电动汽车低温热泵系统台架及整车实验研究

摘 要：热泵空调可明显改善电动汽车冬季制热工况下的能耗，提升整车续航里程。但由于其系统架构相对复杂，应用的零部件数量较多，较高昂的成本成为热泵技术广泛推广应用的制约因素。文章设计了一套结构相对简化，同时可满足整车冬季采暖需求的热泵系统。通过系统台架的搭建及测试，进行了该系统的充注量试验，分析了其在-7℃工况下的制热性能；并将该系统安装到整车上进行风洞测试，研究其冬季工况的制热特性，充分验证了该热泵空调系统在实际工程应用中的可行性。

关键词：低温热泵 间接换热 电动汽车 制热性能 风洞测试

0 引言

正相比于传统内燃机汽车利用发动机的余热实现乘员舱的制热及除霜，电动汽车只能利用电池的能量对乘员舱进行制热，除霜及舒适性调节。基于高压PTC （Positive Temperature Coefficient，正温度系数）材料的加热器的恒温发热，升温速率快，控制策略简易等特点，电动汽车普遍采用该技术实现乘员舱采暖需求[1]。由于PTC是基于电热转换的原理，其工作时的COP小于1，开启PTC加热将增加电池能耗，从而降低电动汽车的续航里程[2]。

为满足整车乘员舱，电池和电机的加热及冷却需求，不同机研究人员采取了丰富多样的系统架构。袁野等提出了一种具备电池直冷的热泵系统[3]，在舱内冷凝器，室外换热器，和电池冷却器前后分别布置了膨胀阀，电子截止阀，单向阀等，以便这些换热器在不同工况下实现蒸发或者冷凝功能。于述亮等设计了一套具备电机余热回收功能的整车热管理系统[4]。也有研究者从新型制冷剂兼容性，系统集成化应用，避免空调箱使用费用高昂的高压空气PTC等方面，研究间接式二次回路热泵系统[5-7]。为实现热泵空调系统实现制冷制热功能，以及与三电热管理系统的深度耦合，越来越多的电子阀件及管路被应用在热泵空调系统中，进而推高了整个系统的材料成本，限制了热泵空调系统的广泛应用。

受制于常规制冷剂R134a及R1234yf的环境温度使用范围，目前在环境温度低于-15℃的工况下，热泵空调系统无法从环境中吸收足够的热量，主流解决方案仍是采用高压空气PTC对乘员舱进行加热[8]。但受限于高压空气PTC的价格，以及引入该高压部件进入乘员舱的担忧，需要考虑在满足系统功能需求的前提下，尽量简化系统架构，减少系统成本，提升零部件利用率，降低安全隐患。

本文基于工程实际应用，设计了一套结构简单且支持宽温域运行的电动汽车热泵系统架构。首先搭建了系统性能测试台架，对比分析了不同的低温制热工况下系统各运行参数以及系统能效。之后将该系统安装在电动汽车上，进行整车风洞环境模拟测试，重点研究了低温环境下该系统应用在整车上的升温特性以及整车除霜除雾性能。从台架实验和整车实验，验证该系统在低温制热性能可靠性。

1 热泵空调系统架构设计

本文设计的热泵空调系统架构如图1所示。其中包括电动压缩机、空调箱（内部配置内外循环风门，鼓风机，蒸发器，车内冷凝器（Cabin Condenser），温度风门等）、制冷剂三通阀（3WV）、板式换热器（PHE）、低温水箱、冷却风扇、电子膨胀阀（EXV1，EXV2，ERV）、电池冷却器（Chiller、冷却液PTC加热器、单向阀（CV）、气液分离器（AD）、低温水箱、水泵（低温水箱回路及电池冷却回路）等零部件。该系统架构设计取消了空调箱内的成本最高零部件高压空气PTC加热器；同时采用气液分离器代替高压储液罐，可节省制冷系统高压侧的管路数量，在降低零部件材料成本的同时也可以减少系统装配工作量。

2 系统台架实验

2.1 台架实验装置

参考电动汽车实车热泵系统零部件安装位置及方式，搭建了热泵空调系统台架，该台架布置在专门的环境气候舱内，该环境可模拟-20℃至60℃的环境温度，同时在0℃以上环境条件下可任意调节湿度。

系统使用的制冷剂为R134a，冷却液为50%的乙二醇和水的混合液。系统回路中采用T型热电偶测量制冷剂回路，冷却液回路及空气侧温度，采用湿度传感器测量空气湿度。冷却液体积流量通过体积流量计测量。通过电压表及电流表监测压缩机及PTC的运行功率。

2.2 系统台架实验方法

为保证热泵空调正常运行，首先需要对系统进行加注量实验，确认系统运行时合适的制冷剂加注量。针对空气源热泵性能测试，本文参考中国汽车技术研究中心对电动汽车低温续航相关测试的要求而制定[9]。其中环境温度为-7℃，车内冷凝器出口过冷度设定在10℃，试验过程中由电子膨胀阀开度控制。具体测试工况为：环境温度-7℃、车外换热器风量为2000m3/h、空调箱风量为307m3/h、压缩机转速为2000/4000/6000/8000RPM、过冷度为10℃、余热回收功率0/0.5/1/1.5/2kW、低温散热器冷却液流量16l/min。

2.3 系统实验结果

2.3.1 加注量实验

为保证初始状态台架可以安全稳定运行，首先对系统加注300g制冷剂。将罐装制冷剂放置在精度为1g的电子秤上，通过电子秤的读数变化，计算制冷剂加注量。在加注量实验初始阶段，每次加注量为50g，判断系统进入加注量平台后，每次加注量可控制在100g，在加注量平台末期，每次加注量为50g。

图2为加注量实验过程中，各关键参数的变化曲线，其中包括压缩机排气压力，排气过热度；车内冷凝器出口过冷度，板式换热器PHE出口过热度，系统制热量。结合压缩机的排气温度和排气压力，板式换热器PHE的出口过热度变化，和系统制热量的变化可以判断出加注量的起始位置在400g。此加注量为保证系统正常工作的最小加注量。当加注量到达1050g，此时气液分离器内基本充满液态制冷；结合整条过冷度曲线的变化趋势，可以判断出此时已经达到过冷平台的最大值。本文选取900g制冷剂加注量进行后续性能测试。

2.3.2 -7℃环境温度下系统制热性能实验

-7℃环境温度是电动汽车考核冬季能耗及续航里程的重要考核工况[9]，系统台架试验首先研究了不同压缩转速对系统换热量，车内冷凝器出风温度等关键参数的影响，如图3所示。压缩机转速从2000rmp逐步增加到8000rmp，在这个过程中，压缩机排气压力从3.8bar增加到10.6bar；吸气压力从0.8bar降低到0.3bar；车内冷凝器出风温度从9.7℃增加到40℃；系统制热量从1.9kW增加到5.4kW；随着压缩机转速的提升，需要从环境中吸收更多的热量，低温散热器的水温从-10.5℃降低到-15.1℃；系统COP从6.8降低到2.4。

3 整车试验

3.1 整车热泵系统装置

本文对一辆纯电动A级SUV进行改装，整车的原单冷空调系统改装为本文设计的热泵空调系统，关键零部件清单与系统台架一致。

3.2 整车实验方法

整车在风洞中分别进行了制热试验以及国标工况的除霜除雾试验，其中第一阶段的时间，以浸车温度的达到时间为准。整车除霜试验参数设定为：环境温度为-18℃、压缩机转速为5700–7000rpm、空调箱模式为除霜&30%内循环、鼓风机电压为13V、水热PTC功率为5kW。整车除雾试验参数设定为：环境温度为-3℃、压缩机转速为7000rpm、空调箱模式为外循环&除雾模式、鼓风机电压为13V、水热PTC不开。

3.3 整车实验结果

-7℃环境温度下，对比分析了7.5V和9V两种鼓风机端电压设定下的整车升温速率。

3.3.1 -7℃环境下鼓风机电压7.5V工况

鼓风机端电压7.5V时整车升温曲线如图4所示。整车启动20分钟后，车内冷凝器出风温度达到60.3℃，吹脚平均温度达到27℃，呼吸点平均温度达到20.1℃。整车启动35分钟后，吹脚平均温度达到30.6℃，呼吸点平均温度达到24.0℃，满足目标客户对整车温升实验的要求。

3.3.2 -7℃环境下鼓风机电压9V工况

鼓风机端电压9V时整车升温曲线如图5所示。整车启动20分钟后，车内冷凝器出风温度达到58.6℃，吹脚平均温度达到28.7℃，呼吸点平均温度达到20.9℃。整车启动35分钟后，吹脚平均温度达到31.5℃，呼吸点平均温度达到24.4℃，满足目标客户对整车温升实验的要求。

与鼓风机7.5V的整车升温过程相比，提升鼓风机电压后，将会降低压缩机出口压力，降低车内冷凝器出风温度。热泵空调启动20分钟后，9V鼓风机设定的工况下，车内冷凝器出风温度从60.3℃降低到58.6℃；但车内温度却略有增加。这是因为鼓风机风量增加后，一方面提升了整体换热量，有助于脚部区域温度升高，另一方增强车内气流扰动，也有利于呼吸点温度提升。

4 结论

本文提出一种结构简化，成本相对较低的热泵空调系统，并通过仿真分析、系统台架及整车实验验证了其可行性。

台架试验结果表明，压缩机转速增加能够明显提高空调箱出风温度和系统制热量，压缩机转速从2000rpm增加到8000rpm，系统制热量从1.9kW增加到5.4kW；出风温度从9.7℃增加到40℃。但是制热效率会随之降低，系统COP从6.8降低到2.4。

整车实验结果表明，-7℃环境下热泵是从空气中吸热，尽管车外侧采用了二次换热，但是在7V和9V鼓风机电压下，第20分钟脚部区域温度均超过25℃；同时发现鼓风机档位的变化会影响出风温度和车内温度，进而影响人体舒适性。

参考文献：

[1]王从飞，曹锋，李明佳，等.碳中和背景下新能源汽车热管理系统研究现状及发展趋势[J].科学通报，2021，66（32）：4112-4128.

[2]张子琦，李万勇，张成全，等.电动汽车冬季负荷特性研究[J].制冷学报，2016，37（05）：39-44.

[3]袁野，王峰，肖遥，等.车用热管理系统、车用热管理方法及车辆[P]. 香港：CN110758043A，2020-02-07.

[4]于述亮，王彦忠，陈炯德，等.热管理系统、热管理系统的控制方法与电动汽车[P].广东：CN114312205A，2022-04-12.

[5]WANG K， EISELE M， HWANG Y， et al. Review of secondary loop refrigeration systems[J].International Journal of Refrigeration， 2010， 33（2）： 212-234.

[6]兰娇，苏林，呼延吉，等.电动汽车二次回路热泵系统制热性能研究[J].制冷技术，2018，38（05）：41-45.

[7]章伟，李康，余军，等.二次回路热泵空调系统制冷剂充注量的实验研究[J].低温与超导，2019，47（12）：62-66+71.DOI：10.16711/j.1001-7100.2019.12.013.

[8]张皓，赵家威，施骏业，等.电动汽车热泵空调系统采暖性能的试验研究[J].制冷技术，2017，37（03）：39-42.

[9]中国汽车技术研究中心有限公司.EV-TEST（电动汽车测评）管理规则[S].2019年版，天津.