電動(dòng)汽車新型熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究*

彭慶豐，趙 韓，陳祥吉，方運(yùn)舟，趙家威

(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009； 2.奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，蕪湖 241002；3.南京奧特佳冷機(jī)有限公司，南京 210022)

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2015246

電動(dòng)汽車新型熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究*

彭慶豐1,2，趙 韓1，陳祥吉3，方運(yùn)舟2，趙家威2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009； 2.奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，蕪湖 241002；3.南京奧特佳冷機(jī)有限公司，南京 210022)

空調(diào)系統(tǒng)的性能對(duì)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程具有重要影響，在對(duì)采用不同制冷劑和壓縮機(jī)的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行分析比較的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和研制了一種采用二級(jí)壓縮噴射熱泵的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并與PTC采暖方式進(jìn)行了實(shí)車對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，與PTC采暖系統(tǒng)相比，新型熱泵空調(diào)系統(tǒng)能夠節(jié)能15%以上，整車?yán)m(xù)航里程延長15km以上。

電動(dòng)汽車；熱泵空調(diào)；二級(jí)壓縮；實(shí)車試驗(yàn)

前言

純電動(dòng)汽車完全依靠動(dòng)力電池作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力能源，其空調(diào)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車[1-2]。與此同時(shí)，由于動(dòng)力電池的容量有限[3-4]，純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的能耗占電池容量的比例較高，可達(dá)15%～20%。因此，純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能將對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程造成直接影響。

目前，電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)的研究主要分為3種類型：(1)基于現(xiàn)有制冷劑R134a的熱泵系統(tǒng)；(2)源于德國試驗(yàn)室制冷劑CO2的熱泵技術(shù)；(3)太陽能熱泵空調(diào)系統(tǒng)[5-6]。根據(jù)換熱器的數(shù)目，這些系統(tǒng)又可分為單換熱器和雙換熱器兩種；根據(jù)壓縮機(jī)的不同，系統(tǒng)又分滑片壓縮機(jī)和渦旋壓縮機(jī)兩種不同類型[7]。不同系統(tǒng)各具優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同場合。

大部分電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)在夏季制冷時(shí)與汽油機(jī)一樣采用壓縮機(jī)，冬季采暖則采用PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)電加熱方式。PTC的電加熱方式本身性能、效率和安全存在一定問題，而且降低了電動(dòng)汽車在冬季的續(xù)航里程。因此，探索研究新型熱泵空調(diào)系統(tǒng)對(duì)加快電動(dòng)汽車的技術(shù)進(jìn)步和市場拓展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文中在總結(jié)國內(nèi)外汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于制冷劑R134a的純電動(dòng)汽車二級(jí)壓縮噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)，通過引入噴射器，首次將采用二級(jí)壓縮噴射技術(shù)的小型渦旋壓縮機(jī)應(yīng)用在純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)中[8-11]。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，與電動(dòng)汽車原有空調(diào)系統(tǒng)相比，新型熱泵空調(diào)系統(tǒng)能夠節(jié)能15%以上，提高了電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程。

1 純電動(dòng)汽車二級(jí)壓縮噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 二級(jí)壓縮噴射熱泵系統(tǒng)

渦旋式壓縮機(jī)具有力矩變化小、振動(dòng)小和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，多應(yīng)用于小型家用空調(diào)系統(tǒng)。因此所設(shè)計(jì)的二級(jí)壓縮噴射器熱泵系統(tǒng)中的二級(jí)壓縮機(jī)是在原電動(dòng)汽車電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。渦旋壓縮機(jī)動(dòng)靜渦旋盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，渦旋壓縮機(jī)的噴射二級(jí)壓縮補(bǔ)氣區(qū)設(shè)計(jì)涉及更多內(nèi)容，其具體補(bǔ)氣開發(fā)區(qū)如圖1所示。渦旋壓縮機(jī)二次增加補(bǔ)氣的開始與結(jié)束是隨渦旋盤的旋轉(zhuǎn)自動(dòng)打開或關(guān)閉。相關(guān)研究表明，熱泵系統(tǒng)制熱量和功耗隨著噴射器溫度(壓力)增大而增大，通過調(diào)試，可在某一中間開度(溫度壓力)獲得最佳的制熱量和能效比(COP)[12-13]。

較早的純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要通過四通閥附屬設(shè)備改變制冷劑的流向，實(shí)現(xiàn)冬季制熱、夏季制冷的功能，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。但此類熱泵系統(tǒng)效率低，能耗高，嚴(yán)重影響冬季電動(dòng)車的續(xù)航里程。本文中提出的新型電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)如圖3所示，通過引入噴射器和二次壓縮技術(shù)的熱泵系統(tǒng)，改變壓縮機(jī)里冷媒工質(zhì)的壓力流速，增加壓縮機(jī)出口冷媒的排氣量和壓力，提高壓縮機(jī)的排氣溫度，提高熱泵系統(tǒng)效率[14-15]。二級(jí)壓縮噴射熱泵系統(tǒng)的壓焓圖及其與常規(guī)電動(dòng)熱泵系統(tǒng)壓焓比較如圖4所示。圖中，常規(guī)熱泵系統(tǒng)流程為a-b-c’-c-d-e；二級(jí)壓縮噴射熱泵系統(tǒng)流程為a-5’-2’-3-4’-4-7-7’。由圖中3-7段與b-d段兩段直線長度(焓差)比較，可以明顯看出二級(jí)壓縮的熱泵系統(tǒng)制熱量增加約20%～30%。

1.2 二級(jí)壓縮噴射熱泵系統(tǒng)性能分析

根據(jù)二級(jí)壓縮噴射熱泵系統(tǒng)工作原理可知其如下性能。

(1) 1-2壓縮過程

W1-2=(h2id’-h1)/η2

(1)

h2=h1+W1-2

(2)

(2) 2-3二次壓縮過程

W2’-3=(h3id’-h2’)/η3

(3)

h3=h2’+W2’-3

(4)

式中：W1-2為壓縮機(jī)噴射壓縮過程1-2做的功，kJ；h2id’為壓縮機(jī)中入口狀態(tài)1點(diǎn)等熵壓縮至狀態(tài)2對(duì)應(yīng)焓值，kJ/kg；h3id為壓縮機(jī)中入口狀態(tài)1點(diǎn)等熵壓縮至狀態(tài)2對(duì)應(yīng)焓值，kJ/kg；h1,h2和h3分別為對(duì)應(yīng)狀態(tài)點(diǎn)的制冷劑焓值，kJ/kg；η2和η3分別為噴射過程偏離等熵壓縮過程效率。

(3) 熱泵系統(tǒng)制熱量

Qk=mk(h3-h4)

(5)

(4) 壓縮功

W=W1-2+W2-2’+W2’-3

(6)

(5) 制熱性能系數(shù)(能效比)

COP=Qk/Pk

(7)

式中：Qk為熱泵系統(tǒng)制熱量；mk為熱交換介質(zhì)質(zhì)量；h4為狀態(tài)4點(diǎn)的焓值，kJ/kg；Pk為制熱消耗的電功率。

根據(jù)式(1)～式(7)理論計(jì)算，二級(jí)壓縮噴射熱泵系統(tǒng)與常規(guī)熱泵系統(tǒng)和目前普遍采用的PTC加熱系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析如下。

(1) 與常規(guī)熱泵系統(tǒng)比較，當(dāng)環(huán)境溫度0℃(蒸發(fā)溫度-9℃)時(shí)，二級(jí)壓縮噴射熱泵系統(tǒng)的制熱量可提高25%，能效比COP提高15%。

(2) 與PTC加熱系統(tǒng)比較，因?yàn)镻TC系統(tǒng)因環(huán)境不同而系統(tǒng)效率差異明顯，按照兩種情況對(duì)比如下：在環(huán)境溫度-2～7℃下，假設(shè)PTC的效率為97%，在給車內(nèi)供暖3.8kW時(shí)，其能耗如表1所示；在環(huán)境溫度-8～-2℃下，假設(shè)PTC的效率為97%，在給車內(nèi)供暖3.29kW時(shí)，其能耗如表2所示。

表1 環(huán)境溫度-2～7℃下能耗比較表

表2 環(huán)境溫度-8～-2℃下能耗比較表

2 純電動(dòng)汽車二級(jí)壓縮噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置和測試條件

在理論分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上研制了電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)物樣機(jī)，并將其搭載在某純電動(dòng)汽車上進(jìn)行性能試驗(yàn)?？照{(diào)試驗(yàn)室按照國際標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，低溫試驗(yàn)室可以完成-20℃低溫除霜試驗(yàn)，高溫試驗(yàn)室可以完成45℃以內(nèi)的高溫試驗(yàn)。試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理均依據(jù)中國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 656—2000汽車空調(diào)制冷裝置性能要求和QC/T 657—2000汽車空調(diào)制冷裝置試驗(yàn)方法。測試儀表符合QC/T 657—2000的規(guī)定。試驗(yàn)環(huán)境條件：環(huán)境溫度-8±0.5℃和0±0.5℃。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

-8℃環(huán)境下PTC采暖溫度曲線和噴射熱泵采暖溫度曲線分別如圖5和圖6所示。圖5中,-8℃低溫環(huán)境下，PTC采暖運(yùn)行約20min，空調(diào)采暖出風(fēng)口溫度穩(wěn)定在42～43℃，PTC額定功率為3.9kW；圖6中，噴射熱泵系統(tǒng)運(yùn)行約27min，空調(diào)采暖出風(fēng)口平均溫度穩(wěn)定在36～38℃，駕駛員(副駕駛員)座頭部平均溫度20℃，熱泵壓縮機(jī)耗功1.3kW。由圖5和圖6可以看出，熱泵采暖升溫速率較慢(壓縮機(jī)由低速自動(dòng)變速到高速過程)、穩(wěn)定后出風(fēng)口平均溫度比PTC制熱低4～5℃，折算采暖量少0.5kW，而消耗功率少2.1kW。根據(jù)式(1)得出噴射熱泵能效比約為2.46。

0℃環(huán)境下PTC采暖溫度曲線、噴射熱泵采暖溫度曲線和常規(guī)熱泵采暖曲線圖分別如圖7～圖9所示。圖7中，0℃低溫環(huán)境下，PTC(功率3.9kW)采暖約20min，出風(fēng)口平均溫度穩(wěn)定在45℃；圖8中，噴射熱泵系統(tǒng)正常運(yùn)行約25min，空調(diào)采暖出風(fēng)口平均溫度穩(wěn)定在42℃，駕駛員(副駕駛員)座頭部平均溫度是22℃；熱泵壓縮機(jī)耗功1.14kW；由圖7和圖8可以看出，噴射熱泵采暖升溫速率較慢(壓縮機(jī)由低速自動(dòng)變速到高速)穩(wěn)定后出風(fēng)口平均溫度比PTC制熱低3℃，折算采暖量少0.3kW，消耗功率少2.75kW。根據(jù)式(1),噴射熱泵能效比約為3.15。

由圖9中可以看出，0℃低溫環(huán)境下，常規(guī)熱泵系統(tǒng)工作20min后，空調(diào)采暖出風(fēng)口平均溫度穩(wěn)定在33℃，噴射熱泵溫度比常規(guī)熱泵采暖出風(fēng)溫度高9℃左右，且升溫速率相對(duì)較快，熱量相對(duì)提高約25%。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，冬季(-10～10℃)搭載噴射熱泵系統(tǒng)比現(xiàn)有電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)(PTC采暖)的整車節(jié)能15%以上，提高續(xù)航里程15km以上，但采暖溫升稍慢，穩(wěn)定溫度略低。

3 結(jié)論

純電動(dòng)汽車是國家新能源汽車產(chǎn)業(yè)化重要的發(fā)展戰(zhàn)略，其續(xù)航里程一直是關(guān)鍵制約因素之一。因此，本文中所提出的新型熱泵空調(diào)系統(tǒng)對(duì)于提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程，加快電動(dòng)汽車的發(fā)展具有重要意義。

通過比較采用不同制冷劑和壓縮機(jī)的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，提出基于二級(jí)壓縮噴射熱泵的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在此基礎(chǔ)上，研制了電動(dòng)汽車二級(jí)壓縮噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)物并進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，與電動(dòng)汽車現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)(PTC采暖)相比，新型熱泵空調(diào)系統(tǒng)能夠節(jié)能15%以上，但采暖效果稍有遜色。

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2015247

Design and Experimental Study of Novel Heat PumpAir Conditioning System for Electric Vehicles

Peng Qingfeng1,2, Zhao Han1, Chen Xiangji3, Fang Yunzhou2& Zhao Jiawei2

1.SchoolofMachineryandAutomobileEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Heifei230009；2.CheryNewEnergyAutomotiveTechnologyCo.,Ltd.,Wuhu241002; 3.NanjingAotecarRefrigeratingCo.,Ltd.,Nanjing210022

The performance of air conditioning system has an important effect on the driving range of electric vehicle (EV). Based on a comparative analysis on the heat pump air conditioner (HPAC) with different refrigerants and compressors for EV, a novel HPAC system with two-stage compression injection heat pump for EV is designed, manufactured and tested on real vehicle with comparison to its counterpart with PTC heating mode. The results show that compared with PTC heating system, the novel HPAC system consumes over 15% less energy with a vehicle driving range extends by more than 15km.

electric vehicle; heat pump air conditioner; two-stage compression; real vehicle test

*國家863計(jì)劃電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)集成重大項(xiàng)目(2011AA11A220；2011AA11A216)資助。

原稿收到日期為2014年5月5日，修改稿收到日期為2014年8月20日。