电动汽车热泵空调系统设计及试验分析

摘要：本文研究了针对纯电动汽车所设计的冷暖一体热泵空调系统，测试了在不同环境温度下，系统的制热效率以及制热量，然后将测试效果和PTC 制热进行了对比。结果证明，随着环境温度的降低，系统压力会减小，热泵的制热量也会有效减少，制热效率明显降低，而热泵的制热效率较PTC 的制热效率要大得多，足以证明，热泵空调系统在电动汽车上的应用具有较高的可行性。
传统车载空调系统的制热原理是，充分利用发动机冷却液的循环实现车内环境的温控。电动车没有发动机，不能应用传统的车载空调系统的原理进行制热。在低温条件下，驾驶员可以利用车载的制热元件进行制热，供驾驶员取暖，保证行车的安全性，提高车内环境的舒适度。所以，电动汽车必须创新相应的方法，实现制热功能。

1 电动汽车热泵空调系统设计方案

目前，制冷/采暖系统在电动汽车的设计中应用较为广泛，32cc压缩机负责提供制冷剂循环动力，如图1 所示，制冷/采暖系统主要由压缩机、室内、外换热器、膨胀阀、气液分离器等部件构成。如果系统以制冷模式进行运作，四通阀处于不通电的状态，气态制冷剂在低温低压的状态下，由压缩机压缩成高温高压气态制冷剂，然后进入到室外换热器，对中和外界空气形成对流换热后，转变为中温中压的液体，经过膨胀阀节流后，温度和压力有所降低，转变成为雾状继续进入到室内换热器，在室内换热器中，制冷剂会蒸发吸热，达到降低车内温度的作用，这个过程中，气体在室内换热器出口的温度和压力有所降低，进入到压缩机中，完成整个制冷循环。如果系统以制热的模式进行运作的时候，四通阀处于通电的状态，压缩机将具有一定温度和压力的气态制冷剂推入到室内换热器，这时，制冷剂所携带达到热量高就会传递到车内，有效的实现室内制热，制冷剂经过膨胀阀的节流，压力降低后会进入到室外换热器，蒸发吸热，将环境中的热量带入到系统中，在压缩机的抽吸功能下，工质回到压缩机中，整个制热循环完成。

电动汽车热泵空调系统控制方案：通过应用空调控制器和CAN通信可以实现整车控制器、压缩机之间信号的有效交互。根据空调控制器控制指令，整车控制器会对室外的传感器的温度和压力传感器的信号进行采集，配合控制电子膨胀阀的开度，实现制冷和制热的有效切换。在热泵控制系统中，四通换向阀与电子膨胀阀属于核心部分，本文针对这两个部件进行了具体的分析：（1）四通换向阀控制。作为独立受控的单元，四通换向阀会对主阀进行驱动，默认情况下，主阀的滑块会默认在右端，实现制冷循环的有效接通；通过四通换向阀将主阀移动到左端，实现制热循环的有效接通。①制冷请求：冷凝器C 端和压缩机排气端D 连接在一起，压缩机吸气端和蒸发器E 端连接在一起，就可以实现制冷。②制热请求：蒸发器E 和压缩机排气端D连接在一起，压缩机吸气端和冷凝器C 端连接在一起，可以实现制热。（2）通过调整电子膨胀阀开度，控制液态制冷剂的膨胀。VCU 会对压缩机蒸发器出口的温度和压力信号进行读取，然后将实际的过热温度计算出来，和系统控制目标进行对比，根据目标过热度，自动的对电子膨胀阀开度进行调节。


图1 热泵空调制热原理图

2 热泵空调系统的实验研究及分析

2.1 实验原理

组织整个实验系统，然后将其安装在实验台架上。将热电偶、压力变送器安装在双向膨胀阀的进出口、压缩机的进出口以及室内外换热器的进出口，然后将温湿度变送器安装在室内换热器的风道进出风口的位置，将电流变送器安装在稳压电源与控制器之间，然后将质量流量计安装在压缩机出口位置，然后将所有的变送器和无纸记录仪连接起来，并且将热电偶接到温度采集仪上，温度采集仪和无纸记录仪直接和电脑相连，可以将采集到的数据实时性的传输到电脑上。

2.2 仿真计算

热负荷：

冷负荷：电池公式中， QC 为冷负荷；为太阳照射热量及辐射； Qm为人体的散热量；为从室外渗入空气的热量；为从动力舱传入的热量；qQ为从其他设备、仪器散发出的热量； Q电池为电动车所需的电池。在对热、冷负荷进行估算完，并对车辆外循环确定的情况下，车辆的制热量大概为4.2kW，而制冷量大概为3.5kW。

2.3 数据采集系统

温度测试系统主要由主机、温度采集模块以及热电偶组成，数据采集仪的主机和电网直接相连，通过操作电脑上的软件就可以对温控系统进行操作；温度采集模块分为20 个通道，通过这些通道可以采集20 路温度信息；T 型热电偶型号线径0.25mm，可以对-50 ～150℃之间的温度进行有效的测量。热电偶其中一段和温度采集模块的正极相连，另外一端为侧两端，在室内、外换热器的翅片上、压缩机进出口以及室内外热交换器的进出口的位置安装热电偶测量端，并且用胶带锡箔纸进行固定，然后外面裹上保温性的材料。

2.4 热泵空调系统组件

为了更高的实现热泵空调系统功能性要求，注意根据热泵空调匹配计算结果，做好关键元件的选型，比如四通交换阀、车外换热器、电子膨胀阀等。

（1）车外换热器。其设计结构为垂直结构，通过应用小管径铜管铝翅片有效提高换热器的排水性能，推迟冷凝器结霜的时间，实际的换热能力超过了4.5kW。

（2）储液器。选择气液分离效率超过98%的微孔过滤分离型储液器，这类储液器可以做好完全、充分的吸收液体制冷剂，避免压缩机出现液击问题。

（3）电子膨胀阀。电子膨胀阀具有电磁阀和膨胀阀的所有工鞥呢，通过调节阀体的开度，可以对膨胀阀的流量进行控制。电子膨胀阀属于常开型的独立受控单元，膨胀方向是可逆的。在选择的时候，尽可能选择代用通信功能的电子膨胀阀。

（4）四通换向阀。四通换向阀通过调整制冷剂的流向，转换蒸发器和冷凝器的热交换方向。四通换向阀主要有三个部分构成：毛细管、四通气动换向阀以及电磁换向阀。四通阀的驱动由控制阀完成，通过合理的对电磁圈的通断，控制主阀的滑向滑块，进而完成制冷剂的换向。

2.5 实验结果与分析

热泵空调系统在运行的时候，压缩机进出口的位置分别为低压侧和高压侧，通过调整环境温度，促进压缩机可以在不同的环境温度下运行，当运行的状态稳定后，取稳定状态下的平均压力，如图2 所示，系统高低压侧的压力会随着温度的升高而升高，但是高低压之间的压差会维持一个稳定的值。如果环境温度为零度，空调系统启动的时候，高低压之间的温度会产生瞬时的拜年话，高压通常在200s 升至最大值，然后状态稳定，但是波动情况较为严重；系统启动后，低压会继续下降，在200s 时压力开始出现回升，最终达到稳定的状态，波动情况较为轻微。如图3 所示，环境温度相同，PTC 和热泵消耗功率相等的时候，热泵的制热量明显要大于PTC，而且，随着温度的不断提高，热泵的制热量也会越大。通过对比分析得知，在不同温度的环境下，PTC 的制热效率始终保持在0.9 左右，而环境温度为-5℃时，热泵制热效率就已经达到1.55，环境温度升到5℃时，热泵制热效率可以高达2.3。因此在应用热泵的时候，可以通过提高环境温度，提高热泵的制热效率。


图2 系统压力与环境温度的关系


图3 热泵制热量与PTC 制热量的对比

3 结语

总而言之，热泵空调系统是由双蒸发器电动空调系统发展起来的，通过CAN 网路实现空调控制器、压缩机控制器之间的交互和互通，完成热泵空调系统的有效控制。试验证明，热泵空调系统的开发和应用完全满足既定要求。