电动汽车间接式热泵空调系统的制热性能实验研究

吴靖,陈海涛,任亚超,等.电动汽车间接式热泵空调系统的制热性能实验研究[J].制冷技术,2022,42(06):49-54.

摘  要

本文搭建了一套电动汽车热泵空调系统台架，所有零部件均参照实车要求进行设计。基于该台架，

实验结果表明，间接式热泵的制热性能比直接式热泵低20%左右。当电加热功率为2.5 kW时，出风温度提高22 ℃。鼓风机风量从130 m3/h提高到300 m3/h时，制热量提高了0.56 kW，出风温度则下降了23.5 ℃。冷却液流量的增大对系统的制热性能提升不明显。

0 引言

传统燃油车一般利用发动机运行过程中产生的余热实现车内采暖，而电动汽车必须全部采用电池的能量。目前电动汽车主要采用高压正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）材料加热的方式满足车辆采暖和加热需求[1]。PTC加热器具有恒温发热、高耐久型以及升温速度快和控制简单的特点。然而，由于PTC是基于电热转换的原理，其能效较低，PTC加热的开启将显著增加电池耗电功率，从而降低电动汽车的续航里程[2-3]。

热泵技术是基于逆卡诺循环的原理，以较少的电能通过蒸气压缩-膨胀的方式吸收空气中的低温热能从而产生高温热能，具有很高的能效（一般可产生2倍以上电量的热量）[4-5]。在当前动力电池技术没有突破性进展的情况下，被广泛认为是当前最具前景的保证低能耗制热的可行技术，目前部分国内外车企已相继推出带有热泵系统的电动汽车车型[6-8]。国内外学者和机构先后开发和研究了各种不同类型的电动汽车热泵空调系统，这些系统结构各异，使用的制冷剂也不尽相同[7-9]。

按照与进入乘客舱空气进行换热的介质的不同，汽车热泵系统可粗略分为直接式热泵和间接式热泵。对于直接式热泵，进入空调箱的冷空气通过车内冷凝器与从压缩机出来的高温制冷剂气体直接进行换热来实现空气加热。而对于间接式热泵，从压缩机出来的高温制冷剂气体先通过一个板式换热器加热冷却液，冷却液再通过一个叫做暖风芯体的换热器加热空气，因此间接式热泵也称为二次回路热泵系统[7]。与直接式热泵相比，间接式热泵具有以下优势[10-14]：1）可以克服可燃性制冷剂的安全问题，从而选用可燃性制冷剂；2）可以避免直接在空调箱中使用高压PTC，降低安全隐患；3）更有利于制冷剂侧管路的集成；4）出风温度分布更加均匀；5）制冷剂充注量更小，泄漏率更低。

国内外许多学者对间接式汽车热泵空调系统进行了相关研究。WANG等[11]系统地评估了采用可燃性制冷剂的二次回路热泵空调系统在不同领域的性能表现和影响，结果表明二次回路设计是当前平衡环保和安全要求与成本的可行方案。兰娇等[12]利用焓差实验室研究了室内侧风量和压缩机转速对二次回路热泵制热性能的影响，结果表明较低的风量更有利于系统的制热性能。KAISER[13]通过台架试验比较了直接式热泵和间接式热泵系统的制冷剂充注量，发现间接式热泵的充注量可减少多达 28%。KOWSKY等[14]的研究也得出类似结论，他们通过实验发现间接式热泵空调系统的制冷剂充注量比直接式系统少24%。GOHDBANE[15]利用仿真手段对采用二次回路和直接式汽车空调系统的制冷性能进行了对比，研究结果表明二次回路系统的制冷效率降低了20%以上。ZHANG 等[16]搭建了采用 R152a 制冷剂的实验台架，并比较了采用二次回路的间接式热泵与直接热泵的性能对比，研究表明间接式热泵系统的高低压压比直接式热泵更大、系统能效更低。章伟等[17]研究了二次回路热泵空调的制冷剂充注量对系统性能的影响，实验结果表明制冷剂充注量对制热性能的影响要大于对制冷性能的影响。

目前文献中对于电动汽车间接式热泵的研究或通过仿真计算，或利用焓差实验室进行实验研究，缺少完全按照实际汽车空调系统零部件要求设计的实验研究。本文搭建了一套针对紧凑型电动汽车设计的热泵空调系统台架，所有零部件均参照实车要求进行设计。基于该台架，本文研究了在低温条件下，空调箱进风量、冷却液流量以及电加热功率对间接式热泵系统制热性能的影响，同时与直接式热泵的制热性能进行了比较。

1 热泵空调系统

本文设计的直接式热泵系统和间接式热泵系统分别如图1和图2所示。

其中直接式热泵系统主要由电动压缩机、空调箱（包含蒸发器，车内冷凝器，温度风门、空气PTC加热器等）、车外换热器、电子膨胀阀、热力膨胀阀、截止阀、气液分离器等组成。空气PTC用于在热泵系统制热能力不足时提供辅助加热。制冷模式和制热模式下的空调箱内空气换热分别通过蒸发器和车内冷凝器来实现。制冷模式和制热模式的切换主要通过电子三通阀的控制来实现。

与直接式热泵相比，间接热泵将空调箱内的车内冷凝器替换为更适合冷却液换热的暖风芯体换热器。压缩机排出的高温高压制冷剂气体在水冷冷凝器内通过冷却液将热量带到暖芯。冷却液回路由水泵驱动。冷却液回路串联一个水加热PTC用于在热泵系统制热能力不足时提供辅助加热。其余部分的设计均与直接式热泵一致，便于进行性能比较。

2 实验原理

2.1 实验装置

本文的研究是通过参照电动汽车实车标准搭建如图1和图2所示热泵空调系统台架，然后将台架置于环境气候仓中进行测试来完成的。该环境仓可模拟-20~60 ℃的环境温度，同时在在0 ℃以上环境条件下可任意调节湿度。系统台架的主要零部件特征和参数如表1所示。

系统使用的制冷剂为R134a，冷却液为50%的乙二醇和水的混合液。

在实验台架上通过T型热电偶测量制冷剂以及风侧温度，压力传感器测量制冷剂侧压力，采用体积流量计测量冷却液的体积流量，使用电压表与电流表测量压缩机和 PTC 的运行电压与电流来计算运行功率，主要测量参数的精度如表2所示。所有测量数据通过数据采集仪连接至电脑进行记录。

2.2 实验方法

本文主要测试不同运行参数对热泵系统制热性能的影响，测试工况如表3所示。其中环境温度的选择是参照中国汽车技术研究中心对电动汽车低温续航相关测试的要求而制定[18]。系统的过冷度通过调节电子膨胀阀使得水冷冷凝器或车内冷凝器出口过冷度在10 ℃左右。

热泵系统的制热量是根据公式(1)通过计算空调箱中风侧换热量得到。系统的制热性能系数（Coefficient of Performance，COP）通过计算制热量与压缩机功率和PTC加热功率之和得到：

3 实验结果及分析

3.1 间接式热泵与直接式热泵制热性能比较

与直接式热泵相比，间接式热泵增加了一次换热过程，因此系统换热效率将下降。表4和表5分别所示为当风量为300 m3/h、压缩机转速为6 000 r/min和8 000 r/min的条件下，间接式热泵与直接式热泵的制热性能对比。

测试结果显示在6 000 r/min和8 000 r/min条件下，与直接式热泵相比，间接式热泵的制热量分别下降了18.4%和21.2%，出风温度分别下降了7.3 ℃和8.1 ℃，系统高压压力分别降低了130 kPa和50 kPa。间接式热泵系统的高压压力较低，因而高低压的压比相较于直接式热泵更低，压缩机效率更高。可知相较于制热量的显著下降，间接式热泵系统的COP仅分别下降了5.2%和9.2%。

综上所述，如果单从系统能效和制热能力的角度看，直接式热泵系统性能明显优于间接式热泵。

3.2 电加热开启对间接式热泵制热性能的影响

在环境温度非常低的条件下，如-5 ℃以下，通常单纯依靠热泵无法满足车辆的制热需求，需要电加热辅助[19]。本文研究了转速为6 000 r/min、风量为300 m3/h条件下不同电加热功率对间接式热泵系统制热性能的影响，测试结果如表6所示。

根据实验结果，开启电加热会显著提高系统的制热能力和出风温度。当电加热功率分别为1.5 kW和2.5 kW时空气侧的制热量分别提高了1.25 kW和2.15 kW，出风温度分别提高了12.9 ℃和22.2 ℃。但由于电加热相比于热泵循环其制热效率低得多，因此系统COP显著降低。另外由于电加热开启后冷却液的温度将明显升高，这将导致系统高压压力的增大。而高压压力的增大会增大系统高低压的压比，进一步降低压缩机的效率。本实验中当电加热功率分别为1.5 kW和2.5 kW时系统的COP分别降低了34%和44%。

3.3 进风量对间接式热泵制热性能的影响

表7所示为不同空调箱进风量条件下间接式热泵系统的制热性能对比。可知当风量从130 m3/h提高到172 m3/h和300 m3/h时，制热量分别提高了0.14 kW和0.56 kW，系统COP也分别提高了20%和48%。这是由于风量的增加提高了系统的换热能力和换热效率。由于风量的增加使得系统高压侧散热性能提升，高压压力分别下降了270 kPa和350 kPa。同时风量的增加使出风温度明显降低，本实验中出风温度分别下降了10.2 ℃和23.5 ℃。

值得指出的是尽管大风量有利于整体的制热性能提升，但也需要考虑大风量的弊端。一方面大风量会导致出风口温度偏低，无法满足在低温情况下乘客舱的温度需求。另一方面，大风量也会显著增加鼓风机的耗电量[20]。因此，对于电动汽车鼓风机风量的选择需要针对各种工况综合考虑。

3.4 水流量对间接式热泵制热性能的影响

为了研究冷却液流量对制热性能的影响，本文分别测试了在压缩机转速为6 000 r/min、风量为172 m3/h条件下冷却液流量分别为8、11和15 L/min的制热性能对比。考虑到不同流量下水泵功耗的区别，式(2)的制热能效COP计算中增加了水泵功耗WPUMP的影响，如式(3)所示：

本次测试中，冷却液流量为8、11和15 L/min下水泵的功耗分别为25、49和85 W，其他测试结果如表8所示。

由实验结果可见，当冷却液流量从8 L/min提高到11 L/min和15 L/min时，系统的制热量仅提高了0.01 kW和0.02 kW，出风温度也仅提高了0.3 ℃和0.5 ℃。同时，由于流量的增加系统的换热效率提升，高压压力分别轻微下降了30 kPa和40 kPa，不考虑水泵功耗情况下的系统COP也分别轻微提升了3%和4%。然而，由于冷却液流量的提升导致水泵功耗增加，因此考虑水泵功耗后的系统COP′几乎没有变化。

总体而言，冷却液流量的提升对系统的制热性能提升不明显，本文中所测试的流量提升对制热性能提升量低于1%。这些结果表明对于间接式热泵而言，冷却液流量并不是影响系统制热性能的关键参数。同时由于水泵的功耗占系统总功耗的比例不到6%，因此水泵的功耗对系统能效的影响并不显著，尤其在冷却液流量不大的情况下。

3.5 误差分析

实验结果的计算误差由式(3)和式(4)计算得出，其中δR/R表示计算结果的相对误差而δxi/xi表示测量参数的相对误差：

结合式(1)和式(2)经过计算，本文中制热量和能效COP的最大相对误差分别为±1.8%和±2.1%。

4 结论

本文设计搭建了电动汽车热泵系统实验台架，针对风量、水流量和PTC加热功率对系统制热性能的影响进行了实验研究，并与直接式热泵进行了对比，得出如下结论：

1）间接式热泵的制热性能相较于直接式热泵下降明显，在相同压缩机转速下，间接式热泵的制热能力降低20%左右，COP降低5%以上；

2）PTC 电加热的开启将显著提升系统制热性能，但会显著降低系统COP，在PTC功率为2.5 kW条件下，相比于不开电加热的情况出风温度提高超过22 ℃，COP则降低44%；

3）空调箱进风量对间接式热泵系统的制热性能影响很大。风量的增加会增加系统的制热量并显著提高系统COP，但同时出风温度会明显降低；当风量从130 m3/h提高到300 m3/h时，制热量提高了0.56 kW，系统COP提高了48%，同时出风温度下降了23.5 ℃；

4）冷却液流量对间接式热泵的制热性能影响不明显；冷却液流量从8 L/min提高15 L/min制热性能的提升不到 1%，在考虑水泵功耗的情况下流量的增加对系统能效也几乎没有影响，因此综合考虑噪声等因素可以选择一个较小的流量。