电动汽车热泵空调系统试验研究

赵家威， 郭二宝

（1.奇瑞汽车股份有限公司，芜湖 241002；2.安徽建筑大学环境与能源学院，合肥 230601）

1 前 言

电动车使用电池作为驱动动力，它的空调系统采用电力驱动而非机械驱动［1］。电动空调系统的能耗占电池容量的15－20%，电动空调系统对电动车行程有很大的影响。目前电动车大多数空调系统夏季制冷采用电动压缩机，冬季采暖使用PTC电加热方式。PTC电阻电加热方式本身能耗、安全存在一定问题，降低了冬季电动车的续航里程。因此，探索研究热泵空调系统对电动汽车市场扩展具有现实的意义。

2 电动车热泵空调系统研究

2.1 系统研究

目前电动汽车热泵空调研究［2］［3］有：1）基于现有压缩机的常规热泵系统；2）太阳能热泵空调系统。这些系统差异主要在于室内换热器数量及压缩机的类型。本文主要比较研究二级压缩喷射热泵和常规热泵空调系统。喷射热泵系统与原有汽车热泵系统［2］［3］相比，引入喷射器、二级压缩技术。二级压缩喷射技术一般应用在体积较大的活塞式、螺杆式、离心式等压缩机热泵系统中，对于涡旋式压缩机系统应用较少［4－6］，尤其小型涡旋压缩机应用在电动汽车热泵空调系统几乎没有研究。电动汽车常规热泵空调系统都未含有喷射增压。如图1所示，主要通过四通阀附属设备改变冷媒的流向，实现冬季制热、夏季制冷的功能。本文在国内外汽车空调研究基础上，提出的新型电动汽车热泵空调系统如图2，通过喷射器实现二次增压的喷射热泵系统，改变压缩机里冷媒工质的压力流速，增加压缩机出口冷媒的排气量、压力；提高压缩机的排气温度，提高热泵系统效率。图3是常规电动热泵系统与二级压缩喷射热泵系统压焓比较图。常规热泵系统的流（a－b－c＇－cd－e），二级压缩喷射热泵系统流程（a－5＇－2＇－3－4＇－4－7－7＇），由图中3－7段与b－d段两段直线长度（焓差）比较，可以看出二级压缩的热泵系统制热量和功耗同时增加，但效率是上升的。

图1 电动汽车常规热泵空调系统图

图2 电动汽车二级压缩喷射热泵空调系统图

图3 常规热泵系统与二级压缩喷射系统焓差比较图

2.2 理论计算

1.二级压缩喷射理论计算（如图3）：

热泵系统制热量

压缩功：

制热性能系数

其中，W1－2为压缩机喷射压缩过程1－2做的功（kJ）；W2－2＇为压缩机喷射压缩过程2－2＇做的功（kJ）；W2＇－3为压缩机喷射压缩过程2＇－3做的功（kJ）；h3，h4为制冷剂进出散热器状态焓值（kJ／kg）。

其中，Qk为车内换热器空气侧换热量，热泵采暖量；C 为空气定压比热，等于1.005kg／（kJ·℃ ）；m为车内换热器流通空气质量，密度1.28kg／m3，迎风面积为0.202＊0.15m2，风速为2.5m／s；Δt为车内换热器进出风温差；

其中，I为系统工作电流，A ；U 为系统工作电压，V。

3 热泵空调系统对比试验

3.1 实验装置与测试条件

依据理论研制了电动汽车热泵空调系统，并将其搭载在电动车上进行试验。空调试验室按照国际标准建设，低温试验室可以完成－20℃低温除霜试验，高温试验室可以完成45℃以内的高温试验。试验方法和数据处理均依据中国汽车行业标准QC／T656－2000《汽车空调制冷装置性能要求》和QC／T 657－2000《汽车空调制冷装置试验方法》。测试仪表符合QC／T 657－2000的规定。试验环境条件：环境温度－15±0.5℃，－8±0.5℃，2±0.5℃。试验结果整理成性能曲线。

3.2 试验结果分析

1、如图4所示，－15℃低温环境下，喷射压缩机热泵采暖运行约40分钟，空调采暖出风口温度稳定在37℃，车内平均温度约15.5℃；图5所示，常规热泵系统运行约35分钟，空调采暖出风口平均温度稳定在23.5℃，车内（副驾头部）平均温度11.5℃。

从图4和图5数据曲线曲率可以看出：在系统开始运行前期喷射热泵系统升温速率比常规热泵小，这是由于喷射压缩热泵系统工作循环里有个中温冷媒回流增压的过程；稳定后喷射热泵系统出风口平均温度相对高13℃。

图4 －15℃喷射热泵采暖曲线图

图5 －15℃常规热泵采暖曲线图

2、如图6所示，－8℃低温环境下，喷射热泵系统采暖运行40分钟，空调采暖出风口温度稳定在42℃，车内平均温度稳定在23.5℃；如图7所示，常规热泵系统正常运行约35分钟，空调采暖出风口平均温度稳定在33℃，驾驶（副驾）座头部温度平均是16℃；热泵压缩机耗功1.45KW；在升温速率及相对平均温度结论上与结论1相似。

图6 －8℃喷射热泵采暖曲线图

图7 －8℃常规热泵采暖曲线图

3、如图8、图9所示，2℃低温环境下，喷射热泵系统的出风口平均温度比常规热泵系统相对高5－6℃，且两者升温速率相似。从变化可以看出，环境温度越低，喷射热泵系统相对制热作用更明显，即其相对热效率更高。

图8 2℃喷射热泵采暖曲线图

图9 2℃常规热泵采暖曲线图

4、由试验数据计算表1可知：喷射热泵的热效率比常规热泵系统高出10%左右，这个数据结果与前面的研究结论类似。－8℃以上时喷射热泵的热效率随着温度的升高而降低，这个趋势与结论3内容互为佐证。

表1 热泵系统耗功测试

4 结 论

电动汽车是国家新能源汽车产业化一个重要的发展战略，其续航里程一直是制约因素。本文研究提出的新型热泵空调系统对于提高电动汽车续航里程，加快电动汽车的发展具有重要意义。新型热泵空调后期发展有如下几点希望和各位研究者探讨：

（1）结合整车工况进行热泵系统的运行环境及控制策略优化研究，以提高整车的续航里程；

（2）喷射涡旋式压缩机的性能稳定研究，是提高热泵系统稳定及其产业化的一个研究方向；

（3）基于R134a的热物性，在－15℃环境以下，热循环采暖量下降很快，研究探寻具有更低温（适合－30℃低温）特性的冷媒是未来研究的重要方向。

1 谢 卓，陈江平，陈芝久.电动车热泵空调系统的设计分析［J］.汽车工程，2006（8）：763－765.

2 祁照岗，谢 卓，陈江平，等.汽车空调热泵系统可行性分析［C］.上海市制冷学会二00五年学术年会论文集，2005（12）.

3 马国远，史保新.太阳能辅助电动汽车热泵空调系统的研究［J］.太阳能学报，2001，（2）：176－180.

4 江挺候，张胜昌，康志军.电动汽车热泵系统研究发展［J］.制冷技术，2012（2）：61－64.

5 许树学，马国远，彭 珑.准二级压缩－喷射热泵的设计与实验研究［J］.化学工程，2010（1）：99－102.

6 李颖明，李跃中.热泵技术在地铁车辆空调系统中应用可行性分析［J］.电力机车与城轨车辆，2009（3）：45－47.