电动汽车新型热泵空调系统的设计与试验研究*

彭庆丰，赵 韩，陈祥吉，方运舟，赵家威

(1.合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009； 2.奇瑞新能源汽车技术有限公司，芜湖 241002；3.南京奥特佳冷机有限公司，南京 210022)



2015246

电动汽车新型热泵空调系统的设计与试验研究*

彭庆丰1,2，赵 韩1，陈祥吉3，方运舟2，赵家威2

(1.合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009； 2.奇瑞新能源汽车技术有限公司，芜湖 241002；3.南京奥特佳冷机有限公司，南京 210022)

空调系统的性能对纯电动汽车续航里程具有重要影响，在对采用不同制冷剂和压缩机的电动汽车热泵空调系统进行分析比较的基础上，设计和研制了一种采用二级压缩喷射热泵的电动汽车热泵空调系统，并与PTC采暖方式进行了实车对比试验。结果表明，与PTC采暖系统相比，新型热泵空调系统能够节能15%以上，整车续航里程延长15km以上。

电动汽车；热泵空调；二级压缩；实车试验

前言

纯电动汽车完全依靠动力电池作为驱动动力能源，其空调系统不同于传统内燃汽车[1-2]。与此同时，由于动力电池的容量有限[3-4]，纯电动汽车空调系统的能耗占电池容量的比例较高，可达15%～20%。因此，纯电动汽车空调系统的性能将对电动汽车续航里程造成直接影响。

目前，电动汽车热泵空调的研究主要分为3种类型：(1)基于现有制冷剂R134a的热泵系统；(2)源于德国试验室制冷剂CO2的热泵技术；(3)太阳能热泵空调系统[5-6]。根据换热器的数目，这些系统又可分为单换热器和双换热器两种；根据压缩机的不同，系统又分滑片压缩机和涡旋压缩机两种不同类型[7]。不同系统各具优缺点，适用于不同场合。

大部分电动汽车空调系统在夏季制冷时与汽油机一样采用压缩机，冬季采暖则采用PTC(正温度系数热敏电阻)电加热方式。PTC的电加热方式本身性能、效率和安全存在一定问题，而且降低了电动汽车在冬季的续航里程。因此，探索研究新型热泵空调系统对加快电动汽车的技术进步和市场拓展具有重要的现实意义。

本文中在总结国内外汽车热泵空调系统研究的基础上，设计了一种基于制冷剂R134a的纯电动汽车二级压缩喷射热泵空调系统，通过引入喷射器，首次将采用二级压缩喷射技术的小型涡旋压缩机应用在纯电动汽车热泵空调系统中[8-11]。为了验证所设计的纯电动汽车热泵空调系统的性能，对该系统进行了实车试验，试验结果表明，与电动汽车原有空调系统相比，新型热泵空调系统能够节能15%以上，提高了电动汽车续航里程。

1 纯电动汽车二级压缩喷射热泵空调系统设计

1.1 二级压缩喷射热泵系统

涡旋式压缩机具有力矩变化小、振动小和噪声低等优点，多应用于小型家用空调系统。因此所设计的二级压缩喷射器热泵系统中的二级压缩机是在原电动汽车电动涡旋压缩机的基础上进行重新设计。涡旋压缩机动静涡旋盘结构复杂，涡旋压缩机的喷射二级压缩补气区设计涉及更多内容，其具体补气开发区如图1所示。涡旋压缩机二次增加补气的开始与结束是随涡旋盘的旋转自动打开或关闭。相关研究表明，热泵系统制热量和功耗随着喷射器温度(压力)增大而增大，通过调试，可在某一中间开度(温度压力)获得最佳的制热量和能效比(COP)[12-13]。

较早的纯电动汽车热泵空调系统主要通过四通阀附属设备改变制冷剂的流向，实现冬季制热、夏季制冷的功能，其具体结构如图2所示。但此类热泵系统效率低，能耗高，严重影响冬季电动车的续航里程。本文中提出的新型电动汽车热泵空调系统如图3所示，通过引入喷射器和二次压缩技术的热泵系统，改变压缩机里冷媒工质的压力流速，增加压缩机出口冷媒的排气量和压力，提高压缩机的排气温度，提高热泵系统效率[14-15]。二级压缩喷射热泵系统的压焓图及其与常规电动热泵系统压焓比较如图4所示。图中，常规热泵系统流程为a-b-c’-c-d-e；二级压缩喷射热泵系统流程为a-5’-2’-3-4’-4-7-7’。由图中3-7段与b-d段两段直线长度(焓差)比较，可以明显看出二级压缩的热泵系统制热量增加约20%～30%。

1.2 二级压缩喷射热泵系统性能分析

根据二级压缩喷射热泵系统工作原理可知其如下性能。

(1) 1-2压缩过程

W1-2=(h2id’-h1)/η2

(1)

h2=h1+W1-2

(2)

(2) 2-3二次压缩过程

W2’-3=(h3id’-h2’)/η3

(3)

h3=h2’+W2’-3

(4)

式中：W1-2为压缩机喷射压缩过程1-2做的功，kJ；h2id’为压缩机中入口状态1点等熵压缩至状态2对应焓值，kJ/kg；h3id为压缩机中入口状态1点等熵压缩至状态2对应焓值，kJ/kg；h1,h2和h3分别为对应状态点的制冷剂焓值，kJ/kg；η2和η3分别为喷射过程偏离等熵压缩过程效率。

(3) 热泵系统制热量

Qk=mk(h3-h4)

(5)

(4) 压缩功

W=W1-2+W2-2’+W2’-3

(6)

(5) 制热性能系数(能效比)

COP=Qk/Pk

(7)

式中：Qk为热泵系统制热量；mk为热交换介质质量；h4为状态4点的焓值，kJ/kg；Pk为制热消耗的电功率。

根据式(1)～式(7)理论计算，二级压缩喷射热泵系统与常规热泵系统和目前普遍采用的PTC加热系统进行对比分析如下。

(1) 与常规热泵系统比较，当环境温度0℃(蒸发温度-9℃)时，二级压缩喷射热泵系统的制热量可提高25%，能效比COP提高15%。

(2) 与PTC加热系统比较，因为PTC系统因环境不同而系统效率差异明显，按照两种情况对比如下：在环境温度-2～7℃下，假设PTC的效率为97%，在给车内供暖3.8kW时，其能耗如表1所示；在环境温度-8～-2℃下，假设PTC的效率为97%，在给车内供暖3.29kW时，其能耗如表2所示。

表1 环境温度-2～7℃下能耗比较表

表2 环境温度-8～-2℃下能耗比较表

2 纯电动汽车二级压缩喷射热泵空调系统试验

2.1 试验装置和测试条件

在理论分析和设计的基础上研制了电动汽车热泵空调系统实物样机，并将其搭载在某纯电动汽车上进行性能试验。空调试验室按照国际标准建设，低温试验室可以完成-20℃低温除霜试验，高温试验室可以完成45℃以内的高温试验。试验方法和数据处理均依据中国汽车行业标准QC/T 656—2000汽车空调制冷装置性能要求和QC/T 657—2000汽车空调制冷装置试验方法。测试仪表符合QC/T 657—2000的规定。试验环境条件：环境温度-8±0.5℃和0±0.5℃。

2.2 试验结果分析

-8℃环境下PTC采暖温度曲线和喷射热泵采暖温度曲线分别如图5和图6所示。图5中,-8℃低温环境下，PTC采暖运行约20min，空调采暖出风口温度稳定在42～43℃，PTC额定功率为3.9kW；图6中，喷射热泵系统运行约27min，空调采暖出风口平均温度稳定在36～38℃，驾驶员(副驾驶员)座头部平均温度20℃，热泵压缩机耗功1.3kW。由图5和图6可以看出，热泵采暖升温速率较慢(压缩机由低速自动变速到高速过程)、稳定后出风口平均温度比PTC制热低4～5℃，折算采暖量少0.5kW，而消耗功率少2.1kW。根据式(1)得出喷射热泵能效比约为2.46。

0℃环境下PTC采暖温度曲线、喷射热泵采暖温度曲线和常规热泵采暖曲线图分别如图7～图9所示。图7中，0℃低温环境下，PTC(功率3.9kW)采暖约20min，出风口平均温度稳定在45℃；图8中，喷射热泵系统正常运行约25min，空调采暖出风口平均温度稳定在42℃，驾驶员(副驾驶员)座头部平均温度是22℃；热泵压缩机耗功1.14kW；由图7和图8可以看出，喷射热泵采暖升温速率较慢(压缩机由低速自动变速到高速)稳定后出风口平均温度比PTC制热低3℃，折算采暖量少0.3kW，消耗功率少2.75kW。根据式(1),喷射热泵能效比约为3.15。

由图9中可以看出，0℃低温环境下，常规热泵系统工作20min后，空调采暖出风口平均温度稳定在33℃，喷射热泵温度比常规热泵采暖出风温度高9℃左右，且升温速率相对较快，热量相对提高约25%。

由试验结果可以看出，冬季(-10～10℃)搭载喷射热泵系统比现有电动空调系统(PTC采暖)的整车节能15%以上，提高续航里程15km以上，但采暖温升稍慢，稳定温度略低。

3 结论

纯电动汽车是国家新能源汽车产业化重要的发展战略，其续航里程一直是关键制约因素之一。因此，本文中所提出的新型热泵空调系统对于提高电动汽车续航里程，加快电动汽车的发展具有重要意义。

通过比较采用不同制冷剂和压缩机的电动汽车热泵空调系统，提出基于二级压缩喷射热泵的电动汽车热泵空调系统设计方法，在此基础上，研制了电动汽车二级压缩喷射热泵空调系统实物并进行了实车试验。试验结果表明，与电动汽车现有空调系统(PTC采暖)相比，新型热泵空调系统能够节能15%以上，但采暖效果稍有逊色。

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2015247

Design and Experimental Study of Novel Heat PumpAir Conditioning System for Electric Vehicles

Peng Qingfeng1,2, Zhao Han1, Chen Xiangji3, Fang Yunzhou2& Zhao Jiawei2

1.SchoolofMachineryandAutomobileEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Heifei230009；2.CheryNewEnergyAutomotiveTechnologyCo.,Ltd.,Wuhu241002; 3.NanjingAotecarRefrigeratingCo.,Ltd.,Nanjing210022

The performance of air conditioning system has an important effect on the driving range of electric vehicle (EV). Based on a comparative analysis on the heat pump air conditioner (HPAC) with different refrigerants and compressors for EV, a novel HPAC system with two-stage compression injection heat pump for EV is designed, manufactured and tested on real vehicle with comparison to its counterpart with PTC heating mode. The results show that compared with PTC heating system, the novel HPAC system consumes over 15% less energy with a vehicle driving range extends by more than 15km.

electric vehicle; heat pump air conditioner; two-stage compression; real vehicle test

*国家863计划电动汽车关键技术与系统集成重大项目(2011AA11A220；2011AA11A216)资助。

原稿收到日期为2014年5月5日，修改稿收到日期为2014年8月20日。