用补气的二次回路热泵系统在低温下的实验研究

摘要：针对电动汽车在低温环境中因制热而导致续航里程减少及传统的R134a需要被替代的问题，提出一种以R290为制冷剂，将耦合二次回路系统和补气增焓技术的新解决方案。实验研究了系统的充注量、补气增焓技术、环境温度和余热回收功率对热泵系统性能的影响。结果表明：使用R290替代R134a，充注量约为R134a的42.5%。在-20°C工况下，R290系统开启补气后，系统的制热量和COP分别上升25.0%和15.3%，与热负荷的差距由33.3%降至16.7%。若同时使用余热回收，可以满足车体热负荷需求。对不同热泵系统进行比较，R290补气+二次回路系统的续航里程改善效果仅次于CO2热泵系统，比典型的R290系统制热量高33.3~37.4%。

关键词：电动汽车；补气增焓；二次回路；R290；余热回收

引言

电动汽车在低温环境运行时，热管理系统需要给车内环境提供足够的热量，以保证舒适的环境。最典型的制热方式是采用PTC加热，虽然其结构简单、易于控制，但制热能效低（0.95），会导致电动汽车续航里程损失超过50%。Lee等人指出一个典型的热泵循环加热效率超过300%，远高于用PTC加热。因此，开发一种高效的电动汽车热泵系统，减少对续航里程的影响是非常迫切的。

目前，应用在汽车空调系统的制冷剂以R134a为主，但它属于高GWP制冷剂，在很多国家和地区被限制使用。与此同时，汽车行业的所有制造商尚未就下一代制冷剂的选择达成一致。Yadav等人报告了与21世纪制冷剂相关的研究，并对这些制冷剂进行了全面的研究，包括它们在电动汽车空调系统中的使用。其中，R290和R1234yf被评估为21世纪的制冷剂中最有希望的替代品。R290的主要缺点是它属于A3级制冷剂，具有易燃性风险。一项令人鼓舞的国际标准IEC60335-2-40ED7（2022）的新提案已经发布，它将家用空调/热泵的丙烷最大充注质量维持在988克左右，新标准的修订将有助于加速R290的普及。Palm[8,9]等讨论了将冷凝器/蒸发器用波纹钎焊式板式换热器取代，通过二次流体将热量输送到乘客舱。紧凑的二次回路设计可以有效减少系统的充注量，使系统的安全性大大提高。

为了提高热泵系统在低温下的制热性能和续航里程，补气增焓技术越来越受到重视。Han等测试了带补气的R410a热泵系统，发现在-20/20°C的工作条件下，带补气的热泵系统的COP为1.6，比不带补气的系统提高了14.5%。Bahman[11]等发现，在以R407C为制冷剂的汽车空调系统中使用补气后，系统的压缩机排气温度降低了5°C，制冷量和COP分别增加了12.7%和3.1%。早期的研究主要集中在补气的应用上。然而，由于电动汽车为热泵系统提供的安装空间有限以及R290的易燃性，有必要使用二次回路系统进行热传递针对电动汽车在寒冷气候因制热而导致续航里程减少以及传统制冷剂R134a替代的问题，提出一种将补气增焓技术和二次回路系统进行耦合解决低温性能不足和可燃性制冷剂安全性的方案。对R290和R134a做了大量的低温性能对比测试，同时与不同热泵系统进行对比。

1实验原理及方法

1.1实验装置

热泵系统由制冷剂回路和2个冷却液回路组成，如图1所示。制冷剂回路主要由带补气的电动压缩机、水冷冷凝器、补气增焓模块、电子膨胀阀（阀1和阀2）、chiller等部件组成。从压缩机出来的高温高压制冷剂气体先进入水冷冷凝器与室内循环冷却液进行热交换，冷凝为过冷液体经过蒸汽喷射装置被分补气支路和主路，补气支路在补气装置中与主路制冷剂进行换热，使主路制冷剂进一步过冷，之后进入压缩机补气口。主路的制冷剂经过电子膨胀阀2节流降压，在冷却器中与室外循环冷却液换热，吸热蒸发后回到压缩机，完成热泵循环。冷却液回路主要由水泵、膨胀水箱、室内换热器和室外换热器部件组成，分为室内侧和室外侧两个回路。在两个回路分别设置水泵1和水泵2驱动两边的冷却液（均为50%的乙二醇溶液）在室内热交换器和室外热交换器与空气进行热交换。

图1热泵系统示意图

制冷剂在水冷冷凝器和chiller中与冷却液进行换热，被加热的冷却液可以将热量传递给乘客舱或者电池包。在车辆运行时，将电池包与电机产生的余热收集起来用于提高蒸发侧的水温，改善热泵系统的制热性能。热泵系统测试台架如图2所示。

图2热泵系统测试台架

二次回路系统中主要系统部件的参数如表1所示，其中水冷冷凝器和chiller均为板式换热器；补气增焓模块由一个补气阀EXV1和板式换热器组成。焓差室的环境工况由环境控制系统控制，提供特定的环境温度(-20°C、-10°C)和湿度(50%)。焓差室包括室内和室外两个环境室，每个环境室都有用来调节空气流量的风洞。室内换热器和室外换热器分别被放置在室内和室外风洞的入口处。

在系统的关键位置都布置了相应的传感器，以测量其温度、压力和流量等参数，其中制冷剂、冷却液和空气的温度由铂金电阻温度传感器测量，精度为±0.15°C，压力传感器得精度为0.25%，质量流量计测量的精度为0.15%，测量压缩机输入功率的功率计精度为0.01%。

表1热泵系统中的主要组成部分

1.2实验工况

R290和R134a系统的充注量、压缩机转速、环境温度、室内风量以及补气阀的开度都显示在表2。

表2工况设置

1.3数据处理

两个系统的制热量均由冷却液侧制热量确定，如公式（1）所示，COP由公式（2）确定。R290和R134a所有的热物性参数均来自NISTREFPROP。制热量和COP的不确定度用公式（3）和公式（4）来确定。

2实验结果及分析

2.1充注量的影响

测试的第一步是确定R134a和R290系统的最佳充注量。在环境温度为-10°C、转速为8500rpm工况下，进行充注量实验。R134a系统的最初充注量设置为550g，R290系统最初充注量设置为150g，然后以25~30g的增量向系统中充注制冷剂，直到最佳的制热量。

图3不同充注量下的热泵系统性能特性

图3记录了R134a和R290两个系统的充注量引起的性能参数变化。以R290充注过程为例，当充注量低于200g时，水冷冷凝器的过冷度几乎为0°C，通过主阀和补气阀的制冷剂均为气相制冷剂，这就意味着系统的制冷剂质量流量较低。随着制冷剂的不断充注，在240→310g区间，压缩机的排气压力稳定在2.4MPa左右，调节补气阀的开度，制热量从7453W增加到最大值7870W，补气过热度维持在7°C左右，制热效果达到最佳。再继续加注制冷剂至330g，压缩机的排气压力和制热量有所下降，这是由于系统的制冷剂超过系统负荷，液态制冷剂进入压缩机，进而影响系统的性能。因此，对于该系统R290合适的充注量区间为270~320g，利用类似的方法确定了R134a的最佳充注量为710~830g，制热量的最大值为4370W。使用R290替代R134a，充注量约为R134a的42.5%。

2.2补气增焓模块

2.2.1最佳中间压力

由于压缩机内的中间压力测量困难，大多数研究认为注入压力近似为中间压力。带补气增焓的热泵系统与双级压缩系统原理相似，在理论最佳中间压力的选取上采用了双级压缩的理论公式，即补气的热泵系统的理论最佳中间压力等于压缩机的吸入压力与排气压力的几何平均值，如公式4所示。无量纲的中间压力，即相对中间压力被定义为实际的中间压力与理论最佳中间压力的比值，如公式5所示。Ma等人利用热泵系统的实验数据，综合分析了中间压力对性能的影响，结果发现，最佳相对中间压力值在1.1~1.3之间。

图4是-20°C环境温度，压缩机转速为6750rpm时，中间压力对两种制冷剂系统制热量、压缩机排气温度和补气过热度的影响。随着中间压力的增加，制热量呈现先上升后下降，排气温度先下降后上升，因此存在某个中间压力值使系统的性能到达最佳。如果中间压力过低，那么补气的流量就太小，导致系统的制热性能提升不明显；而如果中间压力过高，那么喷气的流量就会过大，其过热度接近0°C，这会导致液态制冷剂进入压缩机，显著地降低制热性能，并使得压缩机处于一个不安全运行的状态。

图4在-20°C环境温度下的中间压力

图4中虚线为通过实验确定的R290和R134a的最佳中间压力。其中，R290的最佳中间压力为0.34MPa；R134a的最佳中间压力为0.21MPa。通过公式5求得R290的理论最佳中间压力为0.31MPa；R134a的理论最佳中间压力为0.17MPa。由公式6求得的R290系统的相对中间压力值为1.1；R134a系统的相对中间压力值为1.2。R290和R134a的相对中间压力值所在的区间与相关研究的最佳相对压力的范围类似，表明本研究通过实验确定最佳中间压力是在一个合理区间内。

对于每一个工况，系统都有一个最佳中间压力，在此时具有最佳的制热性能。在下文的研究中，均选取各工况的最佳中间压力所对应的数值进行分析。

2.2.2对制热性能的影响

如图5所示，开启补气后，系统的制热量得到明显的提升。R290系统的制热量分别上升13.7%(-10°C)和25.0%(-20°C);R134a系统的制热量分别上升20.1%(-10°C)和20.3%(-20°C)。可以发现，环境温度越低，补气增焓使R290系统制热量提升更明显。在-20°C的极端工况下，开启补气后R290和R134a的COP分别提升15.3%和7.2%，均能达到2.0以上，远高于使用PTC电加热的效率。

当环境温度很低时，热泵可能无法提供足够的热量来满足车厢的热负荷，关于热负荷的标定是基于的工作。在工况（-20°C&6750rpm）中，开启补气增焓后R290系统的制热量虽然不能完全满足相关研究对车体热负荷的要求，但间隙越来越小，平均由33.3%降低至16.7%。

图6显示，系统开启补气后，R290系统压缩机排气温度下降8.3~18.5°C，R134a制冷剂系统压缩机排气温度下降7.1~11.6°C。前者平均排气温度比后者低4.8~8.6°C。蒸发温度为-37°C时，两者相差最大，为18.6°C；当蒸发温度为-27°C时，二者相差最小，为4.8°C。

图5不同环境温度下的制热量和COP

图6不同蒸发温度下的排气温度

2.3环境温度的影响

根据图7中R290和R134a的P-h图，当环境温度为-10°C和-20°C时，R290系统的冷凝压力分别为2.31MPa和0.92Mpa；R134a系统的冷凝压力分别为1.42MPa和0.63Mpa。R290系统的冷凝压力高于R134a系统的冷凝压力，较高的冷凝压力有助于提高水冷冷凝器的制热量。环境温度由-10°C降低至-20°C时，R290系统的蒸发压力由0.17MPa降至0.14MPa；R134a系统的蒸发压力由0.067Mpa降至0.046Mpa。R134a系统的蒸发压力下降31.3%,R290系统的蒸发压力下降仅17.6%。P-h图同时还显示了环境温度的变化导致中间压力发生变化。R290的中间压力由0.73MPa降为0.35MPa；R134a的中间压力由0.37MPa降为0.21MPa。中间压力的降低，导致补气支路的流量降低，与主路制冷剂的换热量降低，R290系统补气支路与主路的换热量由1595W降为775W；R134a系统补气支路与主路的换热量818W降为339W。

图7两种制冷剂在-20°C和-10°C的P-h图

2.4余热回收测试

在工况（-20°C&6750rpm）中测试R290系统的性能时，我们发现仅依靠补气增焓技术，不能完全达到取消PTC辅助供热的目的；二次回路的一个显著的优点是低压的冷却液系统可以很容易延伸到车身的各处热源，我们希望在开启补气的基础上，通过二次回路的余热回收技术，达到仅靠热泵系统供热的目的。在测试中，我们用PTC加热冷却液来模拟动力电池和驱动电机在工作过程中的产热。

如图8所示，在-20°C的环境温度下，不进行余热回收时，系统的制热量为4350W，冷却液的温度为-26°C；当PTC的功率为1000W时，系统的制热量为5620W，冷却液的温度为-18°C，制热量提高25%，冷却液的温度提高8°C。一般而言，在实际驾驶场景中，参考的研究结果，收集电池和电机工作过程中产生的余热，一般都超过了1200W。当PTC功率为2600W时，制热量可达6000W，可以基本满足-20°C环境温度中对车体热负荷的要求；因此，在电动汽车热泵系统中使用带有余热回收的二次回路系统同时开启补气增焓，可以完全摆脱PTC仅依靠热泵系统供热。

图8带PTC系统的制热量和冷却液温度

2.5二次回路+补气增焓热泵系统整体评估

为了全面比较在极端温度下不同架构的电动汽车热泵系统的制热性能以及续航状态，我们将文献公开的纯电汽车热泵性能测试数据与二次回路+补气系统进行比较。热泵行驶里程影响分析基是基于的工作;WLTC是确定轻型车辆能耗和电动里程的标准试验循环。表3展示WLTC循环进行车辆续航测试的相关信息。当汽车热泵的制热性能可以不满足车辆的热负荷时，便需要打开PTC辅助供热，以满足车内热负荷.PTC的计算公式如公式7，这时热泵系统的功率由压缩机功率和PTC功率两部分共同组成（忽略风扇的功率），如公式8；车辆的行驶距离如公式9.

四种策略都是在-20°C的环境中进行测试的，如表4所示。由图9可以发现，策略（1）的CO2热泵系统的制热量比车体的热负荷高6.2~25.3%;策略（3）当压缩机转速为6750rpm提升至8500rpm，制热量与车体热负荷间距由-16.7%减小至9.7%；策略（2）和策略（4）当压缩机转速提升至最高时，也无法满足车体的制热量需求。

表3WLTC循环续航测试参数

当热泵系统关闭时，车辆的行驶里程为94km，当仅使用PTC时，续航里程会衰减52.4%；四个策略的热泵系统工作后，车辆里程均有改善。策略（1）@6000rpm的行驶里程为69.2km，改善32.1%，是8个工况中改善最好的，这得益于CO2在低温下优良的制热性能。对比采用R290的策略（2）和（3），在相似的压缩机转速下，策略（3）的制热量较策略（2）高33.3%-37.4%，续航里程改善0.8%-5.4%。这是由于策略（3）的补气增焓技术使得系统的制热量显著增加，而续航里程提升程度不明显是由于策略（3）是二次回路系统，相较于策略（2）的直接式热泵系统，COP会出现一定程度的下降。策略（4）R134a的改善率最低，不到20%。

图9-20°C环境温度下不同热泵框架性能变化

R1234yf和R134a具有相似的加热性能，即使采用补气增焓技术，依然需要PTC补充热量。R290在没有采取补气技术时，制热量虽较R134a有长足的提升，但依然不能满足系统的热负荷需求；采用补气增焓技术后（合适的余热回收），在没有PTC的情况下依然在极端温度提供足够的制热量。

表4不同热泵策略下的运行参数

3结论

随着各国对全球环境问题的日益关注，电动汽车空调系统中最常见的制冷剂R134a将被其他更环保的制冷剂取代。此外，R134a热泵系统在寒冷气候下的低热效率导致电动汽车行驶里程严重衰减，这也成为其发展的主要障碍。许多研究开始侧重于更安全、更有效地应用R290。本文研究了VPI技术、环境温度、余热回收、空气流量、充气质量和压缩机转速对丙烷热泵系统加热性能的影响。结果表明，在无PTC辅助加热的情况下，SL+VPI在丙烷热泵中的应用可以满足-20°C低环境温度下的要求。集中设计的热泵系统占用更少的空间，丙烷循环回路变得更短，从而减少其电荷质量。

在工况(-10C@8500rpm)下确定了R290和R134a系统的最佳充注量分别为310g和730g，使用R290替代R134a，充注量约为R134a的42.5%。

在工况(-20°C@6750rpm)下，R290系统开启补气增焓后，系统的制热量和COP上升25.0%和15.3%，与车体热负荷之间的间距由33.3%降低至16.7%；在二次回路中使用余热回收装置后，可以消除与车辆热负荷之间的间距，摆脱PTC辅助供热，仅靠热泵自身的制热量就可以满足车辆热负荷需求。

比较了不同的热泵架构对续航里程的改善情况。结果表明,在-20°C环境中,R290二次回路+补气增焓系统改善程度仅次于低于CO2热泵系统，比典型的R290系统制热量高33.3%-37.4%.考虑到CO2的高工作压力以及高温环境下制冷效果差，R290二次回路+补气增焓系统是最富有竞争力的候选系统。

作者：季志远，王海民，王传伟，林浩

作者单位：上海理工大学能源与动力工程学院，上海市多相流与传热重点实验室；东风商用车有限公司