电动汽车热泵系统低温工况的制热性能实验研究

摘要：为研究低温时电动汽车热泵空调系统的制热性能，本文通过搭建空气源热泵空调系统实验台，实验研究了电动汽车热泵空调系统在环境温度为-10～0 ℃的低温工况下的制热性能，分析了压缩机转速(2 000～5 000 r/min)、HVAC总成进风量(300～400 m3/h)和环境温度对该热泵系统性能的影响，最后通过推导公式，估算电动汽车在使用空调系统后的续航里程。实验结果表明：随着压缩机转速的增加，压缩机排气温度、排气压力和系统制热量均增加，而COP下降；当保持压缩机转速和环境温度不变时，HVAC总成进风量从300 m3/h增至400 m3/h，制热量增加约13.3%～26.0%，COP增加约0.03～0.80；在其他条件不变时，当环境温度从-10 ℃升至0 ℃，热泵空调系统的制热量增加约60.9%～71.0%，COP增加约0.51～0.63；通过公式进行计算，当环境温度为-10～0 ℃时，在达到相同制热量条件下，热泵空调系统可在PTC加热器的基础上使续航里程提高13.5%～20.8%。近年来，电动汽车的销量在全球范围内逐渐增加，但其销量仍不到新车总销量的1%。根据目前市场上电动汽车的表现，可靠性和行驶里程是两个主要问题。汽车空调作为保障成员舒适性及安全驾驶的必要设备，目前已经得到广泛的普及。作为汽车中能耗最大的辅助设备，空调的开启会对电动汽车的续航里程造成极大的影响。电动汽车采用PTC(positive temperature coefficient，正温度系数)加热器制热，具有改造简单、可靠性高的优势。但在冬季使用 PTC 取暖将会使得续航里程下降 20.1%～56.4%，而使用热泵将明显增加续航里程，当热泵效率达到1.7时，续航里程增加 7.4%～13.2%，因此在电动汽车上采用热泵系统成为研究与应用的热点。电动汽车的热泵空调系统主要用于制冷、供暖、通风、挡风玻璃的除霜、除雾和车外换热器除霜等。在不同环境温度下，使用热泵替代PTC，可节省17%～52%的能耗。李丽等设计了一款蒸气压缩式热泵空调系统用于电动汽车，通过四通阀的转换来实现制冷和制热模式的切换，分别在环境温度为35 ℃和-15 ℃下进行了实验测试，测得系统的制冷量和制热量分别为2.95 kW和2.63 kW。Qin Fei等设计了一款三换热器蒸气压缩式热泵系统，研究了其在低温环境下的制热性能表现。基于车内挡风玻璃水汽凝结除雾的需求，在全新风和-20、-15、-10 ℃三种低温工况条件下进行了测试，结果表明，在环境温度-20 ℃工况下，COP最高超过了1.7。电动汽车上应用热泵系统具有一定的优势，越来越多的学者对影响电动汽车热泵系统性能的因素进行了研究。J. M. Saiz Jabardo等研究了工质充注量对R134a空调系统的流量、换热量和COP的影响，指出系统存在最佳的工质充注量。Tian Changqing等通过建立稳态数学模型，研究了压缩机转速、环境温度和进风量对R134a热泵空调系统的性能影响，结果表明较高的压缩机转速、较高的环境温度和较大的进风量能更好的发挥热泵的性能。张耘等研究了R134a/R32混合制冷剂对电动汽车空调系统制热性能的影响, 结果表明,相对于R134a系统,混合制冷剂空调系统制热量增加约14.0%～17.1%,COP提升4.3%～14.0%。武卫东等研究了压缩机转速对电动汽车热泵空调的制冷性能的影响，结果表明较，高转速虽然能达到较快降温的效果，但不利于整体能效的提高。华若秋等研究了EXV开度对纯电动汽车热泵空调性能的影响，结果表明，冷凝器出口过冷度较大时,通过改变EXV开度可有效调节热泵出风温度,且在开度较小时增大EXV开度有利于获得较高的COP。综上所述，电动汽车使用热泵空调系统相比于PTC加热器具有提高续航里程的优势，但热泵空调系统的制热性能受到多种因素影响，因此本文通过实验研究了压缩机转速、HVAC总成进风量以及环境温度对热泵系统性能的具体影响，并对电动汽车开启空调系统后的续航里程进行了估算，对热泵空调系统相比于PTC加热器对于电动汽车续航里程的影响进行具体分析。

1 实验装置和方法

本文设计的热泵系统为三换热器热泵系统，包括一个电动涡旋压缩机、三个微通道换热器、一个电子膨胀阀、一个带截止功能的热力膨胀阀、一个气液分离器、两个电磁阀和两个质量流量计。各部件的具体参数如表1所示。该系统实验在汽车空调焓差室中进行，焓差室由室内和室外两部分构成，通过独立的环境控制系统来控制室内换热器和室外换热器的入口参数。系统原理如图1所示，系统具有冷却和加热的基本功能，通过切换两个电磁阀(SV1和SV2)的通断来改变制冷剂流向，调整电子膨胀阀(EXV)与热力膨胀阀(TXV)状态来保证制冷制热回路的正常工作。在制冷模式时，打开SV1，关闭SV2。制冷剂从压缩机进入室外换热器，再通过TXV进入室内蒸发器。热空气在室内蒸发器中被冷却，被冷却后的气体流向乘员舱内，达到冷却乘员舱的目的。在制热模式时，打开SV2，关闭SV1，同时，完全关闭TXV。制冷剂从压缩机排出后进入室内冷凝器，冷空气通过室内冷凝器表面与高温制冷剂完成换热，形成一个温暖的客舱。然后制冷剂通过质量流量计m2、EXV、室外换热器和气液分离器，再返回压缩机。该系统中仍然使用R134a作为制冷剂。表1 系统部件规格Tab.1 Specification of system components

图1 空气源热泵系统实验装置Fig.1 Experimental setup of the air source heat pump system本次实验系统运行制热模式，实验时，打开SV2，关闭SV1，完全关闭TXV。图1中压缩机出口至电子膨胀阀进口的管道内流动高压制冷剂，电子膨胀阀出口至压缩机进口的管道内流动低压制冷剂。箭头指向代表制冷剂流动方向，虚线代表管路中无制冷剂流过。实验工况如表2所示。表2 实验工况Tab.2 Test conditions

实验过程中，在压缩机、室内冷凝器、室外换热器的制冷剂侧布置压力传感器和热电偶温度计，用于测量制冷剂的温度和压力，采用功率计测量压缩机功耗，采用质量流量计测量制冷剂质量流量。测量装置精度如表3所示。表3 测量装置精度Tab.3 Measuring device accuracy

2 实验结果分析

2.1 压缩机转速及进风量对制热性能影响

图2和图3所示为在环境温度为-10 ℃时该热泵系统压缩机吸/排气温度和吸/排气压力随压缩机转速的变化。由图2和图3可知，随着压缩机转速增加，压缩机的吸气压力和吸气温度均降低，压缩机排气温度和排气压力逐渐上升。且压缩机转速对压缩机的排气压力和排气温度的影响很大，对压缩机的吸气温度和压力影响较小。压缩机转速增加每1 000 r/min,排气温度升高11.8～25.1 ℃，排气压力升高0.065～0.166 MPa。这是因为压缩机的排量随转速逐渐增加，且在高转速运行时，压缩效率较高，压比较大，导致排气温度较高。压缩机转速达到4 000 r/min之后，压缩机排气温度上升速度降低，这是由于压缩机的控制保护传感系统发挥作用，及时将压缩机的工作强度降低，避免压缩机排气温度过高，保护压缩机。压缩机在低转速时，HVAC总成进风量从300 m3/h增至400 m3/h，压缩机吸/排气温度和压力变化较小。压缩机转速达到5 000 r/min，HVAC总成进风量从300 m3/h增至400 m3/h，压缩机排气温度升高约5.6 ℃，吸气温度和吸排气压力变化较小，总体变化趋势均很小，这说明HVAC总成进风量对压缩机吸排气温度和压力影响较小。

图2 不同进风量下，压缩机吸/排气温度随压缩机转速的变化Fig.2 Compressor suction and discharge temperature change with compressor speed under different air inlet volume

图3 不同进风量下，压缩机吸/排气压力随压缩机转速的变化Fig.3 Compressor suction and discharge pressure change with compressor speed under different air inlet volume图4和图5所示为该热泵系统在环境温度为-10 ℃下的制热量和COP随压缩机转速的变化。由图4和图5可知，随着压缩机转速的增加，制热量不断增加，COP却不断下降。这是因为随着压缩机转速的增加，压缩机的功耗也随之增大。压缩机转速每增加1 000 r/min,制热量增加4.8%～22.0%，COP降低0.06～1.48。从变化幅度分析，当压缩机转速从2 000 r/min增至3 000 r/min时，COP降幅最大，这是因为在低转速下，压缩机功耗过低，系统不匹配导致即使在换热量不高的条件下，COP达到很高，随着压缩机转速的增加，COP降幅越来越小。保持压缩机转速不变，HVAC总成进风量从300 m3/h增至400 m3/h，制热量增加约13.3%～26.0%，COP增加约0.03～0.80。这是因为此时压缩机转速不变，HVAC总成进风量的增加导致对流换热加强，制热量随之增加，此时压缩机耗功变化不明显，导致COP增加。

图4 不同进风量下，制热量随压缩机转速的变化Fig.4 Heating capacity change with compressor speed under different air inlet volume

图5 不同进风量下，COP随压缩机转速的变化Fig.5 COP change with compressor speed under different air inlet volume

2.2 环境温度对制热性能影响

图6所示为在压缩机转速为5 000 r/min时，压缩机吸/排气温度随环境温度的变化。由图6可知，随着环境温度的增加，不同HVAC总成进风量下的压缩机吸/排气温度均逐渐升高。环境温度从-10 ℃升至0 ℃，三档HVAC总成进风量下的压缩机排气温度分别增加29.9、24.8、21.2 ℃，压缩机吸气温度分别增加13.9、13.1、17.3 ℃。维持环境温度不变，HVAC总成进风量与压缩机吸/排气温度没有明显变化，说明压缩机吸/排气温度受HVAC总成进风量影响较小。

图6 不同进风量下，压缩机吸/排气温度随环境温度的变化Fig.6 Compressor suction and discharge temperature change with ambient temperature under different air inlet volume图7所示为压缩机吸/排气压力随环境温度的变化。随着环境温度的增加，压缩机吸气压力逐渐升高，排气压力总体呈增加趋势，但当温度从-10 ℃增至-7 ℃时，排气压力变化较小，当HVAC总成进风量为300 m3/h时，排气压力甚至出现降低，这可能是由于数据采取误差造成的。

图7 不同进风量下，压缩机吸/排气压力随环境温度的变化Fig.7 Compressor suction and discharge pressure change with ambient temperature under different air inlet volume图8和图9所示分别为在压缩机转速为5 000 r/min时，该热泵系统的制热量和COP随环境温度的变化。由图8和图9可知，随着环境温度从-10 ℃升至0 ℃，制热量和COP总体呈增加趋势。环境温度上升10 ℃，HVAC总成进风量不变，制热量增加60.9%～71.0%，COP增加0.28～0.54。图9中，当环境温度从-7 ℃降至-10 ℃时，COP降幅最大，这是因为当环境温度低于-7 ℃后，蒸发器的吸热量下降明显加快，而此时压缩机功耗变化不明显，因此在热泵系统的制热量中蒸发器吸热所占比例开始减少，而压缩机功耗占比增加。在HVAC总成进风量为300 m3/h和350 m3/h时，随着环境温度的升高，COP出现小幅降低，这是可能是因为实际实验过程中，压缩机转速达到5 000 r/min时，压缩机在高转速下性能不稳定或数据采集出现误差，导致压缩机功耗数值偏高。

图8 不同进风量下，制热量随环境温度的变化Fig.8 Heating capacity at various ambient temperatures under different air inlet volume

图9 不同进风量下，COP随环境温度的变化Fig.9 COP at various ambient temperature under different air inlet volume

2.3 续航里程估算对比

为验证热泵空调系统相比于PTC加热对于续航里程的提升效果，计算对比在达到相同制热量条件下，热泵系统和PTC各自对续航里程的影响。选取实验工况为压缩机转速5 000 r/min，HVAC总成进风量350 m3/h时的制热量，作为PTC加热器所需要达到的标准功耗，设PTC加热器的加热效率为0.95。在-10～0 ℃的环境温度下，空调功耗如表4所示，其中压缩机功耗和开启PTC加热器的电耗作为最后计算的空调能耗。表4 不同环境温度下的空调功耗Tab.4 Air conditioning power consumption at different ambient temperatures

电动汽车相对续航里程计算式:

(1)式中：Rrang为相对续航里程；Wd为汽车能耗，kW；WAC为空调能耗,kW。为对电动汽车使用空调系统后的续航里程进行估算，假设：电动汽车的电池能量只供给空调和驱动汽车；电池能量驱动汽车行驶效率为1；电动汽车始终匀速行驶，电动汽车空调始终处于稳态。根据式(1)推导出估算具体续航里程式：

(2)式中：R1为开启空调后的续航里程，km; Ah为电池容量，kW·h；v为行驶速度，km/h；R为汽车不开启空调时的续航里程,km。对市场上的电动汽车进行调查，选取一款电池容量为47.5 kW·h的电动汽车，续航里程达300 km。根据NEDC(new European driving cycle,新欧洲标准行驶循环)测试工况下车速与时间的关系，理论实验距离为11.02 km，时间为19 min，如图10所示，因此平均车速选取为34.8 km/h。

图10 NEDC测试工况车速-时间关系图Fig.10 Speed-time diagram of NEDC test condition根据式(2)和表4，估算出在满足同样制热量条件下，该款电动汽车开启空调系统后的续航里程，采用该热泵空调系统和采用PTC加热器后该车的续航里程对比结果如图11所示。

图11 续航里程对比Fig.11 Comparison of vehicle driving range由计算结果可知，开启空调使电动汽车的续航里程明显减小。在制热量相同的情况下，使用热泵空调系统的续航里程高于使用PTC加热器。在制热量相同的条件下，热泵空调系统可在PTC加热器的基础上，使续航里程提高13.5%～20.8%。

3 结论

本文基于设计的热泵空调系统，在焓差室内搭建了实验台，对电动汽车热泵空调系统在室外环境温度为-10～0 ℃工况下的制热性能进行了全新风实验研究。测量了制热循环中压力、温度和换热量的变化。并分析了压缩机转速、HVAC总成进风量和环境温度对热泵系统制热性能的影响,最后推导估算电动汽车开启空调后续航里程公式，对比达到相同制热量条件下，热泵系统相比于PTC加热器对于续航里程的提升。得到如下结论：1)压缩机转速对热泵系统性能影响较大。压缩机转速每增加1 000 r/min,制热量增加4.8%～22.0%，COP降低0.06～1.48，排气温度升高11.8～25.1 ℃，排气压力升高0.065～0.166 MPa。2)较大的HVAC总成进风量可显著提升热泵系统性能。在压缩机转速和环境温度不变的情况下，HVAC总成进风量从300 m3/h增至400 m3/h，制热量增加约13.3%～26.0%，COP增加约0.03～0.80。3)较高的环境温度能更好发挥热泵系统性能。环境温度从-10 ℃升至0 ℃，在HVAC总成进风量不变的情况下，制热量增加60.9%～71.0%，COP增加0.28～0.54。4)在达到相同制热量条件下，使用该热泵空调系统，可在PTC加热器的基础上使续航里程提高13.5%～20.8%。

作者：杨忠诚 苏 林 于 荣 方奕栋 李 康 穆文杰

上海理工大学能源与动力工程学院