电动汽车间接热泵系统的实验研究

2022-08-01王敏弛聂磊赵耀陈道川代彦军

制冷技术 2022年2期

王敏弛，聂磊，赵耀，陈道川，代彦军

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

0 引言

我国在“十三五”规划中启动了新能源汽车重点专项[1]，大力推进新能源汽车的发展。发展新能源汽车是实现国家节能减排，产业转型升级以及汽车强国的必要措施[2]。电动汽车与燃油汽车最大区别在于动力源的不同，电动汽车为电驱动型，在乘客舱热管理系统方面，低温环境工况下电动汽车没有发动机冷却液来提供热量以承担乘客舱热负荷。目前，电动汽车空调系统大多采用蒸气压缩式单冷型空调结合电加热器供暖的模式，电加热器供暖效率较低，电动汽车的续航里程会大大缩减[3-4]。美国汽车协会研究表明，当乘客舱空调系统开启时，与24 ℃的舒适环境工况相比，–7 ℃的低温环境工况下新能源汽车续驶里程平均减少41%[5]。由于热泵空调系统高效节能的特点，有很多学者研究了车载热泵空调[6-12]，电动汽车厂商已将其应用在部分车型上。但是大部分研究主要采用风冷直接换热以实现制热[13-20]，该种直接换热热泵系统在低温环境工况下的性能系数（Coefficient of Performance，COP）一般低于2.0。姜继周等[21]采用补气增焓式热泵空调将系统COP约升至2.45。李萍等[22]采用余热回收等技术提升其系统性能，COP也不超过2.65。

间接换热热泵系统在模式切换时不用启停压缩机和四通阀换向，而是直接切换不同的水路来实现对应模式的功能，系统在制冷和热泵模式下均能达到最佳工作状态。

本文提出并搭建了间接换热热泵系统，采用“液-液”板式换热器代替风冷换热器，在增加系统稳定性的同时提高制热COP，有更好的舒适性。在保证舱内侧出风温度的前提下，对系统在-18~-7 ℃的环境温度下进行实验测试，分析其在不同环境温度下的性能指标。

1 电动汽车间接热泵系统

图1所示为间接热泵系统的系统原理。系统由直流电动涡旋压缩机、板式换热器、暖风芯体、微通道平行流换热器、电子膨胀阀、电磁阀和气液分离器等主要部件组成。在制冷循环的制冷剂循环侧，制冷剂通过电动压缩机(1)压缩后流经板式换热器(2)和板式换热器(6)串联组成的冷凝器，过冷的液态制冷剂经过电子膨胀阀(10)节流之后进入板式换热器(11)进行蒸发吸热，之后流经气液分离器(12)回到压缩机中。在防冻液循环侧，微通道平行流换热器(8)与板式换热器(2)和板式换热器(6)组成的大冷凝器构成回路，将热量排出车外；暖风芯体(3)和电池侧水路并联，并与板式换热器(11)进行热交换，获得冷量。

图1 间接热泵系统的系统原理

在热泵循环时，将一个板式换热器(2)作为冷凝器，另一个板式换热器(6)作为蒸发器的形式来实现系统的热泵功能。在热泵循环的制冷剂循环侧，制冷剂通过电动压缩机(1)压缩后流经板式换热器(2)冷凝，过冷的液态制冷剂流经电子膨胀阀(4)节流之后进入板式换热器(6)进行蒸发吸热，之后流经气液分离器(12)以过热状态回到压缩机，完成一个完整的热泵循环。在防冻液侧，暖风芯体(3)与板式换热器(2)进行热交换，获得热量并送至乘客舱内；板式换热器(6)与微通道平行流换热器(8)进行热交换，从外界环境吸收热量。

2 实验方法及误差分析

2.1 实验系统原理

间接换热热泵系统结构紧凑，实验系统原理如图2所示。实验在环境焓差室内进行，环境温度分别设定为-18、-10和-7 ℃，相对湿度为50%。

图2 实验系统

实验测试采集的参数主要有压缩机的转速、功率、进出口压力及吸/排气温度、板式换热器制冷剂侧出口温度及压力、防冻液侧进出口温度及流量、暖风芯体防冻液侧进出口温度、空气侧进出口温度及风量。制冷剂采用R134a，充注量约为660 g。每个工况的实验在环境焓差室工况达到要求并维持0.5 h后进行。其中，压缩机具体参数如表1所示，电动机形式为永磁同步电机。

表1 压缩机结构参数

本系统的控制部分主要通过基于LabVIEW编写的总线通讯控制程序完成。压缩机通过控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线实现转速的调节，电子膨胀阀在保证压缩机进口过热度，以及进口工质压力的前提下根据冷凝器出口过冷度通过局域互联网络（Local Interconnect Network，LIN）总线实现开度的调节，两个水泵分别根据舱内送风温度和蒸发压力通过LIN总线实现流速的调节，电磁阀根据运行模式实现开闭控制，直流风机通过变电压实现风量的调节。

本系统在压缩机直流电源布置1个电流计。制冷剂管路布置3个温（度）压（力）传感器，分别是压缩机吸/排气口、板式换热器(2)制冷剂侧出口。防冻液管路布置8个热电偶传感器，分别是两个板式换热器防冻液侧进/出口、暖风芯体和微通道平行流换热器防冻液侧进/出口。两个防冻液管路各布置一个电磁流量计。空气侧布置了12个Pt100温度传感器，暖风芯体的出风口布置8个，微通道平行流换热器的出风方向布置4个，还有1个环境温度传感器。实验测试设备及具体规格如表2所示。这些数据通过Agilent 34972数据采集仪进行采集，并通过上位机进行数据的读取和存储。

表2 实验测试设备及规格

系统中所有防冻液管路包裹有保温棉进行保温，每个工况的测试时间约为90 min，取系统性能参数稳定部分进行数据处理与测试结果分析。

2.2 评价指标

由于间接换热热泵系统通过防冻液换热给乘客舱供暖，因此计算系统制热量时取暖风芯体(3)防冻液侧制热量Qw为准，系统功耗Wsys以及性能系数COP（COP）计算公式分别为：

式中，Qw为系统制热量，kW；Vw为防冻液体积流量，m3/s；ρw为防冻液密度，kg/m3；cp为防冻液比热容，kJ/(kg·℃)；twin为暖风芯体侧防冻液进口温度，℃；twout为暖风芯体侧防冻液出口温度，℃；Wsys为系统功耗，kW；Wcomp为压缩机功耗，kW；Wpump为水泵功耗，kW。

2.3 系统不确定度分析

本热泵系统中压缩机功率Wpump和制热量Qw的不确定度模型如式(4)和式(5)所示：

式中，uB2(Wcomp)为压缩机功耗的不确定度；uB2(Qw)为制热量的不确定度；qm为制冷剂质量流量，kg/s；h1为压缩机进口制冷剂的焓值，kJ/kg；h2为压缩机出口制冷剂的焓值，kJ/kg；qml为暖风芯体侧防冻液质量流量，kg/s。

计算当在-7 ℃环境温度时，系统压缩机功率Wpump、制热量Qw以及COP的不确定度分别为0.77%、1.60%和3.88%。

3 结果与分析

在保证暖风芯体出口风量为200 m3/h以及系统安全性的基础上，在环境温度为-18~-7 ℃范围内对压缩机不同转速工况进行了热泵采暖工况实验研究。基于R134a制冷剂的物性参数以及系统的内密封性无法得到保证，当压缩机的转速过高时，存在制冷剂蒸发压力过低和冷凝压力过高的现象，不利于系统稳定运行，所以仅仅测试了压缩机转速在2 000~4 000 r/min的系统性能。如果要在特定环境温度下获得更大的制热量，可以考虑进一步增大蒸发器侧的换热性能。

图3和图4所示为在相同环境温度下，随着压缩机转速的改变，系统COP和制热量的变化规律。由图3和图4可知，在-7 ℃环境温度下，随着压缩机转速的提高，系统COP从最高2.62降至最低1.72，最大降幅34.4%；系统制热量从最低2.18 kW提升至最高3.58 kW，提高了64.5%。

图3 系统COP随压缩机转速的变化规律

图4 系统制热量随压缩机转速的变化规律

图5和图6所示为在相同环境温度下，舱内送风温度和冷凝器防冻液侧进回水温度的变化。由图5和图6可知，在环境温度-7 ℃下，舱内送风温度从最低23.4 ℃提升至最高44.3 ℃，提高了89.2%，冷凝器防冻液侧进回水温差从最低2.29 ℃提升至最高3.78 ℃，提高了65.2%；进回水温度分别提高88.6%和90.7%。在环境温度为-10 ℃，-18 ℃下的系统各项数据也呈现出相似的规律。

图5 系统冷凝器侧防冻液回路温度变化规律

随着压缩机转速的增大，系统的制热量增加，舱内送风温度增加，冷凝器侧防冻液进水温度twin和回水温度twout也相应增加，而系统的COP呈下降趋势。在低温环境下，由于板式换热器换热效率较高，系统的冷凝能力较充裕。随着压缩机转速的提升，制冷剂的流量增大，冷凝压力提高，冷凝器侧能够带走的热量增加，冷凝器侧防冻液供回水温度也增加。由于防冻液循环流量保持不变，供回水的温差进一步增大，暖风芯体的舱内送风温度也相应增加。压缩机转速的提升导致制冷剂的蒸发温度降低，为了维持相对较高的冷凝压力，压缩机需要消耗更多的功，虽然制热量也在增加，但综合作用下整个系统的COP呈现降低的趋势。

在相同送风温度和压缩机转速的情况下，不同的环境温度会对系统产生不同的影响。随着环境温度从-7 ℃降至-10 ℃和-18 ℃时，由图3可知，在压缩机转速为2 000 r/min时，系统COP分别降低6%和15%，压缩机转速4 000 r/min时出现系统COP随着环境温度降低而提升的现象。图4中，各个压缩机转速下系统制热量分别降低2%~6%和13%~30%。图6中，各个压缩机转速下的舱内送风温度分别降低15%~23%和56%~68%；风温温升分别降低5%~10%和16%~27%，越极端的温度对系统的性能影响越明显。

如图4~图6所示，随着环境温度的降低，系统制热量减少，冷凝器防冻液侧供/回水温度降低，舱内送风温度也相应降低。如图3所示，在相同送风风量与相同压缩机转速下，随着环境温度的降低，冷凝器侧制冷剂冷凝压力基本不变，而蒸发器制冷剂蒸发温度降低，相应的蒸发压力也降低，压缩机压比增大，功耗增多，系统的COP呈降低趋势。当压缩机转速在4 000 r/min时，-7 ℃环境温度下的系统COP达到最低值。这是由于相较于更低的环境温度，在-7 ℃、4 000 r/min工况下，冷凝器散热能力不足，防冻液侧进回水温度较高，制冷剂侧冷凝压力较大，而蒸发压力变化不大。制冷剂的冷凝压力变化幅度较蒸发压力的变化幅度更明显，导致压缩机压比增大，相应的功耗增多，系统的COP反而降低。在-10 ℃和-18 ℃环境温度，压缩机转速4 000 r/min的工况下，冷凝器换热能力较为充裕，COP随着环境温度的降低而减小。

与国内外研究的直接热泵系统相比，本文间接热泵系统在主要性能参数方面均体现出了有较好的优势。现有的直接热泵系统制热COP一般在2左右，结合废热回收、补气增焓等技术之后，其制热COP最大能提升到2.5左右，并且系统的环境温度普遍不低于-10 ℃[16-22]。本系统在-7 ℃环境温度下，取得最大COP为2.62，同时舱内送风温度达到23.4 ℃，能够有效保证冬季车内制热需求；在-10 ℃环境温度下，最大制热量为3.36 kW，COP为1.96；在-18 ℃环境温度下，系统舱内送风温度最大能够达到19.4 ℃，COP为1.92，能够基本满足纯电动汽车在我国北方冬季环境工况下的制热需求。

由于本系统没有使用四通阀，制冷剂循环在制冷与热泵两个模式下没有变化，而是通过防冻液侧循环的切换实现。固定的制冷剂循环，使系统中的部件在设计时，冷凝器与蒸发器的能力能够更好匹配整个系统，提升了系统的性能。而通过防冻液侧间接换热的模式，使得板式换热器的性能较风冷提高，并且可以通过调节水泵流量来控制送风温度，防冻液较大的热容使得送风温度的控制更加稳定，乘客舱更加舒适。