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电动汽车热泵空调系统在严寒地区的试验研究
2020-04-02 15:01:53· 来源：电动学堂
作者单位：合肥通用机械研究院有限公司电动汽车空调，作为改善驾驶员驾驶环境､提高乘员乘坐舒适性的一种主要汽车配置，是必不可少的｡电动汽车热泵空调系统使用
作者单位：合肥通用机械研究院有限公司
电动汽车空调，作为改善驾驶员驾驶环境､提高乘员乘坐舒适性的一种主要汽车配置，是必不可少的｡电动汽车热泵空调系统使用电池驱动，其能耗占电池容量的15%~20%，因此其能耗的降低对于提升电动汽车续航能力至关重要｡
1 电动汽车制热系统
纯电动汽车或者支持纯电行驶的插电式混动汽车不能再继续使用发动机作为稳定的热源用于制热｡目前，市场上的电动汽车制热系统主要有2类：一类是电加热器(又称电阻PTC加热器)制热，其优点在于PTC体积小，组成制热系统可靠性高，其缺点很明显，系统效率低于1，会极大地缩短电动汽车的续航里程;另外一类是热泵空调系统制热，压缩机排出的高温高压制冷剂气体经单向阀､四通换向阀进入室内换热器，与车内空气进行热交换以达到提升乘员舱内温度的目的，被冷凝为低温高压的制冷剂液体流经节流装置进行节流降压，节流后的气液两相制冷剂进入室外换热器与室外空气进行热交换｡相较于PTC系统，热泵空调系统的优点是性能系数高于2.0，且成本可控，同时能够实现电动汽车空调的冷暖一体化，是未来电动汽车空调系统重要的采暖方案之一｡然而，目前开发的电动汽车热泵空调系统在严寒地区制热性能较差，制热效率低，满足电动汽车在低环境温度下高效､可靠的运行仍有一定的困难｡因此，探索研究稳定可靠的热泵空调系统对加快电动汽车的产业化和技术进步具有现实的意义｡
2 电动汽车热泵空调系统在严寒地区的试验研究
2.1 测试条件
笔者对PTC系统和热泵空调系统进行对比分析｡测试地点选择在黑龙江省大兴安岭地区漠河县漠北公路，采用2辆车进行路试耗电量对比试验｡选用重庆力帆650EV车型，A 车搭载热泵空调系统，其压缩机额定制热量为3 940 W，输入功率为1 420 W;B车搭载PTC，PTC的额定功率为3 000 W｡每车乘坐3人，并对每台车上的乘员进行称量，质量差异部分采用其他配件进行平衡，确保每台车上所搭载的负载相同｡A 车装有3个电量表，分别监测压缩机､室内侧鼓风机和室外侧冷凝风机;B车装有2个电量表，分别监测PTC电加热和室内侧鼓风机｡2辆车电池初始电量相同｡试验过程中2辆车同时出发，前后行驶，打开热泵空调系统制热模式，车内设定温度为22 ℃，车辆行驶速度保持在50~60 km/h范围内，待2辆车行驶50 km后，2辆车同时停车，互换驾驶员，时间不应超过2 min，然后接着以速度50~60 km/h行驶，再行驶500 km 后记录汽车制热系统的耗电量｡
车内温度测点布置如下：
1)驾驶员头部的测温点：驾驶员左耳外侧20 mm处｡
2)驾驶员足部的测温点：距客厢内壁100 mm，地板上表面20 mm，前后方向距驾驶员头部测温点500 mm处｡
3)副驾驶员头部的测温点：副驾驶员右耳外侧20 mm处｡
4)副驾驶员足部的测温点：距客厢内壁100 mm，地板上表面20 mm，前后方向距副驾驶员头部测温点500 mm处｡
5)紧靠车门的乘员乘坐位置足部的测温点：距客厢内壁100 mm，地板上表面20 mm，前后方向距乘员右耳500 mm处｡
6)最后一排座椅的最外侧2个乘坐位置的乘员足部的测温点：距客厢内壁100 mm，地板上表面20 mm，前后方向距乘员右耳500 mm处｡
2.2 结果分析
图1和图2所示为电动汽车在环境温度分别为-1.5℃左右和-10.0℃左右下行驶100 km过程中车内温度变化情况｡由图1和图2可知，在2辆车车内设定温度均为22℃的情况下，在整个试验过程中，除了试验开始和结束阶段，其他时间内配置热泵空调系统的汽车车内温度要高于配置PTC系统的汽车车内温度｡在试验开始阶段，PTC系统响应时间短，加热速度快，PTC系统的汽车车内温度高｡在结束阶段，长时间加热后，在相同设定温度下，车内温度基本相同｡在整个试验过程中，热泵空调系统和PTC系统均为连续运行，在达到预设温度后热泵空调压缩机改为降频运行｡表1和表2所示为对应的测试数据｡
由表1可知，在车外平均温度为-1.5℃左右时(实测温度区间-0.4~-3.6℃)，热泵空调系统的制热效率(车辆达到设定的温度所需的热量与耗电量的比值，本文忽略两车的细微差异，认为达到相同的设定温度所需的制热量相同)约为PTC的2.55倍，节省电量60.8%｡在整个试验过程中，热泵空调系统连续运行，在达到预设温度后压缩机降频运行，PTC系统为断续运行，即达到预设温度后停止工作｡
由表2可知，在车外平均温度为-10.0℃左右时(实测温度区间-5.9~-15.1℃)，热泵空调系统的制热效率约为PTC系统的2.58倍，节省电量61.2%｡
结合表1和表2可以看出，随着环境温度由-1.5℃降低至-10℃，热泵空调系统的耗电量增加了0.47 kW·h，PTC 系统的耗电量增加了1.24 kW·h，PTC的耗电量增长远大于热泵空调系统的耗电量的增长｡
本次试验中热泵空调系统采用的压缩机为补气增焓压缩机，当车外温度低于-5.0℃时，系统开启补气功能，在车外平均温度-1.5~-10.0℃范围内，热泵空调系统的制热效果保持良好｡
3 结论
笔者对电动汽车制热系统进行道路行驶测试，结果表明，热泵空调系统可以在低环境温度下稳定运行，相比PTC系统，节能优势明显，电动汽车热泵空调系统对于提高电动汽车冬季续航里程及其产业化具有重要意义｡
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