基于电场除霜的新能源汽车热泵空调技术

解雅雯，陈冠霖

（无锡职业技术学院，江苏 无锡 214121）

前言

纯电动汽车由于克服了燃油车依赖燃料的问题，节约了能源，环保，噪声小，故代表着未来汽车的发展趋势。空调作为纯电动汽车大功率用电部件，其工作性能直接影响着电动车的续航里程与舒适性。相比于传统的PTC 加热系统，热泵加热技术在制热效率和经济上有着明显的优势[1]，是目前研究的主流。但是空气源热泵室外换热器表面结霜导致机组运行效果差，表面形成的霜层增加了空气流动的阻力，导致空气流量的减小，另一方面霜层的存在增大了室外热交换器导热热阻，从而使机体的性能系数被大大降低。空气源热泵的结霜问题成为了制约其发展的瓶颈。因此，如何有效的延缓空气源热泵结霜以及高效除霜成为了空气源热泵发展的重要问题。

1 热泵空调的工作原理

制冷模式：四通阀不通电时，电动机带动压缩机工作，压缩机吸入低温低压的气态制冷剂，并将它压缩为高温高压的气态制冷剂，随后进入过滤器，过滤器滤去制冷剂中水分及各种杂质后，制冷剂通过四通阀进入车室外换热器，将热量散发出去，同时车室外侧风扇吸入的室外空气流经室外换热器，带走制冷剂放出的大量热量，使高温高压气态制冷剂凝结为高温高压液态制冷剂，经过膨胀阀降温降压后流入车室内换热器，蒸发吸收车内热量，同时室内侧风扇让室内空气不断进入室内换热器散热片间进行热交换，并将散热后变冷的气体送入车内，制冷剂经室内换热器换热后变为低温低压气态制冷剂通过四通阀、气液分离器回到压缩机内，接着下一个工作循环，至始至终，完成了制冷循环。

图1 热泵空调工作原理图

制热模式：四通阀通电时，低温低压的气态制冷剂被压缩机吸入，转化为高温高压的气态制冷剂，随后进入过滤器，滤去水分和杂质，通过换向四通阀改变制冷剂的流动方向后，进入车室内换热器，向车室内空气释放热量，供乘客取暖，其后转化为低温高压的液态制冷剂，经过膨胀阀降压后转化为低温低压的气液混合态制冷剂，最后经车室外换热器从室外吸热变成低温低压气态制冷剂并通过四通阀、气液分离器后进入压缩机内，接着下一个工作循环，至始至终，从而完成了制热循环。

2 结霜机理

交换器在冬季运行时，当空气气温低于0℃时且低于露点温度时，就在其表面结霜。结霜会使车外交换器表面空气流动阻力增大，风量减小，换热器换热温度增高，压缩机吸排温差增大，制冷剂流量降低，导致功耗增大，供热能力明显下降。甚至，会损坏相关机件。

霜层是由冰的冰晶和结晶之间的空气组成的多孔性松散物质，霜层的形成过程实际上就是热质传递的过程，与其形成的初始状态，时间和霜层各个阶段的结构是密切相关的。

由于霜层的结构不同，大致可以将霜层形成的阶段分为以下三个阶段，霜层晶体形成阶段、霜层生长阶段和霜层的充分发展阶段。

当空气接触到低于0℃并低于其露点温度时，热换器的冷壁面上就会由空气中的水分形成互相相隔的结晶胚胎。水蒸气凝结成霜柱，形成霜柱沿壁面不断均匀分布新的针状或柱状的霜晶体出来。这个阶段霜层高度增长快，而霜的密度不大，称为霜层晶体形成阶段。

当柱状晶体的顶部开始分枝时，由于枝状结晶的相互作用发展形成网状的霜层，霜层表面趋向平坦。这个阶段霜层高度增长缓慢但密度增加较快，称为霜层生长阶段。

当霜层表面几乎成为平面后，霜层的结构不变但厚度增加，霜层增厚而形状基本不变的这个阶段，称为霜层充分发展阶段。

对霜层结构的研究，国内外学者提出了不同的霜层模型，包括有霜的多孔模型，平板结霜模型，翅片管换热器结霜模型，冰柱模型，多孔-冰柱混合模型，紧凑式换热器结霜模型等，但每种模型都有其各自的特征和局限性。

3 电场除霜技术

由于水是极性分子，而结霜又是一种水分子的迁移过程，因此可以推断，外加电场必然会对结霜产生一定的影响[2]。第一个报道直流电场对霜层生长影响的是Schaefer[3]，发现霜晶在壁面上以胡须状聚集并快速生长。Tudor[4]通过实验研究了直流电场作用下霜层的生长特性，与数值模拟的结果进行了对比，注意到了两种现象：连续施加电场时，有非常细长的针状霜晶形成；当突然撤去电场时，霜晶会从冷板上脱落。Mishra 指出，在高压电场的作用下，霜晶会受到电极的吸引力而被拉向电极的一侧，此时的霜晶变得又长又细，易碎，通常会在自身重力作用下折断。Babakin 等人利用外加均匀电场来实现抑霜，实验证明：在结霜初期，高压静电场的存在使霜层变为针柱状，当风速达到一定值时，这些霜晶就会被折断并吹走，从而达到了抑制结霜的效果；为了对电场条件下晶的生长进行更深入的理论与数值分析，Zhang[5-6]等研究了直流电场对竖直冷板上霜晶初始形态的影响。结果发现，电场能够改变冷壁面上水珠的大小，电场越强，水珠越小。通过对裸线电极、绝缘线电极、板状电极以及网状电极对紫铜板上的霜层生长进行系统全面的研究发现，电场能够改变冷壁面上水珠的大小、霜晶的形态以及结霜质量，板状电极和网状电极电场能加速霜晶的生长，其生长速度明显高于无电场和线电极电场时霜晶的生长速度，并在一定的电场强度下观察到了细长的针状霜晶。另外，通过对冰的电场特性分析，提出了电场影响霜层生长的机理，建立了静电场作用下霜层生长的二维非稳态传热传质模型，该模型较为完善地反应了电场作用下结雷过程中霜层生长的物理过程[7]。

式中，E--电场强度；

P--电极化强度；

ρve--电场作用下霜层内水蒸气的密度；

λe--霜层有效导热系数；

Cpf--霜层定压比热；

ρf--霜层密度。

利用该模型，初步提出该模型可以应用于新能源汽车热泵空调的除霜技术上，从而为新能源汽车热泵空调除霜提供一种新的解决思路。可以改善新能源汽车空调的工作环境，提高热源利用效率，延长纯电动汽车的行驶里程。

4 结论与展望

热泵空调具有高效节能，不污染环境，使用方便等优点，是未来的发展方向。但在现阶段的实际运行效果来看，在寒冷季节制热运行时，由于车外热交换器结霜导致运行可靠性下降，效果并不是太明显。研究和解决热泵空调的可靠性和稳定性关键在于除霜和抑霜，改善其制热性能是提高运行可靠性的关键问题。对其除霜和抑霜技术的深入研究和积极实践，必会将其市场潜力发挥出来。