn)z像頭，并短暫開(kāi)啟局部攝像頭記錄換熱器未結(jié)霜的圖像。當(dāng)結(jié)霜速率較變化峰值有較大下降且全局白色區(qū)域占比達(dá)到 30% 時(shí)，系統(tǒng)切換到除霜模式，對(duì)換熱器進(jìn)行除霜，并開(kāi)啟局部攝像頭對(duì)除霜過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)到局部白色區(qū)域的占比與系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)的占比一致時(shí)，表明換熱器除霜完畢，系統(tǒng)切換到正常運(yùn)行模式。通過(guò)該種除霜控制策略，可以保證系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地判斷除霜的切入點(diǎn)和退出點(diǎn)，避免出現(xiàn)誤除霜、有霜不除、除霜未盡等現(xiàn)象，提高機(jī)組性能。

基于上述方法，開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于汽車空調(diào)系統(tǒng)的檢測(cè)與控制系統(tǒng)( 見(jiàn)圖 14) 。

該控制系統(tǒng)的所有測(cè)量設(shè)備采集的數(shù)據(jù)都會(huì)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)處理單元，進(jìn)行統(tǒng)一處理，具體的安裝測(cè)點(diǎn)布置如圖 15 所示。

3 個(gè)風(fēng)速傳感器沿?fù)Q熱器對(duì)角線方向平均布置，最后取三者的平均值作為換熱器的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速，換熱器進(jìn)風(fēng)處設(shè)置一個(gè)溫濕度測(cè)點(diǎn)，出風(fēng)口處設(shè)置3 個(gè)溫濕度測(cè)點(diǎn)，攝像頭布置在換熱器熱泵工況下的進(jìn)口側(cè)最下端( 換熱器最后除霜完畢處，依系統(tǒng)和換熱器形式而定) ，鏡頭距換熱器表面 15mm( 確保拍攝圖像清晰即可) 。由于上述設(shè)備皆為常規(guī)測(cè)量設(shè)備，只需在測(cè)量數(shù)據(jù)后通過(guò)單片機(jī)計(jì)算即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，并不需要太大的成本。

4 結(jié)論 

本文對(duì)一套室內(nèi)外換熱器均為微通道換熱器的汽車熱泵空調(diào)性能進(jìn)行了結(jié)霜特性測(cè)試。并在對(duì)測(cè)試結(jié)果分析的基礎(chǔ)上建立了除霜在線監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，得出結(jié)論如下: 

1) 在結(jié)霜測(cè)試工況下，室外換熱器的結(jié)霜面積隨著室外溫度和送風(fēng)量的升高而降低，隨著相對(duì)濕度的增大而升高。

2) 換熱器結(jié)霜面積占比與 COP 變化趨勢(shì)一致，二者的皮爾遜相關(guān)系數(shù)在 3 種 工 況 下 分 別 為0. 664、0. 839 和 0. 912，假設(shè)檢驗(yàn)概率 p 均在 0. 01級(jí)別內(nèi)，二者相關(guān)性顯著。因此，可以基于結(jié)霜速率的驟降判斷系統(tǒng)能效的變化。

3) 本文將結(jié)霜速率的變化作為系統(tǒng)結(jié)霜情況的判斷點(diǎn)，當(dāng)結(jié)霜速率發(fā)生驟降同時(shí)全局白色區(qū)域占比達(dá)到 30% 時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入除霜模式; 將經(jīng)過(guò)處理的二值化圖片中白色區(qū)域的占比作為系統(tǒng)是否除霜完畢的判斷點(diǎn)，當(dāng)除霜過(guò)程中局部白色區(qū)域的占比與開(kāi)機(jī)時(shí)一致時(shí)可認(rèn)為除霜完畢。

基于上述結(jié)論，本文提出了用于汽車空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)霜在線檢測(cè)與除霜控制策略，在保持檢測(cè)準(zhǔn)確度的同時(shí)降低檢測(cè)成本，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)節(jié)能。