电动汽车热泵空调系统设计优化及试验研究

胡爱军，程 勋，李延锋

( 河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454000 )

电动汽车热泵空调系统设计优化及试验研究

胡爱军，程 勋，李延锋

( 河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454000 )

为高效节能的满足电动汽车冬季采暖需求，本文结合电动汽车结构研制了一套蒸汽压缩式冷暖双模式热泵空调系统，将其搭载在电动汽车上进行性能试验，研究了环境温度对热泵空调系统制热性能的影响，结果表明该系统能较好的满足电动汽车冬季采暖需求。热泵空调系统性能受环境温度影响大，环境温度越低，系统制热量越少、制热效率越低。针对低温环境下热泵空调系统效率低下的情况，利用电动汽车驱动电机余热优化系统，实验对比分析两种情况下的制热性能，结果表明利用驱动电机余热对提高热泵空调系统性能有很大的帮助。

热泵空调；电动汽车；试验研究；驱动电机余热

Abstract：A cooling and heating dual-mode heat pump air-conditioning system has been developed combined with the structure of electric vehicle for meeting winter heating demand of electric vehicle and performance test was carried out in an electric vehicles.The heating performance was studied under different ambient temperatures.The results showed that the heat pump air-conditioning system could meet the requirement of electric vehicle winter heating demand.But the performance of the heat pump air conditioning system was affected by the ambient temperature,When the ambient temperature was lower,the heating capacity and heating efficiency was lower.For low heating efficiency of heat pump air-conditioning system under low ambient temperature,the paper optimized system by using drive motor heat,analysis heating performance under two kinds of situations,the results show that the driving motor heat is of great help to improve the performance of heat pump air-conditioning system.

Keywords：Heat pump air-conditioning；Electric vehicle；Experimental research；Driving motor heat

0 引言

能源危机环境污染已成为世界关注的焦点。据统计，全世界汽车每年耗油量占到全世界消耗石油总量的20%，而汽车排放的尾气占到大气污染的30%～60%[1]，因此，节能环保已成为汽车行业的首要任务。研究出清洁无污染的电动汽车成为解决能源危机环境污染问题的一种途径[2]。

电动汽车与传统燃油汽车同样需要一个舒适的驾驶和乘坐环境，空调系统仍然是电动汽车不可或缺的重要部分[3]。传统的燃油汽车空调制热利用发动机余热作为热源，而电动汽车空调制热可利用的热源有限。目前电动汽车制热多采用高效热敏电阻PTC电加热的方式，这种建立在纯消耗电能基础上的制热方式，其制热效率极低，且消耗电能约占电动汽车整车消耗能量的33%[4]，严重缩短了电动汽车的续航里程。因此研究冷暖双模式热泵空调系统对电动汽车乘坐的舒适性、安全性、节能环保具有重要的意义[5]。

李丽[6]等在2013年设计了一套适用于电动汽车的蒸汽压缩式冷暖双模式热泵空调系统，在不同的环境温度下对其制热性能进行了实验研究，结果表明，热泵空调系统能高效的满足电动汽车冬季采暖需求。此外，外界环境温度对热泵空调的性能影响较大，随着车室外环境温度的降低，系统制热性能衰减严重。2014年，Ahn等[7]设计了一套R134a空气-废热双热源的热泵空调系统，并对其进行了优化设计，通过实验数据分析得出:双热源系统的制热量和COP要比单热源系统高。

1 电动汽车双热源热泵空调系统

该系统采用的是中温制冷剂R134a，当热泵空调系统处于制热模式下工作，室外温度较低时，室外换热器从空气热源中吸收的热量有限导致系统的制热量衰减的严重，特别是室外温度在0℃以下时，室外换热器极易结霜，会严重影响换热器的换热性能[8]。如何提高热泵空调系统制热性能，从传热公式Q=K·F·Δt分析制热性能时，对于本实验所选室外换热器，其传热系数K和传热面积F都是一定，只有提高室外换热器进风口温度，从而提高了室外换热器进出口温差，最终提高系统的制热性能。

电动汽车驱动电机在额定工况运转时效率会损失(铁损和铜损)，这些损失会以发热的形式表现出来，通过电机余热回收装置收集该部分热量并送至室外换热器进风口，提高室外换热器传热温差，从而提高系统的制热性能。

1.1 双热源热泵空调系统原理

针对热泵空调系统低温环境制热性能低下的情况，本文设计了双热源热泵空调系统(原理如图1)该系统由压缩机、四通换向阀、室内外换热器、节流装置(双向膨胀阀)、过滤器、气液分离器等基本部件构成，通过循环流动的制冷剂将低温环境中的热能转移到高温环境中去，实现制冷或制热的要求。

图1 双热源热泵空调系统Fig.1 Double heat source heat pump air conditioning system

当热泵空调系统处于制冷模式下工作，四通阀不通电，低温低压制冷剂蒸汽被压缩机吸入，压缩为高温高压的过热蒸汽通过过滤器(过滤压缩机排除的杂质)、换向四通阀排至室外换热器，同时室外侧风扇吸入的室外空气流经室外换热器，带走制冷剂放出的热量，使高温高压的制冷剂蒸汽凝结为高压液体，高压液体经过膨胀阀降温降压后流入室内换热器，并在相应的低压下蒸发，吸取周围热量，同时室内侧风扇使室内空气不断进入室内换热器肋片间进行热交换，并将放热后变冷的气体送入车室内，制冷剂经室内换热器换热后变为低温低压的气体并通过换向四通阀、气液分离器再次进入压缩机，完成制冷循环。

当热泵空调系统处于制热模式下工作，四通阀通电，低温低压制冷剂蒸汽经压缩机压缩为高温高压过热蒸汽，通过换向四通阀改变流动方向，流入室内换热器，向车室内空气放热，变为高压液体，高压液体经过膨胀阀变为低温低压气液混合态，最后经室外换热器从室外吸热变成低温低压气体并通过换向四通阀、气液分离器再次进入压缩机，完成制热循环。当环境温度较低时，利用驱动电机余热回收装置收集驱动电机余热通过风道送至室外换热器，提高室外换热器周围环境温度，从而提高热泵空调系统低温制热效率。

1.2 热泵空调系统理论分析

在制热模式下，蒸汽压缩式热泵空调理论循环在温熵图和压焓图的表示如图2所示。压缩机吸入的是以点1表示的饱和蒸汽，1-2表示制冷剂在压缩机中等熵压缩过程。2-3-4表示制冷剂在冷凝器中冷却和冷凝过程，在冷却过程2-3中制冷剂与环境介质有温差，在冷凝过程3-4中制冷剂与环境介质无温差，在冷却和冷凝过程中制冷剂压力保持不变，且等于冷凝温度Tk下的饱和蒸汽压力pk。4-5表示制冷剂在膨胀阀中绝热膨胀，制冷剂的压力和温度都降低，焓值保持不变。5-1表示制冷剂在蒸发器中蒸发过程，制冷剂在温度T0、饱和压力p0保持不变的情况下蒸发。

图2 蒸汽压缩式热泵理论循环Fig.2 Theoretical cycle of vapor compression heat pump

由图2可知，单位质量制冷剂制热量即单位质量制冷剂蒸汽在冷凝器中放出的热量qk，包括显热和潜热两部分。在T-s图上用面积a-2-3-4-c-a表示，而在p-h图上是以线段长度2-4表示。

qk=(h2-h3)+(h3-h4)=h2-h4

式中：h2为室内换热器入口焓值，h4为是室内换热器出口焓值。

单位质量制冷剂耗功量w0在T-s图上用面积1-2-3-4-c-b-5-1表示，而在p-h图上以横坐标轴上的线段1′-2′的长度来表示。

w0=h2-h1

式中：h1为压缩机入口焓值。

热泵空调系统制热时的制热系数(COP)是实际制热量与实际输入功率的比值，是衡量系统性能重要的参数。

2 试验装置

2.1 热泵空调试验系统

本文设计热泵空调试验系统搭载在吉利全球鹰GX2电动汽车上进行试验，该热泵空调系统由电动涡旋压缩机、平行流换热器、管片式换热器、双向膨胀阀、换向四通阀等部件通过汽车空调管路连接起来，管片式换热器、轴流风扇等部件安装在车室内的风道中，电动涡旋压缩机、平行流换热器、双向膨胀阀等安装在车室外。为了保证热泵空调试验操作的安全性，该热泵空调系统设有控制系统，控制系统开关安装在空调控制面板上。

压缩机是电动汽车热泵空调系统的心脏，其主要功能是将低温低压制冷剂气体压缩为高温高压的制冷剂气体，为制冷系统提供动力[9]。本热泵空调系统选用半封闭式电动涡旋压缩机，涡旋式压缩机效率高、振动小、结构简单、可靠性高。压缩机的具体参数见表1。

换热器是制冷剂与外界环境进行热交换的主要场所，本热泵空调系统包括两个换热器：室内换热器(管片式换热器)和室外换热器(平行流换热器)。不同的工作模式下室内外换热器作用不同，制冷模式时，室内换热器用作蒸发器，室外换热器用作冷凝器，制热模式时，室内换热器用作冷凝器，室外换热器用作蒸发器[10]。室内外换热器具体结构参数见表2。

表1 涡旋式电动压缩机参数

Tab.1 Parameter ofscroll type electric compressor

项目参数项目参数名称ACD25用冷媒R134a结构形式全封闭无刷电机涡旋压缩机排气量25cc/r额定转速2500r/min能效比26名义功率1000W电源类型DC60V润滑油POE46H120ml蒸发温度范围1～156℃重量52kg冷凝温度范围35～55℃

表2 室内外换热器结构参数

Tab.2 Structural parameter of the heat exchangers

室内换热器室外换热器类型管片式平行流式外形尺寸/mm(长×宽×高)330×130×120368×25×352迎风面积/m2004013管数32根(圆管)34排(扁管)直径/mm8(圆管)25(集液管)

膨胀阀主要用于节流降压，控制进入蒸发器的制冷剂流量，防止压缩机液击和异常过热。按照平衡方式的不同，膨胀阀可分为内平衡式和外平衡式两种。根据制冷剂的类型以及系统额定制冷制热量，本试验系统选用双向热力膨胀阀BRF134AW-4.5。

2.2 测试和数据采集系统

为了测试热泵空调系统的制热性能，需要对系统中关键点的温度、湿度和压力进行监测并采集数据，并采集压缩机的输入功率。故在压缩机进出口、室内外换热器进出口、膨胀阀进出口布置了热电偶和压力变送器，在室内换热器风道进出口处布置了温湿度变送器，在电池组和压缩机之间布置了电压和电流变送器。热电偶连接安捷伦数据采集仪进行温度监测和采集，压力变送器、温湿度变送器、电压和电流变送器连接无纸记录仪进行数据监测和采集。热电偶和变送器具体参数见表3。

表3 热电偶和变送器参数

Fig.3 Parameter of thermocouple and transmitter

名称结构形式量程精度压力变送器MIK-P3002～25MPa03级温湿度变送器MIK-THF温度-20～60℃，湿度5%～95%3A级电源变送器MIK-DZV-80V0～80V05%电压变送器MIK-DZI-20A0～20A1%热电偶TT-T-24-50～150℃025mm

3 试验方法

本试验在露天环境下进行，无法精确的保证室内外环境温度及湿度，只能选择相近的环境参数进行试验。为了保证车室内外环境参数的一致，每组试验前将车门打开放置环境中，待车室内外环境参数基本一致时，开启室内外换热器风扇，然后启动压缩机、打开换向四通阀使热泵空调系统处于制热模式，同时开启无纸记录仪和数据采集仪器进行监测和数据采集。

4 试验结果与分析

本文试验研究了不同的环境温度(5℃、0℃、-5℃)对系统压力、压缩机排气温度、车室内平均温度、系统制热量、系统能效比COP以及驱动电机余热对系统制热性能的影响。

图3是不同环境温度系统压力的变化曲线，取压缩机出口处为系统高压，压缩机进口处为系统低压。系统启动瞬间，高压迅速上升，在570s时系统高压达到最大值，随后趋于稳定但略有波动。低压压力有所下降，下降速率远低于高压上升速率，期间略有震荡，在600s后逐渐趋于稳定状态。由图可知环境温度越高，系统压力越高，不同环境温度下，系统高压压差较大，低压压差小。

图3 不同环境温度下系统压力变化Fig.3 The change of system pressure under different ambient temperature

图4 不同环境温度下压缩机排气温度变化Fig.4 The change of compressor exhaust temperature under different ambient temperature

图4是不同环境温度压缩机排气温度随系统运行时间变化的曲线，由图可以看出，压缩机排气温度随时间快速上升，达到一定时间后趋于稳定。环境温度越高，压缩机排气温度越高，单位质量制冷剂冷凝热越多。但是排气温度过高会增加冷凝器热负荷，且会使压缩机气缸等部件温度也升高，导致压缩机输气系数减小、效率降低，所以压缩机排气温度应保证在一定范围内。环境温度为5℃和0℃的排气温度差较大，可知环境温度对压缩机排气温度影响较大。

图5 不同环境温度车室内温度变化Fig.5 The change of cabin temperature under different ambient temperature

图5是车室内平均温度随系统运行时间的变化曲线，冬季车室内人体舒适温度为16℃～20℃，本试验设定车室内目标温度18℃。随着系统的运行，车室内平均温度上升速率较大，随后上升速率平缓。在环境温度5℃、0℃、-5℃时，车室内平均温度达到目标温度需要的时间分别为260s、380s、1050s，可见随着环境温度的升高，车室内平均温度达到目标温度的时间越短。

图6是不同环境温度下压缩机功率、系统制热量、制热性能系数COP变化曲线，环境温度越高，压缩机功率、系统制热量、制热性能系数COP越大。在环境温度5℃、0℃、-5℃时，系统制热性能系数COP分别为3.3、3、2.75。由图我们可以看出，在环境温度5℃时，系统制热量为3170W，而在环境温度0℃时，系统制热量为2060W，可见随着环境温度的下降，系统制热量衰减严重。

图6 不同环境温度系统制热量、制热性能系数变化Fig.6 The change of system heat andcoefficient of performance

由以上试验结果分析可知，环境温度对热泵空调系统制热性能影响较大，环境温度越低，制热性能也越低。其主要原因是环境温度较低时，系统与室外环境之间的换热量也减少，另外随着系统蒸发温度和冷凝温度的下降，压缩机的消耗功也下降。本热泵空调系统搭载在电动汽车上进行实车试验，电动汽车运行时驱动电机会产生一定热量，利用电机余热回收装置收集该部分热量送至室外换热器。图7是在环境温度-3℃时驱动电机表面温度和电机余热回收装置出风口温度随时间的变化曲线。随着电动汽车的运行，驱动电机表面温度和电机余热回收装置出风口温度快速上升，最终趋于稳定。驱动电机表面温度达到67℃，电机余热回收装置出风口温度可达到14℃。

图7 电机表面温度和余热回收装置出风口温度的变化Fig.7 The change of the surface temperature of the motor and the outlet temperature of the waste heat recovery device

图8是环境温度-3℃时未利用余热回收和利用余热回收车室内平均温度随系统运行时间的变化曲线，未利用电机余热车时，车室内平均温度达到目标温度(18℃)时间为930s，利用电机余热时，车室内平均温度达到目标温度时间为540s。

图8 车室内温度变化Fig.8 The change of cabin temperature

5 结论

为了高效节能的满足电动汽车冬季采暖需求，根据电动汽车结构特点，本文研制了一套冷暖一体热泵空调系统，将其搭载在电动汽车上进行实车试验，研究了环境温度对系统压力、车室内平均温度、系统制热量和系统能耗比COP的影响。针对热泵空调系统低温环境制热性能下降严重的情况，本文试验研究了电动汽车驱动电机余热系统的制热性能的影响，得到的结论如下：

(1)环境温度越高，系统高低压力均有所上升，压缩机排气温度也越高。

(2)环境温度为5℃、0℃、-5℃时，车室内平均温度均能在短时间内达到舒适温度，环境温度越高，车室内温度达到舒适温度的时间越短。

(3)环境温度越高，压缩机功率、系统制热量、制热性能系数COP越大。环境温度在0℃及以下温度时，系统制热量衰减严重。

(4)环境温度-3℃时，利用电机余热车室内平均温度达到舒适温度时间为540s，未利用电机余热车室内平均温度达到舒适温度时间为930s，对比分析可知利用驱动电机余热对热泵空调系统制热性能的提高有很大帮助。

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DesignOptimizationandExperimentStudyofHeatPumpAir-conditioningSystemForElectricVehicle

HU Aijun,CHENG xun,LI Yanfeng

( School of mechanical and power engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 45400,Henan,China )

2017-2-24

胡爱军(1974-)，男，博士，副教授。研究方向：车辆系统动力学及控制。E-mail:ajhu127@hpu.edu.cn

ISSN1005-9180(2017)03-001-07

TU831文献标示码A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.03.001