新能源車前端蒸發(fā)器結(jié)霜保護特性實驗研究

徐蘊婕，張 馳，錢 銳

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

前言

隨著近幾年電動汽車的快速發(fā)展和電氣化程度的快速上升，更為復(fù)雜高效的整車熱管理系統(tǒng)成為各企業(yè)及研究機構(gòu)的重要研發(fā)方向。車用熱泵技術(shù)發(fā)展迅速。

對于各種形式的車用熱泵系統(tǒng)，前端蒸發(fā)器結(jié)霜是不可避免技術(shù)問題。目前已有研究中，包佳倩等[1]觀察了霜層的凝結(jié)過程，研究了結(jié)霜對制熱量的影響。瞿曉華等[2]研究了12 ℃環(huán)境溫度下，電動汽車外部蒸發(fā)器結(jié)霜對熱泵系統(tǒng)性能的影響，并提出了有效化霜策略，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。潘樂燕等[3]比較了不同閥口直徑的電子膨脹閥對化霜時間的影響。梁志豪等[4]引入全局攝像頭，判斷結(jié)霜程度，提出了一種除霜策略。

在已有的研究中，多使用固定的壓縮機轉(zhuǎn)速。在實際電動壓縮機控制中，存在壓縮機低壓保護策略，即當系統(tǒng)低壓過低時，壓縮機會降低轉(zhuǎn)速以做保護。針對這一問題，搭建了新能源車前端蒸發(fā)器測試臺架，搭載實際電動壓縮機控制保護策略，研究了前端蒸發(fā)器正常結(jié)霜和結(jié)霜保護時的系統(tǒng)響應(yīng)，以此對新能源系統(tǒng)中的結(jié)霜策略提出指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)及測試臺架

對新能源系統(tǒng)前端蒸發(fā)器結(jié)霜新能研究中，圖1為測試臺架及測試系統(tǒng)示意圖。其中省略了制冷相關(guān)的管路，只研究相關(guān)制熱模式。制冷劑通過電動壓縮機壓縮后流經(jīng)車內(nèi)冷凝器，后流經(jīng)電子膨脹閥（EXV），再流過車外蒸發(fā)器，回到電動壓縮機。其中車內(nèi)冷凝器位于空調(diào)箱內(nèi)，空調(diào)箱內(nèi)還包括溫度風門和蒸發(fā)器等其他部件?？照{(diào)箱連接于冷凝風道。車外蒸發(fā)器連接于蒸發(fā)器風道。管路及風道上布有溫度和壓力傳感器，如圖中所示，所有溫度和壓力傳感器均連接于dSpace控制器中。dSpace編寫有壓縮機低壓保護控制邏輯，驅(qū)動電動壓縮機，溫度風門和電子膨脹閥（EXV）開度。

圖1 實驗臺架示意圖

系統(tǒng)實驗在焓差臺上進行。臺架為測試系統(tǒng)提供兩個環(huán)境艙，分別為冷凝器室和蒸發(fā)器室。臺架提供兩個風道，分別為冷凝器風道，蒸發(fā)器風道。每個風道都有獨立的溫濕度控制系統(tǒng)，可以提供特定的風量，溫度和濕度，其控制范圍和精度如表1所示。臺架提供制冷劑流量計，其測量范圍為0～2 180 kg/h，精度為±0.10%。

表1 實驗臺架控制范圍和精度

2 實驗與工況

表2為測試工況，其中包括了不同的影響結(jié)霜的因子，包括前端蒸發(fā)器風量，車外溫度和系統(tǒng)負荷。其中系統(tǒng)負荷通過壓縮機初始轉(zhuǎn)速表征。

表2 結(jié)霜測試工況

系統(tǒng)實驗時，壓縮機轉(zhuǎn)速先設(shè)置至壓縮機初始轉(zhuǎn)速。實驗中，由于蒸發(fā)器結(jié)霜，低壓會逐漸下降，當?shù)蛪合陆档浇^壓105 kPa以下時，算法會進行低壓保護，通過降低壓縮機轉(zhuǎn)速，PID調(diào)節(jié)低壓保持在105 kPa。105 kPa為標定設(shè)置，主要考慮的是系統(tǒng)出現(xiàn)負壓，即絕壓小于100 kPa時，會出現(xiàn)倒吸空氣的風險。

3 結(jié)果與分析

3.1 工況對結(jié)霜速度的影響

圖2為各工況下實驗開始后10分鐘、30分鐘及60分鐘的結(jié)霜實際狀態(tài)。分析可以發(fā)現(xiàn)，壓縮機轉(zhuǎn)速越高，結(jié)霜越迅速。這是由于壓縮機轉(zhuǎn)速增加時，系統(tǒng)低壓下降，前端蒸發(fā)器翅片表面溫度降低。風量越小，結(jié)霜越迅速。這是由于：一方面，風量減小導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱能力下降，低壓隨之下降，蒸發(fā)器翅片表面溫度下降；另一方面，風量減小導(dǎo)致蒸發(fā)器排水性能下降，更容易產(chǎn)生結(jié)霜。環(huán)境溫度0 ℃比環(huán)境溫度?5 ℃時結(jié)霜更快。初始情況下，0 ℃工況的低壓飽和溫度為?14.1 ℃，?5 ℃工況的低壓飽和溫度為?17.9 ℃。因此，環(huán)境溫度從0 ℃降低到?5 ℃時，雖然低壓降低了，但是兩者的前蒸發(fā)器換熱溫差變化不大。另一方面，0 ℃環(huán)境時空氣中的含水量更大，此時，后一因素占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖2 結(jié)霜對低壓和轉(zhuǎn)速的影響

3.2 壓縮機結(jié)霜保護對系統(tǒng)的影響

3.2.1 結(jié)霜對低壓和轉(zhuǎn)速的影響

圖3為系統(tǒng)運行過程中的低壓和壓縮機轉(zhuǎn)速變化。分析可以發(fā)現(xiàn)，在各個工況下，隨著結(jié)霜厚度增加，系統(tǒng)低壓下降。當系統(tǒng)低壓下降到105 kPa時，系統(tǒng)進入低壓保護狀態(tài)，壓縮機轉(zhuǎn)速下降。算法通過壓縮機轉(zhuǎn)速PID控制保證低壓維持在105 kPa。

圖3 結(jié)霜對低壓和轉(zhuǎn)速的影響

分析可以發(fā)現(xiàn)，工況1在測試時間內(nèi)沒有進入低壓保護狀態(tài)。這是由于工況1壓縮機初始轉(zhuǎn)速較低，系統(tǒng)低壓較高。工況2進入保護狀態(tài)的時間為40分鐘，工況3為25分鐘，工況4為55分鐘，工況5為40分鐘。

3.2.2 進入保護狀態(tài)前結(jié)霜對系統(tǒng)的影響

圖4是系統(tǒng)出風溫度和系統(tǒng)制熱量在進入結(jié)霜保護前的變化。可以發(fā)現(xiàn)，出風溫度和制熱量隨著結(jié)霜加厚而降低。主要是由于系統(tǒng)高壓隨著低壓的下降而下降。其中工況5的變化最為明顯，其出風溫度從56 ℃降到48 ℃，制熱量從6 141 w降低至4916 w，降幅為20%。

圖4 保護狀態(tài)前結(jié)霜對乘客艙舒適性的影響

圖5是系統(tǒng)COP在進入結(jié)霜保護前的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)COP在進入保護前，處于下降趨勢，但下降并不明顯。這主要由于，一方面如上節(jié)所述的制熱量下降會導(dǎo)致COP下降；另一方面，由于低壓下降，壓縮機轉(zhuǎn)速不變，壓縮機耗功降低，此有利于提升COP。

圖5 保護狀態(tài)前結(jié)霜對COP的影響

3.2.3 進入保護狀態(tài)后結(jié)霜對系統(tǒng)的影響

圖6是系統(tǒng)出風溫度和系統(tǒng)制熱量在進入結(jié)霜保護后的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，此時出風溫度和系統(tǒng)制熱量的變化方向與保護前一致。此時，系統(tǒng)低壓受到保護，保持不變。而壓縮機轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致系統(tǒng)高壓下降，系統(tǒng)換熱能力變差。其中工況5的變化最為明顯，其出風溫度從48 ℃降到32 ℃，制熱量從4 916 w降低至3 153 w。在整個結(jié)霜工況下制熱量損失達到了48.7%。這一制熱能力的損失對乘客艙舒適性而言是難以接受的，因此系統(tǒng)必須通過其他方式補全損失的制熱能力。一般考慮進行過程中的化霜以保證制熱量，或者通過電加熱以補充制熱量。

圖6 保護狀態(tài)后結(jié)霜對乘客艙舒適性的影響

圖7是系統(tǒng)COP在進入結(jié)霜保護后的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)COP在進入保護后，系統(tǒng)的COP扭轉(zhuǎn)為上升趨勢。這主要由于，隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的降低，壓縮機效率提升，耗功快速下降。其影響程度大于制熱量減少的影響。系統(tǒng)運行在更高效的高低壓區(qū)間。

圖7 保護狀態(tài)前結(jié)霜對COP的影響

如上節(jié)分析中結(jié)論，損失的制熱量需要補足。研究考慮通過PTC電加熱補足制熱能力損失的方案，一般認為PTC效率為95%。圖8表示工況5各時間點在使用PTC補全制熱量的情況下，制熱量與總耗電的比值，即系統(tǒng)的總效率。總耗電量包括PTC耗電量和壓縮機耗電量?？梢园l(fā)現(xiàn)系統(tǒng)總效率逐漸下降。這是由于COP大于1的壓縮機制熱逐步被效率小于1的PTC加熱替代。同時可以發(fā)現(xiàn)，第60分鐘系統(tǒng)總效率為1.4，與初始總效率2.2相比降低0.8，依舊有節(jié)能效果。PTC補全制熱能力方法的優(yōu)點在于乘客艙制熱始終得到保障。因此，對于可以使用PTC加熱的系統(tǒng)，推薦使用PTC補全由結(jié)霜帶來的制熱能力損失，同時在行車結(jié)束后再進行化霜。

圖8 PTC補全功率和系統(tǒng)總效率

4 總結(jié)

針對新能源車前端蒸發(fā)器結(jié)霜的問題，研究搭建了結(jié)霜實驗臺架，考慮壓縮機對系統(tǒng)的低壓保護，對系統(tǒng)在不同工況下進行結(jié)霜測試，得到如下結(jié)論：

（1）壓縮機轉(zhuǎn)速越高，前端風量越小，結(jié)霜越迅速。環(huán)境溫度0 ℃比環(huán)境溫度?5 ℃時結(jié)霜更快。

（2）系統(tǒng)出風溫度和系統(tǒng)制熱量在進入結(jié)霜保護前后均持續(xù)下降。制熱量最大損失達到了48.7%。因此系統(tǒng)必須通過其他方式補全損失的制熱能力。

（3）系統(tǒng)COP在進入結(jié)霜保護前下降。在進入結(jié)霜保護后壓縮機轉(zhuǎn)速降低，COP上升。通過PTC補足結(jié)霜制熱能力損失時，系統(tǒng)總效率從2.2降低至1.4，整個過程中，乘客艙舒適性不受到影響。對于可以使用PTC加熱的系統(tǒng)，推薦使用PTC補全由結(jié)霜帶來的制熱能力損失，同時在行車結(jié)束后再進行化霜。