纯电动汽车两种热泵空调系统的实验研究

纯电动汽车两种热泵空调系统的实验研究

陈传俊

安徽江淮汽车集团股份有限公司安徽合肥230001

摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的科学技术的发展也有了很大的提高。纯电动汽车使用电能作为驱动动力，使得它的空调系统不同于传统燃油汽车。传统燃油汽车采用发动机余热来制热，而电动汽车普遍采用PTC（正温度系数电热管）加热的方式制热。由于PTC制热效率低，导致电动汽车冬季续航里程严重降低。研究表明空调制热消耗的电能约占电动汽车整车能耗的33%。热泵是利用少量高品位能源使热量由低温热源流向高温热源的节能装置，电动汽车采用热泵空调系统取暖，可利用电能将环境中的热量泵送到车室内，得到的热量为消耗的电能与吸收的低位热能之和，因此其能效比COP（Cop，Coeffi-cientofPerformance）大于1。开发出适用于纯电动汽车的冷暖一体的热泵空调系统对纯电动汽车节能降耗具有重要意义。

关键词：纯电动汽车；两种热泵空调系统；实验研究

引言

为解决纯电动汽车采暖时采用电加热方式导致能源利用率低，降低纯电动车的续航里程这一问题，本文设计了分别采用四通阀和阀组的热泵空调系统并搭建了实验台，通过实验测试了系统的制冷量、制热量及耐振动性能。结果表明：采用四通阀的热泵空调系统与采用阀组的热泵空调系统在名义工况下制冷量和制热量约为2kW，两套系统制冷模式时的出风温度皆为15.3℃，制热模式时的出风温度分别为41.3℃和38.2℃；两种热泵空调系统在低温工况下制热量均降至800W左右；采用四通阀的热泵空调系统在振动状态下易出现窜气导致系统工作不稳定，损坏压缩机；采用阀组的热泵空调系统在振动状态下运行稳定。

1纯电动汽车热泵空调系统

热泵的原理是通过做功使热量从温度低的介质流向温度高的介质。其主要包含有压缩机、室内换热器、室外换热器、膨胀阀、四通阀和气液分离器等部件。当系统处于制冷模式时，四通阀不通电，低温低压的气态制冷剂经压缩机压缩后变成高温高压气态制冷剂，流经四通阀到室外换热器，高温高压的气态制冷剂经室外换热器与外界空气对流换热后变成中温中压的液体，经膨胀阀节流，制冷剂的温度和压力降低，变成雾状后进入室内换热器，制冷剂在室内换热器中蒸发吸热，从而降低车室内的温度，此时工质经室内换热器出口变成低温低压的气体，最终经过四通换向阀、气液分离器进入压缩机中，完成制冷循环。当系统处于制热模式时，四通阀通电，压缩机排出的高温高压气态制冷剂经过四通阀进入室内换热器，制冷剂将携带的热量传递给车室内的空气，从而实现室内制热，接着制冷剂经过膨胀阀的节流降压后进入室外换热器，在室外换热器中蒸发吸热，将环境中的热量带入系统中，最后在压缩机的抽吸作用下，工质经四通阀和气液分离器回到压缩机中，完成制热循环。

2测试方案与实验工况

根据上述方案搭建了实验台并在焓差实验室中对两种方案进行了系统性能测试，利用振动实验台对系统进行了可靠性测试。焓差实验室分为室内侧和室外侧，实验室对温度的控制精度为±0.5℃。将内部HVAC部分放置在室内侧，与风洞口相接，其它实验部件放置在室外侧。测试工况参考《汽车用电驱动空调器》制冷制热模式的测试工况，振动实验使用的电动振动实验系统，规格为DC-10000-100。进行振动实验时，对于方案Ⅰ，只将四通阀放置在振动台上，其它零部件放在振动台的四周，用软管连接，振动实验时系统开启运行，采用压力传感器（电流型）检测系统运行时的压力波动；对于方案Ⅱ，四个电磁阀及一个H型热力膨胀阀内置在一个盒子里，组成一个阀组，振动时将阀组固定在振动实验台上，其它零部件与方案Ⅰ相同，放置在四周用软管连接。振动实验的标准参照GB/T21361—2008《汽车用空调器》，振动分横向、轴向和纵向三个方向进行。

3实验结果分析

3.1两种方案的性能测试对比

在名义制冷工况下，对方案Ⅰ搭建的系统进行制冷剂标定。方案Ⅰ全部采用软管连接，管路长，系统内容积大；方案Ⅱ主要采用铝管连接，使用软管较少，管路短，内容积小。因为两套系统内容积不同，所以制冷剂标定的起始量及最终制冷剂充注量也不同。随着制冷剂量的增加，内部换热器的换热量先逐渐增加，然后趋于平缓，与此同时冷凝器出口端的过冷度逐渐增加，当制冷剂添加700g时，外部冷凝器出口过冷度约为4℃，此后换热量不再明显增加，因此，方案Ⅰ中制冷剂充注量为700g。方案Ⅱ制冷剂标定如图7所示，当制冷剂标定量为500g左右时，外部冷凝器出口过冷度为4℃，此后内部换热量也不再增加，因此，方案Ⅱ系统制冷剂的充注量为500g。

3.2两种方案的可靠性对比

振动实验先固定好各个零部件，振动实验室系统制冷运行，方案Ⅰ中在四通阀的高压口和低压口分别设置压力传感器，方案Ⅱ中系统高压侧及低压侧分别设置压力传感器。在压缩机排气口及压缩机吸气口设置温度传感器，数据用安捷伦数据采集仪采集，在振动台不开启的情况下使系统运行起来，各采集的参数稳定后开启振动台，按振动耐久性实验标准进行实验。因系统对垂直方向上的振动比较敏感，本文只列出垂直方向上的数据进行讨论。方案Ⅰ中四通阀四个出口检测到的压力变化（两个高压，两个低压，图中只列出高低压）。振动台开启后，系统高低压波动明显变大，约0.5h后，高低压异常且压缩机停机，电动压缩机无法再次开启，已被损坏，在振动的过程中，四通阀出现高低压窜气，导致压缩机损坏。压缩机吸排气口的压力、吸排气温度均无异常波动。所以，从系统工作的可靠性来说，方案Ⅱ具有绝对的优势。

结语

本文搭建了两种不同的车用热泵空调系统，在焓差性能实验室及振动实验台上分别完成了系统制冷量、制热量及耐振动性实验。在名义工况下，结合过冷度及制冷量标定了方案Ⅰ及方案Ⅱ的制冷剂充注量，分别为700g及500g。从性能实验来说，方案Ⅰ与方案Ⅱ在名义工况、最大负荷工况下制冷量及名义制热、低温制热工况下的制热量相当，名义制热量及名义制冷量约为2kW，两种方案在低温工况下的制热量急剧下降，小于1kW；从可靠性来说，方案Ⅰ采用铜制的四通阀，存在铜铝焊，对焊接工艺要求较高且易腐蚀，最重要的是四通阀在振动情况下工作可靠性低，高低压易窜气损坏系统零部件，方案Ⅱ在振动状态下工作稳定可靠。

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