电动汽车用余热回收型热泵空调系统的实验研究

作者 | 李杰/艾泰斯热系统研发（上海）有限公司

摘要：本文设计开发了一种具有余热回收功能的电动车用热泵空调系统，并通过实车管路状态的系统台架搭建，在焓差实验室进行了性能测试。实验结果表明：相较于基准空调系统中PTC 电加热制热方式，除雾模式余热回收型热泵系统可节能86%以上，制热模式节能54%以上，可显著提升电动车续航里程。比较不同的余热回收方式发现，间接余热回收方式可降低系统能耗8%，而直接余热回收可降低系统能耗12%-19%，且环境温度越低，节能效果越明显。

关键字：电动汽车；热泵空调；制热性能；余热回收

当今社会日趋严重的环境污染和能源危机已成全球性难题，传统燃油车由于尾气排放污染、油耗能耗高等弊端成为了社会关注的焦点。在目前能源与环保的双重压力下，内燃机时代将在不远的未来被终结，新能源汽车的开发与投放已是大势所趋，也必将成为未来汽车的发展主流与方向[1]。

新能源汽车包括四大类型：混合动力电动汽车HEV、纯电动汽车BEV、燃料电池电动汽车FCEV、其它新源（如超级电容器、飞轮等高效储能器）汽车等。其中，纯电动汽车BEV 以动力电池或太阳能为能量来源，相比于燃油汽车，取消了燃油发动机，因此乘客舱的加热升温无法再依靠发动机热水，而是需要依靠基于“逆卡诺循环”的热泵空调系统。但另一方面，由于动力电池能量密度、体积、重量等方面的局限性，使得空调系统的能耗占比达到了电池容量的近20%，因此以高续航为追求目标的电动车也必将对车用空调系统的设计匹配及优化提出更高的要求[2]。

纯电动汽车乘员舱空调系统设计时，通常夏季采用制冷剂蒸发吸热实现制冷，冬季采用空气或水PTC 辅助加热实现制热。但通过对比单PTC 加热法、电机冷却液余热+PTC 加热法与热泵式制热法发现，单PTC 辅助加热的方式能耗高、效率低，严重地降低了纯电动汽车在冬季的续航里[3]。

在动力电池没有突破性进展的情况下要保证低能耗制热，热泵空调技术是为数不多的可行技术，效能系数比PTC 加热高出2- 3 倍，越来越被认为是纯电动汽车制热的有效解决方案。

Hosoz M.[4] 究了以R134a 为制冷剂的车用空气源热泵系统，其发现非低温的环温时，热泵系统能提供足够热量且COP较高，但环温越低时制热量急速下降。李海军[5]为解决低温下电动车用热泵空调系统的压缩机排气温度过高及制热性能衰减的问题，设计了一种混气型热泵空调系统，通过数学建模与实验验证，证明了其有效性。彭发展[6]研究了制热模式下不同的环境温度和压缩机转速对车内温度、高压管路内部工质的温度和压力、系统能效比等参数的影响，为解决电动车冬季制热能耗高的问题提供了参考。

刘旗[7]设计了一种低温热泵系统，可将热泵空调的使用范围拓展到- 25℃，有效提升低温下电动车的续航里程。许树学[8]提出准二级压缩- 喷射热泵系统，在环温- 20℃条件下的制热量与能效比，较普通补气系统均有明显提高。这些研究对电动车用热泵空调系统的方案设计、匹配优化及发展方向等，起到了指导性的作用。但不得不说这些内容更多侧重于空调系统制冷剂回路的研究，并没有考虑整车热量的综合分配利用，实现整车热管理系统冷却液回路、制冷剂回路和空气侧回路的有机结合。

本文在总结国内外现有研究成果的基础上，设计了一种余热回收型热泵空调系统。该系统通过冷却液回路和制冷剂回路的合理设计，将电池、电机和电控系统的热量与乘客舱的采暖需求匹配耦合，实现了空调系统不同模式在不同环境温度下的余热回收。本文搭建了实车管路状态的系统台架，并通过实验设计对该系统进行了性能测试，最终将实验结果与无余热回收功能的电动汽车用空调系统进行对比。

余热回收热泵空调系统设计

1.1 基准空调系统设计

基于普通电动汽车的空调系统，其制冷模式、除雾模式和制热模式的系统架构。其中制冷模式与传统燃油车制冷类似，利用压缩机的蒸气压缩循环使制冷剂在蒸发器内蒸发吸热，达到乘客舱制冷的效果；制热模式需要利用高压电加热器PTC，额外将电能转换成热能，达到乘客舱制热的效果；除雾模式则是制冷模式和制热模式的结合，蒸发器负责制冷除湿，PTC 负责加热回温提高乘客舱的送风温度。

1.2 余热回收型空调系统设计

空调系统中的空调箱HVAC 增加内置冷凝器，用于热泵制热循环，可利用制冷剂在内部冷凝器内冷凝放热实现乘客舱加热。此时系统制热量等于外部换热器的吸热量加上压缩机耗功，制热COP 大于1，可有效降低采暖能耗。另外，内置冷凝器仅用于制热的功用，实现了空调系统中制冷/ 制热换热器的分离。因为在传统热泵空调系统中制冷/ 制热共用换热器，依靠四通换向阀切换散热与吸热，制冷模式切换为制热模式时，空调箱内部换热器表面的冷凝水会急速蒸发雾化在前挡风玻璃上，严重影响行车安全。

此系统中制冷模式的运行与基准空调系统的类似，利用压缩机的蒸气压缩循环使制冷剂在蒸发器内蒸发吸热，达到乘客舱制冷的效果。然而余热回收型热泵的除雾模式大大区别于基准空调系统的除雾模式，进入空调箱的空气被蒸发器制冷除湿后，可利用内部冷凝器的冷凝热加热回温，此时空调系统的冷凝热取代了高压PTC 的电加热功率，在该模式下可极大的削减空调系统的能耗，实现节能高效运行。

此外，制热模式的余热回收方式包含间接余热回收和直接余热回收。间接余热回收电机电池冷却液回路通过低温水箱LTR 将热量释放到环境中，提升室外换热器的空气侧进风温度；直接余热回收电机电池冷却液回路的热量被chiller 吸收，改善了低温热源。因此当电机电池冷却液回路的温度高于环境温度时，可利用该部分冷却液的热量有效提升热泵空调的蒸发压力，改善系统制热效率。

余热回收热泵空调系统实验

2.1 实验装置与条件

根据理论计算、模拟分析、单零件性能测试等环节后，搭建了电动车用余热回收热泵系统的实车管路状态的实物台架。关键零部件参数如表1。

表1 关键零部件参数



图1 台架实验- 余热回收热泵空调系统

将实车管路状态的热泵空调系统台架置于在汽车空调用焓差实验室进行性能测试。实验测试方法与数据处理方法，均按照QC/T 657- 2000 汽车空调制冷装置实验方法和QC/T656- 2000 汽车空调制冷装置性能要求来进行。实验工况设定，主要针对低温环境下电动车乘员舱的采暖需求，具体参数详见表2。

表2 实验工况



2.2 实验结果与分析

2.2.1 除雾模式能耗分析

如图2 所示，不同环境温度下，电动压缩机转速维持1000r/min，以相同出风温度为前提，余热回收热泵空调系统相较于基准空调系统，其能耗降低80%以上。其主要原因是除雾模式时，将蒸发器出口的低温空气加热回温需要极大热量，如图2 所示：环温22℃时，空调箱出风温度达到30℃时，基准空调系统的压缩机功耗加上加热回温PTC 电功率共2328W，而余热回收型热泵系统利用冷凝热加热回温，该模式下只需耗功245W，可节能89%；以此类推，环温12℃时，余热回收型热泵系统可节能88%；环温2℃时，可节能86%，此时空调箱出风温度19℃，若余热回收型热泵系统通过提高压缩机转速满足乘客舱更高的出风温度需求，相较于基准空调系统将产生更大的节能效果。



图2 除雾模式空调系统功耗

2.2.2 制热模式能耗分析

不同环境温度下，基准空调系统中制热模式纯PTC 采暖和余热回收型热泵系统基础热泵制热的采暖能耗对比如图3 所示。从图3 中可见，基准空调系统运行制热模式时，其空调系统能耗远高于余热回收型热泵系统能耗，热泵采暖能耗可节能54%以上。如图所示，环境温度2℃时，维持空调箱出风温度45℃，基准空调系统PTC 功耗2530W，而余热回收型热泵基础热泵功耗仅520W，节能比例79%。



图3 基准空调系统和热泵基础制热能耗对比

不同环境温度下，余热回收型热泵系统中，可采用的不同余热回收方式能耗对比如图4 所示。从图4 中可见，随着环境温度的下降，同种余热回收方式的节能比例略有提升，其中直接余热回收的节能百分比从环温2℃时的12%升高到环温- 10℃时的19%，主要原因是余热回收对吸气压力的改善在更低的环境温度下影响更显著。

此外，对比相同环境温度下，不同余热回收方式的能耗对比，直接余热回收的效果明显优于间接余热回收。环温- 10℃时，维持出风温度45℃，基础热泵采暖能耗1300W，采用间接余热回收方式能耗1200，可节能8%，而采用直接余热回收方式时，能耗降低至1050W，节能比例增到19%。



图4 不同余热回收方式能耗对比

结论

本文设计开发了一种具有余热回收功能的电动车用热泵空调系统，并通过实车管路状态的系统台架的搭建与实验研究，得到了以下结论：

3.1 相较于基准空调系统除雾模式采用PTC 加热回温，余热回收热泵系统利用冷凝热量来替代，可显著降低系统除雾模式的功耗，提升电动车续航里程。

3.2 运行制热模式时，余热回收型热泵空调系统的采暖功耗可缩减一半以上，且采用直接余热回收的节能效果明显优于间接余热回收。

参考文献
[1]江挺候，张胜昌，康志军.电动汽车热泵系统研究进展[J].制冷技术.2012,(2)：71-74.
[2]尹安东,周斌,江昊,等.自适应神经模糊系统的LiFePO4 电池SOC 预测[J].电子测量与仪器学报，2014,28(1):84-90.
[3]张优,张海东,黄绍军,等.纯电动汽车空调制热方案探讨[C].中国汽车工程学会年会论文集，2010:246-248.
[4]Hosoz M, Direk M. Performance evaluation of an integrated
automotive air conditioning and heat pump system [J]. Energy
Conversion and Management, 2006, 47(5): 545-559.
[5]李海军，李旭阁，周光辉，等.纯电动汽车超低温热泵型空调系统特性模拟研究[J].低温与超导，2014,42(6):63-67.
[6]彭发展，魏名山，黄海圣，等.环境温度对电动汽车热泵空调系统性能的影响[J]. 北京航空航天大学学报，2014,40 (12):1741-1746.
[7]刘旗，梁媛媛，赵宇，等.电动汽车蒸汽喷射式低温热泵空调系统性能研究[J].制冷与空调，2018(1):63-67.
[8]许树学，马国远，彭珑.准二级压缩-喷射热泵的设计与实验研究[J].化学工程,2010(1):99-102.
作者简介：李杰（1983，7-），男，汉族，籍贯：河南长垣，职称：工程师，研究方向：空调系统。