热泵型纯电动汽车空调系统特性分析

李昭 陈玉武 王茂

摘要：受环境污染的影响，人们出行的交通工具已经朝着污染小、噪声低的电动汽车发展，电动汽车逐渐成为人们代步工具的主要选择对象。但是对于纯电动汽车来说，空调系统无论制冷还是制热都需要消耗大部分电量，严重影响汽车的行驶里程。基于此，本文围绕热泵型纯电动汽车空调系统特性以及发展趋势进行了研究。

关键词：纯电动汽车;热泵空调系统;特性;趋势

引言：

冬季、夏季气温高低差异很大，车内若无制冷或制热设备，驾驶舒适性会很低。所以为了保障电动汽车的驾驶安全性及乘坐舒适性，有必要发展适用于电动汽车的空调系统。普通燃油汽车空调可利用发动机的燃烧余热来制热或除霜，而电动汽车空调没有发动机余热可以利用，制热运行困难，所以加强对纯电动汽车空调系统的研究势在必行。

1热泵型汽车空调系统运行原理

燃油汽车的空调系统主要由发动机驱动，而纯电动汽车的热泵型汽车空调机组是直接从电池组获得能量，通过变压器使得电池组的电压得到降低，并将低压的直流电压用于风机、电子元件的供电。纯电动汽车的热泵型空调系统通过车室内温度传感器来采集车内温度的变化，并通过汽车的电子器件—逆变器逆变成控制信号调节直流驱动电机的频率，从而满足热泵型空调系统的变负荷运行要求。纯电动汽车热泵型空调系统采用的是平行流换热器【1】。一个标准的纯电动汽车的热泵型空调系统的工作原理如图1所示。

2纯电动汽车热泵空调系统的性能测试

本文搭建了热泵系统台架，以测试纯电动汽车热泵空调系统的性能，本次台架搭建分为室内侧及室外侧，内部换热器和蒸发器安装在室内侧台架，其余部件安装在室外侧台架。本系统设计负荷为制冷量、制热量均为3kW，压缩机转速为1500～6500r/min。热泵系统3个换热器均采用微通道换热器，其中蒸发器尺寸为260mm×40mm×265mm，内部冷凝器尺寸为266mm×32mm×226mm，外部冷凝器尺寸为624mm×25.4mm×293mm，膨胀阀为5.28kWH型热力膨胀阀。本次试验选用安全、不易燃、不破坏臭氧层、溶油性良好的R134a作为制冷剂。下文对试验结果进行了分析。

2.1压缩机转速对换热量、温度的影响

实验结果表示：名义制冷工况下，随着压缩机转速的升高，系统的高压和排气温度均会有所升高、低压和低温均会降低、系统的风侧换热量增加，系统EER降低。另外，无论是制冷工况还是制热工况，压缩机转速对各参数的影响是一致的，压缩机的转速直接影响系统的循环体积流量，该涡轮压缩机排量为26mL/r，转速越高，压缩机出口工质的体积流量越高，单位时间内热泵空调的制冷量及制热量就越高【2】。

2.2风量对COP、换热量的影响

该汽车空调热泵系统的换热器风机安装在换热器背面，且风量可调。试验结果表示：当风量增加时，系统的风侧换热量及系统COP均增加，而且系统效率也会随之提升。同時，压缩机转速变化时，风侧换热量及系统COP随风量变化的趋势是一致的，仍是随着风量的增加，换热量及系统COP增加，系统效率提升。

2.3环境工况对系统性能的影响

在定比容条件下，随温度的降低，制冷剂R134a的压力也会降低，且制冷剂处于气液两相时，压降对温降的敏感程度更明显。如果达到-20℃及以下的低温环境时，压缩机进口温度及压力都会变得很低，导致系统的制热效率降低到1。

结果显示：空调系统制热时，随着温度的降低，系统COP也会下降，尤其是温度低于零摄氏度后，COP下降更快。名义制冷工况下，当压缩机转速为每分钟3000转时，系统EER能达到3，而最大制冷COP小于2;名义制热的COP能达到3，而低温制热及超低温制热的COP均小于2。由此可见，制冷剂性能受环境温度的影响很大。

3试验结论

经过试验结果的分析，得出了热泵型纯电动汽车空调系统的特性，如下：

（1）当换热器风机风量及环境工况恒定时，压缩机转速对系统性能的影响：随着压缩机转速的逐渐增高，风侧换热量也会越来越大，当系统COP超过某一峰值后，风侧换热量则会随压缩机转速的升高而逐渐减小。

（2）压缩机转速及环境工况恒定时，风量对系统性能的影响：换热器风机风量越大，空调热泵系统的风侧换热量越大，系统COP越高，系统效率越高。

（3）压缩机转速及换热器风机风量恒定时，温度对系统性能的影响：空调制冷时，环境温度越高，系统COP越低;空调制热时，环境温度越低，系统COP越低。

（4）制冷系统使用R134a制冷剂，低温会对制冷剂的性能产生不利影响，导致制热效果较差，所以新型制冷剂有待研发【3】。

4汽车热泵空调系统的发展趋势

4.1研究高效制冷剂

目前，汽车行业应用最广的制冷剂是R134a，但是R134a不环保，而且价格昂贵。而研究发现，CO2是市面上应用非常广泛的天然制冷剂，其来源多、安全无毒、不易燃烧，而且成本低廉，是很好的环保型制冷剂。另外，CO2的蒸发潜热较大，单位容积制冷量大，shiite热泵型纯电动汽车空调的制冷剂的不错之选，将成为今后研究的热点。

4.2优化换热器性能

换热器的作用就是能够根据空调系统的需要与外界进行热量的交换，换热器的体积、结构设计、工质的选择等与空调系统的整体性能息息相关。所以今后汽车行业定会加强对换热器的体积、结构设计、工质的研究，从而让空调系统的换热效率达到最佳。

4.3汽车空调模拟技术

纯电动汽车中空调系统包含很多零部件、很多复杂的工序，而且制冷剂流动和传热过程也相当繁琐，这就对仿真建模提出了更高的要求。但是目前的建模方式还存在一些不足，比如消耗时间多、精准度有待提升，这对空调的运行带来了不利影响。所以今后的汽车行业必须加强对汽车空调模拟技术的研究，消除传统技术缺点，从而保证汽车空调系统的稳定运行。

结束语：

综上所述，纯电动汽车的热泵空调系统具有能效比高、耗电量低、结构紧凑等优点，得到了汽车行业的关注。虽然热泵空调系统的研究进入了一定的实质阶段，但是其制冷、制热功能仍有待提升，建议行业内人士朝着制冷剂的选择、模拟技术的研究等方向去钻研，争取设计出性能更好的空调系统。

参考文献：

[1]张欢欢.电动汽车热泵空调系统技术研究[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2017（5）.

[2]华若秋，武卫东，余强元，等.EXV开度对纯电动汽车热泵空调性能的影响[J].流体机械，2019.

[3]杨雨燊.纯电动汽车用热泵空调系统的开发与仿真研究[D].2019.

作者简介：

李昭（1991.4-），身份证号410502199104192535男 汉 河南省安阳市 本科;职称：助理工程师，研究方向：汽车空调系统。

陈玉武（1984.10-），身份证号230227198410280835;男  汉 山东省鄄城县 本科;职称：助理工程师，研究方向：汽车电子电器。

王茂（1989.10-） ，身份证号320382198910309456 男 汉 江苏邳州 本科;职称：助理工程师，研究方向：汽车电器。