吳靖,陳海濤,任亞超,等.電動汽車間接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱性能實驗研究[J].制冷技術(shù),2022,42(06):49-54.

摘  要

本文搭建了一套電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)臺架，所有零部件均參照實車要求進行設(shè)計?；谠撆_架，

實驗結(jié)果表明，間接式熱泵的制熱性能比直接式熱泵低20%左右。當(dāng)電加熱功率為2.5 kW時，出風(fēng)溫度提高22 ℃。鼓風(fēng)機風(fēng)量從130 m3/h提高到300 m3/h時，制熱量提高了0.56 kW，出風(fēng)溫度則下降了23.5 ℃。冷卻液流量的增大對系統(tǒng)的制熱性能提升不明顯。

0 引言

傳統(tǒng)燃油車一般利用發(fā)動機運行過程中產(chǎn)生的余熱實現(xiàn)車內(nèi)采暖，而電動汽車必須全部采用電池的能量。目前電動汽車主要采用高壓正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient，PTC）材料加熱的方式滿足車輛采暖和加熱需求[1]。PTC加熱器具有恒溫發(fā)熱、高耐久型以及升溫速度快和控制簡單的特點。然而，由于PTC是基于電熱轉(zhuǎn)換的原理，其能效較低，PTC加熱的開啟將顯著增加電池耗電功率，從而降低電動汽車的續(xù)航里程[2-3]。

熱泵技術(shù)是基于逆卡諾循環(huán)的原理，以較少的電能通過蒸氣壓縮-膨脹的方式吸收空氣中的低溫?zé)崮軓亩a(chǎn)生高溫?zé)崮?，具有很高的能效（一般可產(chǎn)生2倍以上電量的熱量）[4-5]。在當(dāng)前動力電池技術(shù)沒有突破性進展的情況下，被廣泛認為是當(dāng)前最具前景的保證低能耗制熱的可行技術(shù)，目前部分國內(nèi)外車企已相繼推出帶有熱泵系統(tǒng)的電動汽車車型[6-8]。國內(nèi)外學(xué)者和機構(gòu)先后開發(fā)和研究了各種不同類型的電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各異，使用的制冷劑也不盡相同[7-9]。

按照與進入乘客艙空氣進行換熱的介質(zhì)的不同，汽車熱泵系統(tǒng)可粗略分為直接式熱泵和間接式熱泵。對于直接式熱泵，進入空調(diào)箱的冷空氣通過車內(nèi)冷凝器與從壓縮機出來的高溫制冷劑氣體直接進行換熱來實現(xiàn)空氣加熱。而對于間接式熱泵，從壓縮機出來的高溫制冷劑氣體先通過一個板式換熱器加熱冷卻液，冷卻液再通過一個叫做暖風(fēng)芯體的換熱器加熱空氣，因此間接式熱泵也稱為二次回路熱泵系統(tǒng)[7]。與直接式熱泵相比，間接式熱泵具有以下優(yōu)勢[10-14]：1）可以克服可燃性制冷劑的安全問題，從而選用可燃性制冷劑；2）可以避免直接在空調(diào)箱中使用高壓PTC，降低安全隱患；3）更有利于制冷劑側(cè)管路的集成；4）出風(fēng)溫度分布更加均勻；5）制冷劑充注量更小，泄漏率更低。

國內(nèi)外許多學(xué)者對間接式汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)進行了相關(guān)研究。WANG等[11]系統(tǒng)地評估了采用可燃性制冷劑的二次回路熱泵空調(diào)系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的性能表現(xiàn)和影響，結(jié)果表明二次回路設(shè)計是當(dāng)前平衡環(huán)保和安全要求與成本的可行方案。蘭嬌等[12]利用焓差實驗室研究了室內(nèi)側(cè)風(fēng)量和壓縮機轉(zhuǎn)速對二次回路熱泵制熱性能的影響，結(jié)果表明較低的風(fēng)量更有利于系統(tǒng)的制熱性能。KAISER[13]通過臺架試驗比較了直接式熱泵和間接式熱泵系統(tǒng)的制冷劑充注量，發(fā)現(xiàn)間接式熱泵的充注量可減少多達 28%。KOWSKY等[14]的研究也得出類似結(jié)論，他們通過實驗發(fā)現(xiàn)間接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑充注量比直接式系統(tǒng)少24%。GOHDBANE[15]利用仿真手段對采用二次回路和直接式汽車空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能進行了對比，研究結(jié)果表明二次回路系統(tǒng)的制冷效率降低了20%以上。ZHANG 等[16]搭建了采用 R152a 制冷劑的實驗臺架，并比較了采用二次回路的間接式熱泵與直接熱泵的性能對比，研究表明間接式熱泵系統(tǒng)的高低壓壓比直接式熱泵更大、系統(tǒng)能效更低。章偉等[17]研究了二次回路熱泵空調(diào)的制冷劑充注量對系統(tǒng)性能的影響，實驗結(jié)果表明制冷劑充注量對制熱性能的影響要大于對制冷性能的影響。

目前文獻中對于電動汽車間接式熱泵的研究或通過仿真計算，或利用焓差實驗室進行實驗研究，缺少完全按照實際汽車空調(diào)系統(tǒng)零部件要求設(shè)計的實驗研究。本文搭建了一套針對緊湊型電動汽車設(shè)計的熱泵空調(diào)系統(tǒng)臺架，所有零部件均參照實車要求進行設(shè)計?；谠撆_架，本文研究了在低溫條件下，空調(diào)箱進風(fēng)量、冷卻液流量以及電加熱功率對間接式熱泵系統(tǒng)制熱性能的影響，同時與直接式熱泵的制熱性能進行了比較。

1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)

本文設(shè)計的直接式熱泵系統(tǒng)和間接式熱泵系統(tǒng)分別如圖1和圖2所示。

其中直接式熱泵系統(tǒng)主要由電動壓縮機、空調(diào)箱（包含蒸發(fā)器，車內(nèi)冷凝器，溫度風(fēng)門、空氣PTC加熱器等）、車外換熱器、電子膨脹閥、熱力膨脹閥、截止閥、氣液分離器等組成?？諝釶TC用于在熱泵系統(tǒng)制熱能力不足時提供輔助加熱。制冷模式和制熱模式下的空調(diào)箱內(nèi)空氣換熱分別通過蒸發(fā)器和車內(nèi)冷凝器來實現(xiàn)。制冷模式和制熱模式的切換主要通過電子三通閥的控制來實現(xiàn)。

與直接式熱泵相比，間接熱泵將空調(diào)箱內(nèi)的車內(nèi)冷凝器替換為更適合冷卻液換熱的暖風(fēng)芯體換熱器。壓縮機排出的高溫高壓制冷劑氣體在水冷冷凝器內(nèi)通過冷卻液將熱量帶到暖芯。冷卻液回路由水泵驅(qū)動。冷卻液回路串聯(lián)一個水加熱PTC用于在熱泵系統(tǒng)制熱能力不足時提供輔助加熱。其余部分的設(shè)計均與直接式熱泵一致，便于進行性能比較。

2 實驗原理

2.1 實驗裝置

本文的研究是通過參照電動汽車實車標準搭建如圖1和圖2所示熱泵空調(diào)系統(tǒng)臺架，然后將臺架置于環(huán)境氣候倉中進行測試來完成的。該環(huán)境倉可模擬-20~60 ℃的環(huán)境溫度，同時在在0 ℃以上環(huán)境條件下可任意調(diào)節(jié)濕度。系統(tǒng)臺架的主要零部件特征和參數(shù)如表1所示。

系統(tǒng)使用的制冷劑為R134a，冷卻液為50%的乙二醇和水的混合液。

在實驗臺架上通過T型熱電偶測量制冷劑以及風(fēng)側(cè)溫度，壓力傳感器測量制冷劑側(cè)壓力，采用體積流量計測量冷卻液的體積流量，使用電壓表與電流表測量壓縮機和 PTC 的運行電壓與電流來計算運行功率，主要測量參數(shù)的精度如表2所示。所有測量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀連接至電腦進行記錄。

2.2 實驗方法

本文主要測試不同運行參數(shù)對熱泵系統(tǒng)制熱性能的影響，測試工況如表3所示。其中環(huán)境溫度的選擇是參照中國汽車技術(shù)研究中心對電動汽車低溫續(xù)航相關(guān)測試的要求而制定[18]。系統(tǒng)的過冷度通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥使得水冷冷凝器或車內(nèi)冷凝器出口過冷度在10 ℃左右。

熱泵系統(tǒng)的制熱量是根據(jù)公式(1)通過計算空調(diào)箱中風(fēng)側(cè)換熱量得到。系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）通過計算制熱量與壓縮機功率和PTC加熱功率之和得到：

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 間接式熱泵與直接式熱泵制熱性能比較

與直接式熱泵相比，間接式熱泵增加了一次換熱過程，因此系統(tǒng)換熱效率將下降。表4和表5分別所示為當(dāng)風(fēng)量為300 m3/h、壓縮機轉(zhuǎn)速為6 000 r/min和8 000 r/min的條件下，間接式熱泵與直接式熱泵的制熱性能對比。

測試結(jié)果顯示在6 000 r/min和8 000 r/min條件下，與直接式熱泵相比，間接式熱泵的制熱量分別下降了18.4%和21.2%，出風(fēng)溫度分別下降了7.3 ℃和8.1 ℃，系統(tǒng)高壓壓力分別降低了130 kPa和50 kPa。間接式熱泵系統(tǒng)的高壓壓力較低，因而高低壓的壓比相較于直接式熱泵更低，壓縮機效率更高?？芍噍^于制熱量的顯著下降，間接式熱泵系統(tǒng)的COP僅分別下降了5.2%和9.2%。

綜上所述，如果單從系統(tǒng)能效和制熱能力的角度看，直接式熱泵系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于間接式熱泵。

3.2 電加熱開啟對間接式熱泵制熱性能的影響

在環(huán)境溫度非常低的條件下，如-5 ℃以下，通常單純依靠熱泵無法滿足車輛的制熱需求，需要電加熱輔助[19]。本文研究了轉(zhuǎn)速為6 000 r/min、風(fēng)量為300 m3/h條件下不同電加熱功率對間接式熱泵系統(tǒng)制熱性能的影響，測試結(jié)果如表6所示。

根據(jù)實驗結(jié)果，開啟電加熱會顯著提高系統(tǒng)的制熱能力和出風(fēng)溫度。當(dāng)電加熱功率分別為1.5 kW和2.5 kW時空氣側(cè)的制熱量分別提高了1.25 kW和2.15 kW，出風(fēng)溫度分別提高了12.9 ℃和22.2 ℃。但由于電加熱相比于熱泵循環(huán)其制熱效率低得多，因此系統(tǒng)COP顯著降低。另外由于電加熱開啟后冷卻液的溫度將明顯升高，這將導(dǎo)致系統(tǒng)高壓壓力的增大。而高壓壓力的增大會增大系統(tǒng)高低壓的壓比，進一步降低壓縮機的效率。本實驗中當(dāng)電加熱功率分別為1.5 kW和2.5 kW時系統(tǒng)的COP分別降低了34%和44%。

3.3 進風(fēng)量對間接式熱泵制熱性能的影響

表7所示為不同空調(diào)箱進風(fēng)量條件下間接式熱泵系統(tǒng)的制熱性能對比?？芍?dāng)風(fēng)量從130 m3/h提高到172 m3/h和300 m3/h時，制熱量分別提高了0.14 kW和0.56 kW，系統(tǒng)COP也分別提高了20%和48%。這是由于風(fēng)量的增加提高了系統(tǒng)的換熱能力和換熱效率。由于風(fēng)量的增加使得系統(tǒng)高壓側(cè)散熱性能提升，高壓壓力分別下降了270 kPa和350 kPa。同時風(fēng)量的增加使出風(fēng)溫度明顯降低，本實驗中出風(fēng)溫度分別下降了10.2 ℃和23.5 ℃。

值得指出的是盡管大風(fēng)量有利于整體的制熱性能提升，但也需要考慮大風(fēng)量的弊端。一方面大風(fēng)量會導(dǎo)致出風(fēng)口溫度偏低，無法滿足在低溫情況下乘客艙的溫度需求。另一方面，大風(fēng)量也會顯著增加鼓風(fēng)機的耗電量[20]。因此，對于電動汽車鼓風(fēng)機風(fēng)量的選擇需要針對各種工況綜合考慮。

3.4 水流量對間接式熱泵制熱性能的影響

為了研究冷卻液流量對制熱性能的影響，本文分別測試了在壓縮機轉(zhuǎn)速為6 000 r/min、風(fēng)量為172 m3/h條件下冷卻液流量分別為8、11和15 L/min的制熱性能對比?？紤]到不同流量下水泵功耗的區(qū)別，式(2)的制熱能效COP計算中增加了水泵功耗WPUMP的影響，如式(3)所示：

本次測試中，冷卻液流量為8、11和15 L/min下水泵的功耗分別為25、49和85 W，其他測試結(jié)果如表8所示。

由實驗結(jié)果可見，當(dāng)冷卻液流量從8 L/min提高到11 L/min和15 L/min時，系統(tǒng)的制熱量僅提高了0.01 kW和0.02 kW，出風(fēng)溫度也僅提高了0.3 ℃和0.5 ℃。同時，由于流量的增加系統(tǒng)的換熱效率提升，高壓壓力分別輕微下降了30 kPa和40 kPa，不考慮水泵功耗情況下的系統(tǒng)COP也分別輕微提升了3%和4%。然而，由于冷卻液流量的提升導(dǎo)致水泵功耗增加，因此考慮水泵功耗后的系統(tǒng)COP′幾乎沒有變化。

總體而言，冷卻液流量的提升對系統(tǒng)的制熱性能提升不明顯，本文中所測試的流量提升對制熱性能提升量低于1%。這些結(jié)果表明對于間接式熱泵而言，冷卻液流量并不是影響系統(tǒng)制熱性能的關(guān)鍵參數(shù)。同時由于水泵的功耗占系統(tǒng)總功耗的比例不到6%，因此水泵的功耗對系統(tǒng)能效的影響并不顯著，尤其在冷卻液流量不大的情況下。

3.5 誤差分析

實驗結(jié)果的計算誤差由式(3)和式(4)計算得出，其中δR/R表示計算結(jié)果的相對誤差而δxi/xi表示測量參數(shù)的相對誤差：

結(jié)合式(1)和式(2)經(jīng)過計算，本文中制熱量和能效COP的最大相對誤差分別為±1.8%和±2.1%。

4 結(jié)論

本文設(shè)計搭建了電動汽車熱泵系統(tǒng)實驗臺架，針對風(fēng)量、水流量和PTC加熱功率對系統(tǒng)制熱性能的影響進行了實驗研究，并與直接式熱泵進行了對比，得出如下結(jié)論：

1）間接式熱泵的制熱性能相較于直接式熱泵下降明顯，在相同壓縮機轉(zhuǎn)速下，間接式熱泵的制熱能力降低20%左右，COP降低5%以上；

2）PTC 電加熱的開啟將顯著提升系統(tǒng)制熱性能，但會顯著降低系統(tǒng)COP，在PTC功率為2.5 kW條件下，相比于不開電加熱的情況出風(fēng)溫度提高超過22 ℃，COP則降低44%；

3）空調(diào)箱進風(fēng)量對間接式熱泵系統(tǒng)的制熱性能影響很大。風(fēng)量的增加會增加系統(tǒng)的制熱量并顯著提高系統(tǒng)COP，但同時出風(fēng)溫度會明顯降低；當(dāng)風(fēng)量從130 m3/h提高到300 m3/h時，制熱量提高了0.56 kW，系統(tǒng)COP提高了48%，同時出風(fēng)溫度下降了23.5 ℃；

4）冷卻液流量對間接式熱泵的制熱性能影響不明顯；冷卻液流量從8 L/min提高15 L/min制熱性能的提升不到 1%，在考慮水泵功耗的情況下流量的增加對系統(tǒng)能效也幾乎沒有影響，因此綜合考慮噪聲等因素可以選擇一個較小的流量。