電動汽車熱泵系統(tǒng)車外換熱器結(jié)霜除霜研究現(xiàn)狀

潘軍剛

（中國石油大學(xué)（華東）青島 266555）

0 引言

近年來，電動汽車的產(chǎn)量和普及率激增。作為利用新型動力的汽車，電動汽車克服了傳統(tǒng)燃油汽車依賴化石燃料，排放、噪聲大的缺陷[1]，達(dá)到了小噪聲，車體零排放，能夠多元化利用能源，是未來汽車的發(fā)展趨勢。與燃油汽車相同，電動汽車的制冷制熱設(shè)備在營造舒適的車內(nèi)環(huán)境中起到了關(guān)鍵作用[2]。燃油汽車夏季通常采用空調(diào)裝置制冷，而冬季則直接采用發(fā)動機(jī)余熱直接為車內(nèi)供熱。電動汽車由電動機(jī)直接驅(qū)動，其廢熱量少，品位也很低[3]，不足以用于車內(nèi)供熱。因具有高效率、供熱均勻舒適的優(yōu)點，目前電動汽車廣泛采用空氣源熱泵系統(tǒng)[4,5]。

電動汽車熱泵系統(tǒng)車外換熱器在制冷時作為冷凝器，在制熱時作為蒸發(fā)器，是系統(tǒng)能否正常運行的關(guān)鍵部件[3]。在高濕低溫環(huán)境下，車外換熱器極易凝露、結(jié)霜，從而發(fā)生堵塞，阻止空氣流動，降低換熱效率。電動汽車車外換熱器廣泛采用微通道換熱器，微通道換熱器由美國學(xué)者Tuekerman最早提出[6]，相對于傳統(tǒng)的翅片散熱器，具有體積小、重量輕、換熱效率高、制冷劑充注少的特點[7]。然而，緊湊的通道布置和小翅片間距比傳統(tǒng)翅片散熱器更容易結(jié)霜，堵塞現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

實驗表明，當(dāng)車外風(fēng)機(jī)功率恒定時，微通道換熱器結(jié)霜后通風(fēng)量從1500m3/h 衰減到950m3/h，制冷劑流量由1.5kg/min 衰減至0.4kg/min，制熱量從2300W 降低至1500W，下降了34.7%[8]。因此，電動汽車熱泵換熱器抑霜、除霜成為了熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，國內(nèi)外針對換熱器結(jié)霜、化霜的研究較多，主要集中在機(jī)理詮釋、建模分析、結(jié)霜改善及化霜控制優(yōu)化等方面[9-12]，專門針對電動汽車熱泵系統(tǒng)車外換熱器結(jié)霜除霜的最新研究性總結(jié)較少。因此，本文首先總結(jié)了環(huán)境因素對電動汽車車外換熱器結(jié)霜的影響，然后從結(jié)構(gòu)和界面優(yōu)化兩方面綜述了抑霜研究，最后介紹了兩類經(jīng)典除霜方法的最新研究和除霜控制方法。

1 環(huán)境因素對結(jié)霜的影響

1.1 環(huán)境溫度的影響

車外環(huán)境溫度是電動汽車室外換熱器結(jié)霜的決定性因素。巫江虹等[13]對比研究了管翅式換熱器和微通道換熱器在電動汽車熱泵系統(tǒng)中的結(jié)霜差異，發(fā)現(xiàn)室外溫度低于7℃時，微通道換熱器結(jié)霜嚴(yán)重。盛偉等[14]對比了微通道換熱器用作蒸發(fā)器時在三種不同的工況下的適用性：在換熱器表面溫度低于露點溫度但高于0℃的凝露工況下，換熱器壓損和換熱量變化較小，適用性較好；換熱器表面溫度低于露點溫度且低于0℃的凝露結(jié)霜工況，需要化霜后方可使用；換熱器表面溫度、濕空氣溫度均低于0℃的凝華結(jié)霜工況，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及條件下會發(fā)生嚴(yán)重霜堵而不能使用。

李海軍等[2]研究了室外溫度小于等于0℃時，不同溫度對換熱器結(jié)霜后性能的影響，如圖1所示。可知，不同室外溫度下結(jié)霜規(guī)律相似，即運行30min 后，由于結(jié)霜霜層逐漸增厚，形成正反饋使結(jié)霜速度進(jìn)一步加快，霜層進(jìn)一步增厚，90min 左右結(jié)霜完全。當(dāng)車外溫度較高時，完全結(jié)霜后的制熱量較高，但制熱量減幅也更大，而車外溫度較低時，系統(tǒng)制熱量本身較低，制熱量減幅較小。

圖1 車外環(huán)境溫度對系統(tǒng)制熱量的影響[2]Fig.1 Influence of external environment temperature on the system heating capacity[2]

1.2 空氣濕度的影響

空氣溫度低于冰點時，濕度也是影響車外換熱器結(jié)霜的重要因素，李海軍等[2]研究了相對濕度分別為70%、80%、90%的高濕環(huán)境下對熱泵系統(tǒng)性能的影響。如圖2所示，可見相對濕度越高，結(jié)霜速度越快，但隨著運行時間增加，結(jié)霜后的系統(tǒng)制熱量趨于一致。

圖2 車外相對濕度對系統(tǒng)制熱量的影響[2]Fig.2 Influence of relative humidity outside the vehicle on the system heating capacity[2]

此外，進(jìn)風(fēng)速度對結(jié)霜量也有較大影響。如圖3所示，當(dāng)溫濕度條件一定時，在實驗的風(fēng)速工況范圍內(nèi)，風(fēng)速越高，結(jié)霜速度越快。這是由于風(fēng)速越大，濕空氣的流量越大，單位時間內(nèi)可轉(zhuǎn)化為霜的水蒸氣總量增多。同時，朱建民等[15]通過對比實驗，認(rèn)為相對濕度的影響最大，溫度的影響次之，風(fēng)速的影響最小。

圖3 不同風(fēng)速下結(jié)霜量的變化[15]Fig.3 Variation of frosting mass under different wind velocities[15]

2 換熱器抑霜設(shè)計研究

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

抑霜設(shè)計主要通過改變換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)及表面界面性質(zhì)，降低結(jié)霜速度，減少結(jié)霜量。包佳倩等[16]分析了在四流程換熱器霜層生長的特點：不同流程氣液態(tài)制冷劑的比例不同且受到重力影響，第一流程霜層均勻分布，而二三四流程則是非均勻分布，表面霜層增長與表面溫度下降存在聯(lián)動關(guān)系。目前缺乏針對該現(xiàn)象進(jìn)行抑霜優(yōu)化的研究，但劉雨聲等[17]在改善電動汽車換熱器進(jìn)風(fēng)條件的研究中，將四流程改進(jìn)為六流程（見圖4（a）和圖4（b）），進(jìn)風(fēng)更加均勻，該研究為換熱器抑霜提供了思路。結(jié)合上述兩項研究可以預(yù)見，在換熱器抑霜設(shè)計中，改進(jìn)制冷劑側(cè)流程具有一定潛力。

圖4 換熱器流程改進(jìn)[17]Fig.4 Flow path improvement of heat exchanger[17]

熱泵系統(tǒng)的室外換熱器，在空間上有水平和豎直兩種布置方式，傳統(tǒng)燃油汽車熱泵系統(tǒng)多采用帶有儲液器功能的水平布置方式，而電動汽車微通道換熱器多采用有助于排水的豎直布置方式，如圖5（a）和圖5（b）所示。

圖5 微通道換熱器布置方式[3]Fig.5 Layout of microchannel heat exchanger[3]

董軍啟等[3]研究了蒸發(fā)器工況下，水平與豎直布置方式在高寒、高濕、寒濕工況下的制熱量和出風(fēng)溫度變化情況，如圖6（a）和圖6（b）所示。結(jié)霜工況下，橫排結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)于豎排結(jié)構(gòu)，主要因為豎排布置會導(dǎo)致制冷劑分配不均勻，局部位置結(jié)霜嚴(yán)重，而化霜時會不徹底。由此可見，豎排布置換熱器雖然有利于化霜水排泄，但并不利于抑霜。

圖6 在2℃/1℃工況下不同布置方式的換熱量及出風(fēng)溫度Fig.6 Heat transfer and outlet air temperature of different layout under 2℃/1℃condition

2.2 表面處理

換熱器表面涂覆親疏水涂層或其他涂層材料抑制結(jié)霜是研究熱點[18]。Liu zhonglang 等[19]探究了涂覆抑霜涂料對霜層厚度的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)涂層處理后，換熱器霜層厚度明顯低于未處理樣品，如圖7所示。Wang zuojia 等[20]將疏水材料涂覆在鋁制換熱器表面，疏水表面能夠使霜以低密度的形式堆積，有助于除霜，實驗中疏水表面結(jié)霜延遲了近60min，如圖8所示。

圖7 未經(jīng)涂層處理表面和涂層涂覆表面結(jié)霜厚度對比[19]Fig.7 Comparison of frosting thickness between uncoated and coated surfaces[19]

圖8 光滑鋁制表面和疏水表面霜層厚度對比[20]Fig.8 Comparison of frost thickness between smooth aluminum surface and hydrophobic surface[20]

同時，K Boyina 等[21]研究了一種超疏水換熱器，該換熱器能夠大幅減少結(jié)霜量，并使熱導(dǎo)率保持在最大值的50%以上，并能減少除霜所需時間和能量。路偉鵬等[22]首次提出了“翅片表面蒸干率”的概念，并通過實驗發(fā)現(xiàn)普通鋁箔表面初始蒸干率可達(dá)90%，而親水鋁箔僅為50%，但是親水鋁箔完全蒸干殘留水的耗時僅7min，僅占普通鋁箔表面完全蒸干殘留水的25%。

表面處理進(jìn)行能夠減少結(jié)霜量和結(jié)霜速度，但是表面處理成本高，工藝復(fù)雜，難以普及，因此降低成本和簡化工藝是該類技術(shù)能否被應(yīng)用的關(guān)鍵點。考慮到電動汽車換熱器的長時間運行，表面處理不能根本性解決結(jié)霜問題，仍需依靠除霜設(shè)備和系統(tǒng)，但是表面處理在延長除霜周期，降低除霜能耗方面有積極作用。

2.3 其他研究

Y Hu 等[23]研究了污垢對傳熱及結(jié)霜的影響，發(fā)現(xiàn)結(jié)垢嚴(yán)重時會降低傳熱速率進(jìn)而減少結(jié)霜，如圖9所示。但進(jìn)一步歸一化研究后，結(jié)垢與霜層增長是正相關(guān)的關(guān)系。因此，在換熱器運行時，保證表面潔凈度，減少結(jié)垢，也有助于防止結(jié)霜。

圖9 不同污垢等級下的霜層積累[23]Fig.9 Frost accumulation under different fouling levels[23]

Liu xiaoqin 等[24]采用多孔翅片來提高管翅式換熱器在結(jié)霜工況下的性能，盡管多孔翅片結(jié)霜量稍大于普通換熱器，但換熱量和換熱系數(shù)分別提高了38.9%和31.8%，且隨著時間推移越來越明顯，如圖10所示。目前尚無采用多孔結(jié)垢的微通道換熱器抑霜研究。

圖10 多孔翅片和普通翅片下的換熱量對比[24]Fig.10 Comparison of heat transfer between porous fin and conventional fin[24]

3 電動汽車熱泵除霜技術(shù)

熱泵系統(tǒng)常見的除霜方式有人工除霜、水沖霜、壓縮空氣除霜、電熱除霜和熱氣融霜等[25]，對于電動汽車，熱氣融霜因為不需要輔助設(shè)備、能源利用率高而受到重視。因此，本文主要介紹熱氣融霜技術(shù)，熱氣融霜有兩種形式，熱氣旁通法和逆循環(huán)法。

3.1 熱氣旁通法

熱氣旁通法指將壓縮機(jī)的高壓高溫排氣直接引入換熱器中，使霜融化，具有旁通管路短，阻力小，除霜時車內(nèi)溫度波動小等優(yōu)點，但是除霜速度較慢，除霜時間長，次數(shù)較多。

武衛(wèi)東等[26]測試了四種除霜模式的除霜時間及能耗，如表1所示，其中高壓熱氣旁通除霜性能最為理想。

表1 四種除霜模式及性能參數(shù)[26]Table 1 Four defrosting modes and performance parameters[26]

黃朝宗等[27]系統(tǒng)性研究了熱氣旁通法，得到了所研究熱泵系統(tǒng)的旁通閥最佳開度以及最佳除霜周期。最佳除霜周期以基本除霜完全為基準(zhǔn)，而換熱量較小的邊角處殘留的霜可以忽略。

此外，劉磊等[4]介紹了制冷劑過冷除霜的方法，這種方法類似于熱氣旁通法，是利用剛從冷凝器出來的制冷劑液體通往蒸發(fā)器進(jìn)行除霜，該法特點與熱氣旁通法類似，不影響制熱，但是需要長時間運行，適用于微霜情況下將霜除盡，防止霜的進(jìn)一步生成。王驛凱等[28]通過實驗發(fā)現(xiàn)，熱氣旁通除霜方法可以提高蒸發(fā)器進(jìn)口溫度至30℃左右，除霜效率達(dá)46.5%，相較其他熱氣旁通方法除霜時間縮短100s，熱氣旁通除霜方法更適用于空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)。

3.2 逆循環(huán)法

逆循環(huán)法指通過四通換向閥的切換，車外換熱器由蒸發(fā)器變?yōu)槔淠?，使壓縮機(jī)排氣進(jìn)入車外換熱器進(jìn)行除霜。逆循環(huán)法除霜優(yōu)點在于除霜速度快，能耗較小，缺點在于除霜時制熱停止，對車內(nèi)溫度影響較大。Qu Minglu 等[29]指出了逆循環(huán)降低系統(tǒng)循環(huán)效率的機(jī)理；Steiner 等[30,31]研究了以CO2為工質(zhì)的逆循環(huán)除霜系統(tǒng)，并對除霜過程中的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了不同節(jié)流閥開度等對除霜過程的影響，并建立了CO2工質(zhì)逆循環(huán)除霜模型，基于模型研究了除霜的最佳時間點和持續(xù)時間。Zhou guanghui 等[32]提出了基于逆循環(huán)除霜的聯(lián)合除霜技術(shù)，如圖11所示，該技術(shù)核心在于提升除霜時氣流的溫度和焓，通過控制外部風(fēng)速、控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、提升車內(nèi)溫度等方法達(dá)到快速除霜，減少逆循環(huán)除霜時對車內(nèi)溫度的影響。

圖11 外部風(fēng)扇頻率與除霜時間和冷凝溫度的關(guān)系[32]Fig.11 Relationship between frequency of external fan and defrosting time and condensation temperature[32]

潘樂燕等[33]搭建了實車車外換熱器結(jié)霜化霜平臺，認(rèn)為換熱器結(jié)霜程度可間接通過吸氣溫度或吸氣壓力相對無霜狀態(tài)的變化來表征，大口徑電子膨脹閥結(jié)合智能控制可達(dá)到有效除霜。孫西峰等[34]搭建了采用逆循環(huán)化霜的跨臨界CO2電動汽車空調(diào)實驗平臺，通過化霜時間記錄和霜層實時拍攝研究了連續(xù)結(jié)霜-化霜實驗，結(jié)果表明連續(xù)運行結(jié)霜150min 后，制熱量分別下降22.6%和15.6%，第二次結(jié)霜時間僅為第一次結(jié)霜時間的28.5%，逆循環(huán)除霜效果明顯。

3.3 除霜系統(tǒng)控制

在除霜的系統(tǒng)控制方面，Tang jinchen 等[35]研發(fā)了一種基于新的熱力學(xué)模型的自適應(yīng)控制算法，兼容包括R22、R134a 在內(nèi)的六種主流制冷劑，可精確預(yù)測霜凍積累量。J Iragorry 等[36]利用紅外測溫儀測定換熱器表面溫度，從而判斷結(jié)霜的發(fā)生和除霜的終止。梁志豪等[1]將結(jié)霜速率的變化作為系統(tǒng)結(jié)霜情況的判斷點，當(dāng)結(jié)霜速率驟降同時全局結(jié)霜區(qū)域占比達(dá)到30%時，系統(tǒng)將進(jìn)入除霜模式。

俞彬彬[37]等認(rèn)為基于蒸發(fā)溫度的除霜判定方法可有效控制蒸發(fā)器的結(jié)霜范圍，在不同工況下對最佳除霜時刻的預(yù)測值誤差在15%以內(nèi)，比采用蒸發(fā)器表面最低溫度進(jìn)行判定的方法優(yōu)越。蔡操平等[38]認(rèn)為蒸發(fā)溫度控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)是造成汽車熱泵怠速狀態(tài)下出現(xiàn)頻繁啟?；闹饕?，對蒸發(fā)溫度傳感器位置和控制范圍進(jìn)行優(yōu)化后，可有效解決頻繁化霜的問題。張駿等[39]提出了利用最大平均制熱量法快速確定除霜起始點的方法，可將1.5匹熱泵空調(diào)器的平均制熱量提高到3213W，且能效提高了6%。為了抑制結(jié)霜和提高除霜效果，胡斌等[40]創(chuàng)新地提出了防結(jié)冰、大流量、防積雪技術(shù)與智能化除霜控制策略，除霜時間可縮短20%～50%。以上研究都為除霜的系統(tǒng)化和智能化探明了道路。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)介紹了電動汽車結(jié)霜的環(huán)境因素，抑霜方法以及除霜方法的最新研究：

關(guān)于結(jié)霜環(huán)境因素的討論，有助于結(jié)合電動汽車具體運行工況，對結(jié)霜環(huán)境下工作能力分別進(jìn)行研究，由于電動汽車的運動特性，工況時刻發(fā)生變化，理想的除霜系統(tǒng)需要正對不同工況進(jìn)行優(yōu)化，目前來看針對寒濕、高寒、高濕等不同工況，有待單獨進(jìn)行研究。

關(guān)于抑霜技術(shù)的討論，研究最多的領(lǐng)域是表面涂層技術(shù)，但由于成本工藝限制應(yīng)用很少，難以投入實際應(yīng)用，因此該方面是該技術(shù)突破的重點。而關(guān)于換熱器外型和流程的設(shè)計較少，但從本文的分析中看出存在一定的潛力。抑霜技術(shù)無法完全防止結(jié)霜現(xiàn)象，而需要和除霜技術(shù)相輔相成，提升除霜速度，降低除霜能耗。

關(guān)于除霜技術(shù)的討論，除霜技術(shù)是整個除霜領(lǐng)域的核心，研究已經(jīng)相對成熟。由本文介紹可以看出，除霜技術(shù)涉及多方面，多流程，且受到空調(diào)熱泵系統(tǒng)的其他流程制約。因此局部改良以提升整體除霜效率，綜合性優(yōu)化更容易取得成效。

最后，電動汽車熱泵系統(tǒng)除霜是一項多領(lǐng)域、多學(xué)科交叉的技術(shù)難點，既依托于傳統(tǒng)熱泵除霜技術(shù)的進(jìn)展突破，又需要和汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合。而在除霜系統(tǒng)的優(yōu)化上，不應(yīng)一味追求提速節(jié)能，而是應(yīng)當(dāng)兼顧整個系統(tǒng)，才能取得綜合成效。