电动汽车热泵空调制热模式启动性能的试验研究

黄海圣 魏名山 彭发展 张虹 李丽

（北京理工大学）

电动汽车热泵空调制热模式启动性能的试验研究

黄海圣 魏名山 彭发展 张虹 李丽

（北京理工大学）

利用电动汽车热泵空调试验系统，测试了热泵空调系统制热模式从启动至稳定过程中，不同环境温度及压缩机转速下系统高压侧压力、低压侧压力、压缩机出口温度、车外换热器进口温度、车室内温度随时间变化的关系，并分析了环境温度及压缩机转速对电动汽车热泵空调制热模式启动性能的影响。试验表明，环境温度越低，电动汽车热泵空调系统未启动时平衡压力越低，启动后达到稳定状态的时间越长，热泵空调系统制热量越低；压缩机转速越高，系统达到稳定状态的时间越短，热泵空调系统制热量越高。

1 前言

空调系统作为电动汽车功耗最大的辅助子系统，其功耗占所有辅助子系统功耗的60%～80%，因此对电动汽车的续航里程和驱动性能影响很大[1]。电动汽车空调系统由于无发动机余热可以利用，必须采取其它方式实现取暖功能[2]。目前，电动汽车空调系统广泛采用PTC热敏电阻电加热取暖，但此方式能耗高、制热效率低，严重影响电动汽车的续航里程[3]。因此，研究适用于电动汽车的冷暖一体式热泵空调对其节能、乘座舒适性、安全性具有重要意义[4]。

TakahisaSuzuki和KatsuyaIshii[5]开发了以R134a为工质的电动汽车热泵空调系统，系统制热能效比COP值在较低环境温度下可达2.3以上；Moo-Yeon Lee[6]检测了电动汽车热泵空调系统在不同试验条件下的制热性能，表明随车外环境温度的上升热泵空调系统的制热量增加。可见，电动汽车热泵空调能效比较高，对整车结构改变小，故在电动汽车上采用热泵空调具有广阔的前景。目前电动汽车热泵空调的运行效果还不理想，主要表现在热泵空调系统的低温适应性和车外换热器表面结霜及除霜等问题[7]。为此，利用电动汽车热泵空调试验系统，对热泵空调系统制热工况下的启动性能进行分析。

2 电动汽车热泵空调系统

电动汽车热泵空调试验系统如图1所示。制热循环过程为：压缩机对低温低压的气态工质做功，使其被压缩成高温高压气体，工质经过四通换向阀流入车内换热器，经等压冷凝后变为中温高压的液体，并向车内散热，然后经膨胀阀的节流降压变为低温低压的气液混合物，最后工质在车外换热器内蒸发变为低温低压气体，并从环境中吸收热量，完成一次循环。制冷循环过程为：压缩机对低温低压的气态工质做功，使其被压缩成高温高压气体，工质经过四通换向阀流入车外换热器，经等压冷凝后变为中温高压的液体，并向环境中散热，然后经膨胀阀的节流降压变为低温低压的气液混合物，最后工质在车内换热器内蒸发变为低温低压气体，并从车内吸收热量，完成一次循环。

为模拟真实的电动汽车冷热负荷，热泵空调试验系统安装在一个车形测试台架上，车内换热器、鼓风机及其风道安装在车内，电机、压缩机、车外换热器等部件安装在车外。热泵试验系统选取可变排量压缩机、内平衡式膨胀阀，车外换热器选取平行流换热器，车内换热器选取管片式换热器。热泵空调系统各部件之间采用铜管连接，并采用保温材料对管路进行包裹，以保证系统管路的保温性能。选用安全、不易燃、不破坏臭氧层、具有很好的溶油性和较高COP值的R134a作为制冷剂。

利用Lab View软件编写电动汽车热泵空调数据采集系统，采集板连接变送器和传感器，对压缩机进口温度和压力、压缩机出口温度和压力、车内换热器出口温度和压力、车外换热器进口温度和压力，以及环境温度、车内温度进行监测。

3 理论分析

热泵是将热能从低温物系（环境大气）向高温热源（车内空气）输送的装置。在电动汽车热泵空调制热工况下，热泵在车内空气温度（即高温热源温度）和大气温度（即低温热源温度）之间工作，其效果是使车内空气获得热量[8]。

热泵空调系统制热模式理论上可以实现压缩蒸汽的逆向卡诺循环。蒸气压缩式热泵空调系统工作原理如图2所示，其主要由压缩机、节流机构、换热器和换向阀等组成。当系统处于制冷模式时，工质在换热器III中从低温热源吸收热量Qin进行蒸发，在换热器I中冷凝向高温热源放出热量Qout；当系统处于制热模式时，工质通过换向阀II时改变流动方向，在换热器III中冷凝向高温热源放出热量Qout，在换热器I中蒸发从低温热源吸收热量Qin。

当电动汽车热泵空调系统处于制热模式时，工质在系统内部主要经过压缩、冷凝、膨胀、蒸发等过程，在压缩功的补偿下，将低温环境中的热量源源不断地泵送到车内，其压焓图（p-h图）和温熵图（T-s图）如图3所示。图3中，1-2表示工质在压缩机内绝热压缩过程，2-2′-3表示工质在车内换热器中等压冷凝散热过程，3-4表示工质在膨胀阀中节流降压过程，4-1表示工质在车外换热器中等压蒸发吸热过程。

4 试验结果与分析

4.1 热泵空调制热模式启动性能分析

对压缩机转速为3 400 r/min、环境温度为-3℃时的热泵空调制热工况启动阶段的性能进行试验。热泵空调系统从压力平衡状态下启动后，系统从压缩机出口经车内换热器至膨胀阀入口的高压侧压力近似均衡，从膨胀阀出口经车外换热器至压缩机进口的低压侧压力近似均衡。热泵空调系统启动后，在压缩机的驱动下，系统高压侧和低压侧的压力分别向不同的方向一致变化。

图4为热泵空调系统高压侧和低压侧压力随时间变化曲线，高压侧压力取压缩机出口压力，低压侧压力取膨胀阀出口压力。由图4可看出，系统从启动至40 s，系统压力迅速变化，高压侧压力升高速率比低压侧压力降低速率快；从40 s至340 s，系统高压侧压力保持稳定，低压侧压力持续降低；从340 s至690 s，高压侧压力和低压侧压力均升高；从690 s至860 s，高压侧压力和低压侧压力均降低；然后，高压侧压力平稳上升，低压侧压力保持稳定。

图5为热泵空调系统压缩机出口温度、车外换热器进口温度随时间变化曲线。热泵空调系统启动后，压缩机出口温度持续上升，从启动至390 s，车外换热器进口温度降低至-22℃，从390 s至770 s，车外换热器进口温度上升，然后保持稳定。

从系统启动至390 s，膨胀阀节流降压后管道内压力迅速降低，气液混合物的压力低于其温度对应的饱和压力，制冷剂快速气化，当制冷剂完全气化后，在压缩机的抽吸作用下，低压侧压力会继续降低。由于制冷剂的快速气化吸热，热量只能来源于尚未蒸发的液态本身，因此会造成制冷剂温度的大幅度下降。从390 s至770 s，膨胀阀节流后压力不再低于其温度对应的饱和压力，不再出现闪发性蒸发现象，膨胀阀出口的温度逐渐上升。随车外换热器内气体压力的升高，压缩机的进口压力升高，变排量压缩机控制阀开度增大，活塞行程增大，热泵空调系统制热量增大，车内温升迅速上升。此时，压缩机进口压力升高，带动压缩机出口压力升高，启动690 s后，随压缩机出口压力升高，斜盘箱压力升高，变排量压缩机控制阀开度降低，活塞行程减小，造成压缩机出口压力降低，热泵空调系统制热量减小，车内温升速度减缓。

4.2 环境温度对热泵空调制热模式启动性能的影响

由R134a的压焓图可知，在定比容(单位质量物质所占的体积一定)条件下，随温度的降低，制冷剂存在由气相变为气液两相的过程。无论处于气相还是气液两相，制冷剂压力都随温度的降低而降低，且制冷剂处于气液两相时压降对温降的敏感程度更明显。

热泵空调系统内填充的制冷剂在换热器、管道与环境之间存在热量交换，制冷剂的温度随环境温度的降低而降低。在制冷剂填充量不变、管道容积不变的情况下，可视为定比容条件，制冷剂的压力会随温度的降低而降低。由试验测试结果可知，电动汽车热泵空调系统未启动时，在环境温度分别为3℃、0℃和-3℃处于平衡状态下，系统平均压力依次为405.8 kPa、341.3 kPa和316.4 kPa。

在压缩机转速为3 400 r/min、环境温度分别为3℃、0℃和-3℃的条件下，进行电动汽车热泵空调制热工况启动性能试验，并对比分析了在启动阶段（0～1 200 s）不同环境温度对系统高压侧压力、低压侧压力、压缩机出口温度、车外换热器进口温度、车内温度的影响。

图6为不同环境温度下电动汽车热泵空调系统压力随时间变化的对比曲线。由图6可看出，当环境温度为3℃时，系统从启动至480 s，系统高压侧压力、低压侧压力均存在波动，然后高压侧压力平稳上升，低压侧压力保持稳定；当环境温度为0℃时，系统从启动至620 s，系统高压侧压力、低压侧压力存在波动，然后高压侧压力平稳上升，低压侧压力保持稳定；环境温度为-3℃时，系统从启动至860 s，系统高压侧压力、低压侧压力存在波动，然后高压侧压力平稳上升，低压侧压力保持稳定。

图7 为不同环境温度下压缩机出口及车外换热器进口温度随时间变化的对比曲线。由图7可看出，环境温度为3℃时，压缩机出口温度持续上升，系统从启动至205 s，车外换热器进口温度降低至-10℃，从205 s至370 s，温度上升，然后保持稳定；环境温度为0℃时，压缩机出口温度持续上升，系统从启动至210 s，车外换热器进口温度降低至-17℃，从210 s至470 s，温度上升，然后保持稳定；环境温度为-3℃时，压缩机出口温度持续上升，系统从启动至390 s，车外换热器进口温度降低至-22℃，从390 s至770 s，温度上升，然后保持稳定。

图8为不同环境温度下车内平均温度随时间变化的对比曲线。由图8可看出，环境温度为3℃时，系统从启动至480 s，车内平均温度存在波动，在320 s时达到18℃（冬季人体舒适温度），然后保持平稳上升；环境温度为0℃时，系统从启动至620 s，车内平均温度存在波动，在480 s时达到18℃，之后保持平稳上升；环境温度为-3℃时，系统从启动至860 s，车内平均温度存在波动，至1 200 s时车内温度尚未达到18℃。

在环境温度越低的情况下，电动汽车热泵空调系统在未启动状态下的系统平衡压力越低，则系统建立稳定的高低压压差所需的时间延长，系统达到稳定状态的时间越长。热泵空调系统启动时环境温度越低，由膨胀阀节流降压造成的闪发性气化蒸发现象越严重。闪发性气化蒸发现象会降低车外换热器进口温度和压缩机出口温度，从而降低热泵空调在启动阶段的制热量，使热泵空调系统的制热效果较差。

4.3 压缩机转速对热泵空调制热模式启动性能的影响

在环境温度为0℃、压缩机转速分别为1700r/min、3 400 r/min的条件下，进行电动汽车热泵空调制热工况启动性能的试验，并对比分析了在启动阶段（0～1 800 s）不同压缩机转速对系统高压侧压力、低压侧压力、压缩机出口温度、车外换热器进口温度、车内温度的影响。

图9为不同压缩机转速下电动汽车热泵空调系统压力随时间变化的对比曲线。由图9可看出，压缩机转速为1 700 r/min时，启动后系统高压侧压力平稳上升，系统从启动至1 150 s，低压侧压力逐步降低，然后逐步上升，最后保持稳定；压缩机转速为3 400 r/min时，系统从启动至620 s，系统高压侧压力、低压侧压力存在波动，之后高压侧压力保持平稳上升，低压侧压力保持稳定。

图10为不同压缩机转速下压缩机出口及车外换热器进口温度随时间变化的对比曲线。由图10可看出，压缩机转速为1700r/min时，压缩机出口温度持续上升，系统从启动至210s，车外换热器进口温度降低至-24℃，从210 s至1 150 s，温度上升，然后保持稳定；压缩机转速为3400r/min时，压缩机出口温度持续上升，系统从启动至210s，车外换热器进口温度降低至-17℃，从210s至470s，温度上升，然后保持稳定。

图11为不同压缩机转速下车内平均温度随时间变化的对比曲线。由图11可看出，压缩机转速为1 700 r/min时，系统启动后车内平均温度平稳上升，在1 230 s时达到18℃；环境温度为0℃时，系统从启动至620 s，车内平均温度存在波动，在480 s时达到18℃，然后保持平稳上升。当压缩机转速较低时，车内内温度上升较缓慢；当压缩机转速越高时，在系统启动初期车内内平均温度保持短暂的稳定后快速升高，可满足热泵空调系统快速升温的需要。

压缩机排量为压缩机每一转的输气体积流量，压缩机转速影响单位时间内压缩机出口工质的体积流量，因而不同压缩转速下热泵空调系统内工质循环流量不同。压缩机转速越高，热泵空调系统内工质循环流量越高，单位时间内热泵空调的制热量越高。另外，压缩机转速越低，热泵空调系统启动后经膨胀阀节流降压造成的闪发性气化蒸发现象严重，长时间降低了车外换热器进口温度和压缩机出口温度，制热效果差。

5 结束语

a.由于膨胀阀节流降压后工质闪发性气化蒸发，电动汽车热泵空调在启动阶段影响车外换热器进口压力和温度，从而影响热泵空调系统启动阶段的制热量。

b.在压缩机转速一定的条件下，环境温度越低，热泵空调系统建立稳定的高、低侧压差的时间越长，系统达到稳定状态的时间越长，且热泵空调系统启动阶段车外换热器进口闪发性气化蒸发现象严重，制热效果差。

c.在环境温度一定的条件下，压缩机转速越低，热泵空调系统内工质循环流量越低，单位时间内热泵空调的制热量越低，且热泵空调系统启动后经膨胀阀节流降压造成的闪发性气化蒸发现象严重，制热效果差。

1闵海涛，王晓丹，曾小华.电动汽车空调系统参数匹配与计算研究.汽车技术，2009（6）:19～22.

2谢卓，陈江平，陈芝久.电动车空调系统的设计分析.汽车工程，2006，28（8）：763～765.

3张优，张海东，黄绍军，等.纯电动汽车空调制热方案探讨. SAE-C2010P160.

4徐磊，林用满，宋文吉，等.电动汽车用热泵空调系统的设计与研究.汽车技术，2013（11）:55～58.

5Takahisa Suzuki，Katsuya Ishii.Air Conditioning System for Electric Vehicle.SAE paper 960688.

6Moo-Yeon Lee，Chung-Won Cho，Jong-Phil Won etal.Performance characteristics of mobile heat pump for a large passenger electric vehicle.Applied Thermal Engineering，2013，50（1）：660～669.

7陈镇凯，胡文举.制约空气源热泵推广应用的技术因素的研究现状.制冷与空调，2012，12（1）：12～18.

8沈维道，童钧耕.工程热力学.北京：高等教育出版社，2007.修改稿收到日期为2013年10月23日。

（责任编辑文楫）

Experimental Study on Starting Performance of Electric Vehicle's Heat Pump Air-conditioning under Heating Mode

Huang Haisheng，Wei Mingshan，Peng Fazhan，Zhang Hong，Lili
（Beijing Institute of Technology）

With the use of an experimental system of heat-pump air conditioning on electric vehicles，various parameters of the system versus time from startup to steady state under heating condition are tested at different ambient temperatures and compressor speeds.The parameters include pressure at both high-pressure side and low-pressure side，outlet temperature of compressor，inlet temperature of external heat exchanger and interior temperature.The effects of ambient temperature and compressor speed on heat-pump air conditioning's starting performance under heating condition are tested and analyzed.The results show that the lower the ambient temperature is，the lower the equilibrium pressure is of the system when it is not started which also leads to a longer time the system reaches a steady state and a lower heating capacity of the heat pump air conditioning system.Besides，the higher the compressor speed is，the shorter time the system reaches a steady state，and the higher heating capacity of the system.

Electric vehicle,Heat pump air-conditioning,Heating condition,Starting performance

电动汽车热泵空调系统制热模式启动性能

U463.85+1

：A

：1000-3703(2014)01-0034-05