插电混动/纯电动汽车用高效热泵系统

2019-05-14

汽车与新动力 2019年2期

0 前言

一般来说，发动机的排气热量会作为配装有发动机的汽车热源使用(如混合动力汽车(PHEV))。丰田2012款Prius插电式混合动力汽车就是使用发动机的排气热量作为热源。在纯电动(EV)模式下，当暖风机工作时发动机也需要工作。如此，在无发动机排气热量可用EV模式下，为了不使电机频繁工作，需要使用大功率的加热器，如图1所示。

图1 PHEV座舱加热概念

对于环保型汽车来说，长续航里程代表了较高的商业价值。但是，由于这些车型的可用余热是有限的，需要额外的热源，例如电加热器来实现座舱加热。如图2所示，座舱加热的能量消耗对EV模式下的续航里程有很大影响。因此，汽车需要增加高效的座舱加热系统以增加续航里程。

图2 座舱加热能量消耗对EV模式续航里程的影响

降低座舱加热系统的能量消耗常用的传统方法有两种：一种是降低座舱加热负荷，如使用通风控制或使用两套采暖通风空调(HVAC)系统分别控制空气供给及循环空气[1]；另外一种方式是使用附加高效热源，如电加热器等。然而，传统方法的效率提升潜力是有限的。而使用热泵实现座舱加热是一种行之有效的方法，因为其吸收环境中的热量并利用热交换(Qo)和空调压缩机将热量输送到座舱[2](图3)。

图3 降低座舱加热系统能量消耗的技术

1 环保汽车空气调节系统的功能

汽车空气调节系统的重要作用是冬天加热和夏天制冷使座舱保持令乘员感到舒适的温度。除湿对舒适性和低温下前挡风玻璃的除雾也非常重要。低于0 ℃的低温环境下，除湿需要空气流通，保持座舱舒适需要较好的加热性能。空气调节系统采用再加热的方式对潮湿空气进行除湿，通过蒸发器使潮湿空气降到露点温度以下，然后在0 ℃低温环境下再加热空气到特定的目标温度或更高。总的来说，需要控制除湿和再加热性能。

对于利用发动机可用余热取暖的汽车空气调节系统，制冷循环只需要控制除湿性能，再加热性能是通过HVAC模块中的调温阀门控制的。然而对于纯电动汽车的热泵系统来说，由于没有发动机余热可用，制冷循环同时需要控制除湿和再加热性能。

1.1 低温环境下良好的座舱加热性能

图4 传统制冷循环与蒸汽喷射加热循环的比较

在一定的空调压缩机转速下，随着低温尤其是低于0 ℃的环境下制冷剂密度降低，制冷剂质量流量也随之降低。如此一来，热泵系统的外部热交换器从环境中吸收的热量减少，空调压缩机抽取的制冷剂减少，从而降低了加热性能。图4所示的蒸汽喷射循环用以解决这个问题[3]。蒸汽喷射循环首先将制冷剂从高压状态膨胀到中压状态。中压状态的两相制冷剂随后被分离成气态和液态。蒸汽制冷剂被重新喷射回空调压缩机，液态制冷剂被再次膨胀到低压状态并输送到外部热交换器进行蒸发。中压状态的蒸汽制冷剂被旁通后喷射回空调压缩机，从而使用于蒸发吸收环境热量的液态制冷剂比例提高，进而增加焓值。喷射高密度的蒸汽制冷剂到空调压缩机的中压通道，增加了制冷剂流量，从而提高了加热性能。此系统可使蒸汽喷射循环采用简单的结构，其由气液分离器、第二个节流阀和改变流量的集成阀组成。

图5示出了蒸汽喷射加热循环的工作原理。从空调压缩机排出的高温高压蒸汽制冷剂在内部冷凝器的冷凝作用下释放热量到座舱。蒸汽制冷剂通过电子膨胀阀1进行减压，随后通过集成阀分离成气态和液态。蒸汽制冷剂被喷射回空调压缩机，液态制冷剂经过分离器内部的节流阀进一步减压。随后，制冷剂通过外部热交换器从环境中吸收热量。

图5 蒸汽喷射加热循环制冷剂流向

图6 紧凑式气液分离器

图6示出了紧凑型气液分离器的简图。其利用旋风湍流效应分离蒸汽和液体，这个装置可以设计得比较紧凑是因为其不需要制冷剂蓄液器。当切换循环，如制冷-加热/加热-制冷时，可以控制压差控制阀和二通阀来旁通下面的节流阀。上面是1个压差控制阀，其由节流阀产生的压差驱动。如此，这两个阀只需要1个二通阀就能实现打开和关闭。当和节流阀并联的二通阀关闭时，节流阀上游和下游产生压差使压差控制阀打开。

1.2 除湿和加热

对于传统汽车空调，其可以利用废热来实现座舱加热，通过控制制冷循环来除湿。暖风机芯体前的空气混合调节门控制加热性能，多余的热量通过散热器释放到环境中。然而，对于汽车热泵系统来说，其无废热可用，仍然通过控制制冷循环来除湿，但外部热交换器的性能(散热或吸热)对于再加热控制至关重要，因为再加热取决于除湿和制冷循环(图7)。如果外部热交换器用于散热到环境中，系统只能使用除湿的一部分热量用于再加热以满足较低的加热需求。另一方面，如果外部热交换器用于吸热，除了除湿的热量，从环境中吸收的热量也可以用于再加热以满足较高的加热需求。通过制冷循环的平衡来控制外部热交换器散热或吸热[2]。

图7 除湿加热的性能控制

图8展示了具有不同除湿加热循环的两个系统，二者都可以使出口空气达到特定的目标温度，其随环境温度变化。第一是串联除湿循环，其含有1个蒸发器，布置在外部热交换器的下游。要实现座舱的出口空气温度最大化，需要通过降低外部热交换器的压力到与蒸发器压力相同从而使制冷剂与环境温度的温差最大化，进而实现外部热交换器的吸热量最大化。要降低座舱的出口空气温度，需要通过提高运行压力以最小化制冷剂与环境温度的温差，进而降低外部热交换器的吸热量。另一方面，在较高环境温度下，多余的热量必须散热到环境中，此时串联除湿模式的作用是通过提高外部热交换器的压力到高于环境温度下饱和压力、直到和座舱内部冷凝器压力相同而实现的。另一个除湿循环模式是并联模式，即低压端蒸发器和外部热交换器相互并联。这种模式可以使座舱出口空气温度比串联模式高，因为其通过控制外部热交换器的压力低于蒸发器的压力，从而实现制冷剂与环境温度更大的温差。通过使用这两个除湿循环，在环境温度0 ℃以下都可以达到所需的除湿性能和出口空气温度甚至更高。

图8 除湿加热模式循环控制

1.3 串联除湿加热模式

图9 串联除湿加热循环制冷剂流向

图9示出了串联除湿加热模式的工作原理。在这种模式下，电子膨胀阀1使制冷剂减压，随后制冷剂通过外部热交换器，再通过膨胀阀2，其使制冷剂再次减压后进入蒸发器、回到蓄液器。在除湿加热模式下，蒸发器对空气进行降温用于除湿，座舱内部冷凝器加热空气到HVAC目标出口空气温度，外部热交换器从环境中吸热或散热到环境中，其由两个电子膨胀阀控制。外部热交换器的传热量和传热方向控制除湿和加热性能。

1.4 并联除湿加热模式

图10示出了并联除湿加热模式工作原理。在这种模式下，座舱内部冷凝器散热到座舱，随后制冷剂被分为两路。一路经电子膨胀阀1减压后流进外部热交换器，其用于吸收环境中的热量。另外一路经电子膨胀阀2减压后流入蒸发器冷却座舱空气。压力阀布置在蒸发器下游，其保持蒸发温度高于特定值以防止结霜。这种除湿加热模式允许外部热交换器的蒸发温度低于蒸发器的温度，以便使外部热交换器可以从环境空气中吸收更多的热量，当环境温度在0 ℃左右时，此系统可以达到更高的加热性能。

图10 并联除湿加热循环制冷剂流向

2 结果

2.1 蒸汽喷射加热循环的影响

图11 传统热泵循环制冷剂流向

对比蒸汽喷射热泵循环和传统热泵循环(图11)，可以体现蒸汽喷射热泵循环的优点。图12和图13示出了加热性能和能量消耗的台架试验对比。在同样的空调压缩机转速下，蒸汽喷射加热循环的加热性能比传统加热循环高出26%。在同样的加热性能(假定加热效率为100%)下蒸汽喷射加热循环的能耗比PTC高63%。图2示出了座舱加热能耗和EV模式续航里程的关系，将降低能量消耗的结果应用到图2中，EV模式续航里程增加21%。

图12 蒸汽喷射加热性能

图13 蒸汽喷射加热效率

2.2 串联除湿加热模式的温度控制

图14示出了串联除湿加热模式的温度控制。蒸发器和出口空气温度可以通过控制外部热交换器的热交换量和电子膨胀阀单独控制。总的来说，通过台架试验确认了HVAC出口空气温度可以控制在10～50 ℃，蒸发器下游的空气温度控制在10 ℃左右。

图14 串联除湿加热模式外部空气温度控制

2.3 并联除湿加热模式的温度控制

图15 并联除湿加热模式外部空气温度控制和能量消耗

图15示出了并联除湿加热模式的温度控制。当蒸发器压力调节器维持座舱蒸发器的蒸发压力时，随着空调压缩机转速提高，控制外部热交换器的蒸发压力可以达到加热目标。如此一来，当蒸发器性能被控制时(除湿性能)，外部热交换器吸热量增加。通过台架试验确认了出口空气温度可以控制在30～60 ℃，蒸发器下游的空气温度保持在1 ℃。这种除湿模式的能量消耗比PTC电加热器低57%。将降低能量消耗的结果应用到图2中，EV模式续航里程增加15%。