电动汽车用热泵空调系统的实验研究
轩小波
1. 2.
1,2
陈斐
1,2
上海新能源汽车空调工程技术研究中心
上海加冷松芝汽车空调股份有限公司制冷研究院
摘要：基于一款电动汽车空调设计了热泵空调系统试验台架，研究了不同压缩机转速和环境温度条件下双换热器和三换热器系统对热泵空调换热性能、总成出风口平均温度及系统COP的影响。结果表明，环境温度越高双换热器系统和三换热器系统的换热性能越高，且三换热器系统的性能优势越明显；压缩机转速为5500rpm、室外环境温度为7℃、1℃、-5℃工况下，三换热器系统较双换热器系统总成出风口平均温度分别高8.0℃、7.2℃和6.1℃，系统COP分别提高15.0%、16.5%和18.2%，提高了电动汽车乘员舱的舒适性和能效比。
关键词：电动汽车 热泵空调 实验研究 三换热器系统 系统COP
Experimental Research of Heat Pump Air-conditioning System
for Electric Vehicle
Songz automobile air conditioning co.,ltd Shanghai 201108
Abstract: Designed a test bench of heat pump air conditioning system based on an electric car air-conditioning. The impact of heat pump air conditioning system transfer performance, average temperature of the outlet assembly and the system coefficient of performance were studied base on two exchangers system and three exchangers system, under different compressor speeds and different ambient temperatures. The test results indicate that, higher the ambient temperature, higher the heat transfer performance of the two exchangers system and three exchangers system, transfer performance advantages more obvious of the three exchangers system. Under compressor speed is 5500rpm, ambient temperature is 7℃,1℃,-5℃conditions, average temperature of outlet assembly of the three exchangers system higher 8.0℃, 7.2℃ and 6.1℃ than the two exchangers system, the coefficient of performance increased 15.0%, 16.5% and 18.2% respectively, and the electric vehicle passenger compartment comfort and energy efficiency is also improved.
Key words:
electric vehicle heat pump air-conditioning experimental research three heat exchangers system system coefficient of performance
1前言
由于新能源电动和混动汽车工业的快速发展，空调系统能耗对电动汽车续行里程的影响日益凸显，这对电动汽车空调系统的节能降耗提出了更高要求。目前市场上的电动汽车冬季大多都采用PTC加热方式采暖，不仅能耗高而且制热效率低，电动汽车空调必须从自身解决低效供暖的问题，热泵型空调技术正好解决了电动汽车采暖能耗高及对发动机余热的依赖问题。
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热泵是利用少量高品位能源使热量由低温热源流向高温热源的节能装置1，在电动汽车中使用热泵空调系统取暖，可利用电能将环境中的热量泵送到车室内，得到的热量为消耗
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的电能与吸收的低位热能之和，因此其能效比大于1[2]；魏名山等人3针对电动汽车在冬天取暖时能耗较高的问题，设计了一套用于取暖的热泵空调系统；热泵COP 是制热模式下热
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泵空调系统的实际制热量与实际输入功率的比值4；Hosoz 等人5将传统燃油汽车空调改装为热泵空调，研究了不同压缩机转速与系统换热量、COP 等参数之间的关系。
本文设计了用于电动汽车室内采暖的热泵空调系统试验台架，研究了不同压缩机转速和环境温度条件下双换热器和三换热器系统对热泵空调换热性能、总成出风口平均温度及系统COP的影响。
2电动汽车热泵空调系统
电动汽车热泵空调系统原理如图1所示，主要由电动压缩机、单向阀、四通换向阀、节流装置、室内外换热器、气液分离器等组成。
图1 电动汽车热泵空调系统图
制冷模式下，从压缩机出口排出的高温高压制冷剂气体经单向阀、四通换向阀进入室外换热器，在室外换热器内与外界空气进行热交换冷凝为低温高压的制冷剂液体，流经节流装置进行节流降压，节流后的气液两相制冷剂进入室内换热器，与室内空气进行交换实现蒸发吸热以达到降低乘员舱内温度的目的，最后从室内换热器排出的低温过热制冷剂经四通换向阀、气液分离器被压缩机吸入进入下一个制冷循环。
制热模式下，从压缩机出口排出的高温高压制冷剂气体经单向阀、四通换向阀进入室内换热器，与车内空气进行热交换以达到提升乘员舱内温度的目的，冷凝为低温高压的制冷剂液体流经节流装置进行节流降压，节流后的气液两相制冷剂进入室外换热器与室外空气进行热交换，最后从室外换热器排出的低温过热制冷剂经四通换向阀、气液分离器被压缩机吸入进入下一个制热循环。
3实验装置与方法 3.1 实验装置
本热泵系统室内空调箱采用一款车用HVAC总成改装而成；实验台架如图2所示。
室外换热系统 室内换热系统
图2 热泵系统实验台架
压缩机作为系统的主要部件对系统的换热性能起着重要作用，该系统选用一款排气量为24cc的车用电动涡旋压缩机，具体参数如表1所示。
表1 涡旋式电动压缩机参数
项目 压缩机型号(代号) 压缩机型式 排气容积 压缩机周围环境温度
转速范围 制冷剂 冷冻油种类 冷冻油注入量
单位 - - cc/rev ℃ rpm ? ? ml
规格
EVS24HLBBAA-5AA 汽车空调用电动涡旋压缩机
24 -40～80 1500-6000 R134a HAF68、POE
120±20(补充油量根据具体情况协商)
室外换热器采用专为汽车热泵空调系统设计的串片式换热器，是将多孔扁管和翅片采用
穿插式结构利用全铝钎焊技术将两种部件焊接而成，加之翅片的百叶窗结构或错窗结构，使得系统在制热模式下此换热器作为蒸发器使用时具有良好的防结霜功能，此种换热器在低温环境下工作同时具有良好的换热性能及分液均匀性。为了解决室内换热器在制热模式下做为冷凝器使用时换热性能不足的问题，本热泵空调系统使用两个内部换热器串联的方式代替传统的一个换热器进行热交换；两个换热器分别为平行流微通道换热器及小管径翅片管式换热器，平行流换热器的位置在HVAC总成中位置保持不变，翅片管式换热器安装在总成中暖风芯体的位置，即充分利用了总成中有限的空间，又提升了室内换热器在系统制热状态下的换热性能；制冷模式下通过两位三通阀自动关闭翅片管式换热器，由平行流换热器单独工作。室内、外换热器主要参数如表2所示。
表2 室内、外换热器参数
名称 串片式换热器 平行流式换热器 管片式换热器
外形尺寸/mm 迎风面积/m2 656×357×38 281×249×38 271×157×35
0.214 0.056 0.038
管径/mm 16×1.8 16×1.8 ?5
最大承受冷媒压力/MPa
4.5 4.5 6
系统采用具有双向节流功能的热力膨胀阀，压缩机吸气口前安装有带干燥过滤功能的气
液分离器，在系统中既能起到干燥过滤的作用，又能避免系统低温制热模式下压缩机发生液击的风险，且减少空调系统庞大的连接回路，简化了控制系统、降低了因接口过多造成冷媒泄漏的机率、提高了系统的密封性，更为节能环保。压缩机排气口处增加油分离器，保证热泵系统在低温环境下工作时润滑油能够在压缩机内流动顺畅，避免排气温度过高而造成压缩机损坏。其他主要仪器参数如表3所示。
表3 主要仪器参数
仪器名称 质量流量计 压力传感器 温度传感器
3.2 实验方法
室内换热系统及室外换热系统分别布置在两个不同的温度环境中，即模拟系统低温制热工况下车内、外的环境条件。在不同的环境温度、压缩机转速下测试双换热器及三换热器热泵系统对换热性能、HVAC总成出风口温度及系统COP的影响。
测量范围 0～400 kg/h 0～5 MPa -40℃～120℃
精度/% 0.5 0.2 0.15
4 实验结果与分析
压缩机转速5500rpm时，室外环境温度分别为7℃、1℃、-5℃时双换热器系统、三换热器系统换热性能如图3所示。环境温度为7℃时三换热器系统换热性能较双换热器系统性能大28%，环境温度为1℃、-5℃时三换热器系统较双换热器系统换热性能分别大25%和19%；即随着环境温度的升高，两种系统的换热性能均有不同程度的提高，且环境温度越高，三换热器系统的性能优势较双换热器系统越明显。
图3 两换热器系统换热性能 图4 两换热器系统总成出风口平均温度 实验过程中此HVAC总成的送风模式选定为全热/除霜/外循环，为了监控总成出风口温度，在除霜风口均匀布置8个热电偶。不同环境温度下两种系统的总成出风口平均温度如图4所示。室外环境温度为7℃、1℃、-5℃时三换热器系统较双换热器系统总成出风口平均温度分别高8.0℃、7.2℃和6.1℃。由此可知，三换热器系统在不同的环境温度下大大提高了乘员舱的舒适性。
不同环境温度下两种换热器系统的COP如图5所示。压缩机转速5500rpm，环境温度为-5℃时，三换热器系统与双换热器系统COP分别为2.73和2.31，室外环境温度为7℃、1℃、-5℃时三换热器系统较双换热器系统COP分别高出15.0%、16.5%和18.2%；对同一种换热
器系统，不同的环境温度下系统COP变化并不明显，如三换热器系统：7℃环境温度下系统COP只比-5℃环境温度下系统COP大0.19，这说明随着环境温度的上升，系统换热性能提高的同时压缩机的功耗也随之升高。
图5 双换热器、三换热器系统COP对比 图6 系统COP随压缩机转速变化曲线 环境温度为-5℃时，双换热器系统与三换热器系统COP随压缩机转速变化情况如图6所示。随着压缩机转速的不断升高系统COP逐渐降低，即压缩机转速越低系统COP越高反之系统COP越低，这说明随着压缩机转速的升高，系统换热性能的提升比小于压缩机功耗的提升比。
5结论与展望
通过实验研究电动车热泵空调双换热器和三换热器系统的换热性能、总成出风口平均温度及系统COP，得出结论：
（1）随着环境温度的升高，双换热器系统及三换热器系统的换热性能均有不同程度的提高，且环境温度越高，三换热器系统的性能优势越明显。
（2）压缩机转速为5500rpm、室外环境温度为7℃、1℃、-5℃条件下：三换热器系统较双换热器系统总成出风口平均温度分别高8.0℃、7.2℃和6.1℃，三换热器系统在不同的环境温度下大大提高了乘员舱的舒适性，三换热器系统较双换热器系统COP分别高出15.0%、16.5%和18.2%; 对于同一种换热器系统不同的环境温度条件下系统COP变化并不明显。 （3）压缩机转速越高系统COP越低，压缩机转速越低系统COP越高。 （4）为了实现电动汽车热泵空调在更低的环境温度下同样具有较高的换热性能及系统COP, 可选择喷气增焓式电动压缩机与chiller或同轴管配合使用做更深一步的研究和探索，为电动汽车热泵空调尽早实现工业化奠定基础。
参考文献：
[1] 姚杨，马最良．浅议热泵定义［J］．暖通空调，2002，32( 3) : 33
[2] 彭发展,魏名山.环境温度对电动汽车热泵空调系统性能的影响[J].北京航空航天大学学报,2014
[3] 魏名山，彭发展，李丽，等．一种变频电机驱动的电动汽车热泵空调系统: 中国，201220659508．9［P］．2013-05-15 [4] 陈万仁，王保东．热泵与中央空调节能技术［M］．北京: 化学工业出版社，2010: 16
[5] Hosoz M，Direk M．Performance evaluation of an integrated automotive air conditioning and heat pump system
［J］．Energy Conversion and Management，2006，47( 5) : 545－559
