电动车用空调热泵系统制冷剂充注量试验研究

吴金玉

摘 要：文章通过电动车热泵系统制冷剂充注量的台架试验研究，验证了制冷模式下，外部冷凝器的出口压力和出口过冷度，压缩机进口过热度，与制冷剂充注量的关系，得出制冷模式下的最佳充注范围为980～1480g；制热模式下内部冷凝器的出口压力和出口过冷度，压缩机进口过热度与制冷剂充注量的关系，得出制冷模式下的最佳充注范围为900～1400g，综合考虑制冷和制热模式下，得出系统的最佳充注量为1300±50g。

关键词：电动车；热泵空调；充注量；外部冷凝器；内部冷凝器；过冷度；过热度

中图分类号：U463.85+1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）21-0040-04

Abstract： In this paper， through the bench test of the refrigerant charge of the electric vehicle heat pump system， the relationship between the outlet pressure and the outlet undercooling of the external condenser， the inlet superheat of the compressor and the refrigerant charge are verified. It is concluded that the optimum charging range in refrigeration mode is 980～1480 g， and the relationship between the outlet pressure and outlet undercooling of internal condenser， the inlet superheat of compressor and the charge of refrigerants in heating mode. It is concluded that the optimum filling range of the refrigeration mode is 900～1400 g， and the optimum charge amount of the system is 1300 ± 50 g when the refrigeration and heating modes are taken into account.

Keywords： electric vehicle； heat pump air conditioning； charge； external condenser； internal condenser； undercooling； superheat

前言

近年來，随着新能源汽车的蓬勃发展，续航里程不足的问题成为越来越突出的矛盾，尤其在冬季制热的情况下，续航里程将大幅度缩短，这就成了制约电动车发展的关键因素。而热泵空调是一种可以将低位热源的热能转移到高位热源的空调装置，在冬季制热工况下COP可达2-4，能效多倍于当今普遍使用的PTC加热，可以有效延长20%以上的续航里程，在电池技术没有突破性进展的前提下，热泵空调是当前传统空调损耗续航里程问题为数不多的有效解决方案。

本文主要针对国内某电动车热泵空调系统的充注量进行研究，利用实车管路台架试验对系统制冷模式和制热模式充注量进行试验研究，得出制冷模式和制热模式下的最佳充注范围，并制定出该系统的最佳充注量。

1 热泵系统实车管路台架试验样件和设备

1.1 试验样件

本文主要针对国内某电动车热泵系统进行研究，系统主要由以下部件组成： （1）空调箱总成（Front HVAC），该空调箱总成集成了（2）内部冷凝器（inner condenser），（3）高压空气PTC （PTC-Air），（4） 蒸发器（Cabin EVAP），（5）电子膨胀阀（EXV），（6）板式换热器（Chiller），（7）电磁膨胀阀；（8）电动压缩机；（9）同轴管；（10）外部冷凝器（Condenser/EVAP）；（11）低压热回收换热器模块（LP Chiller）；（12）储液罐 （receive dryer）；（13）电磁截止阀（solenoid valve）；（14）单向阀（one way valve）；（15）压力温度传感器（PT sensor）；以及连接各个零部件的管路。

制冷模式系统的连接原理：打开电磁截止阀SV_Cmpr_Ohex，使制冷剂从压缩机出来后，依次进入外部冷凝器，储液罐，IHX，蒸发器，板式换热器，再回到压缩机。

制热模式系统的连接原理：打开电磁截止阀SV_Cmpr_Icond， SV_Ohex， 使制冷剂从压缩机出来后，依次进入内部冷凝器，储液罐，外部冷凝器，低压热回收换热器模块，再回到压缩机。

1.2 试验设备

该试验主要在汽车空调综合性能试验室进行，试验室结构为压缩机箱，冷凝器室，蒸发器室，和操作控制室等组成，其中冷凝器B室和蒸发器A室和蒸发器C室，分别设有制冷系统和加热加湿系统对三个房间的环境状态进行控制，每个房间都有风洞为样件提供送风系统，并在相应的位置安装温度和压力传感器采集温度和压力数据并传递至计算机进行处理。

本实验主要在蒸发器C室中进行，利用C室来进行环境温湿度的控制，压缩机和电子膨胀阀，电磁阀由系统台架的控制模块独立控制。试验设备的测量精度：温度±0.5℃，压力：±10kPa。

1.3 试验工况

车用热泵空调系统和传统空调系统的不同之处在于制冷剂充注量的标定有制冷和制热两种模式，需要对两种模式进行充注量的标定对比，从而找到合适两种模式运行的最佳制冷充注量，试验工况见表1。

考虑到热泵系统比较复杂，系统中有储液罐，因此该试验中的系统充注量先预充800g制冷剂，以后每50g充注一次，每次充注后待系统稳定后记录相应的系统参数。

2 试验结果及分析

2.1 制冷模式的充注量结果分析

热泵系统的制冷剂充注量对制冷模式的影响，主要是通过检查外部冷凝器的出口压力，外部冷凝器的出口压力（即系统的高压），压缩机进口的过热度，并校核充注平台和储液罐的容量。

外部冷凝器的出口过冷度是判断系统制冷剂充注量是否合适的重要依据之一，外部冷凝器的出口过冷度随制冷剂充注量的变化曲线如图2所示，可以看出，在试验开始阶段，外部冷凝器的出口过冷度基本为零，随着充注量的不断增加，外部冷凝器的出口过冷度依然维持在零度，这主要是由于在热泵系统中使用的非过冷式冷凝器，所以在冷凝器出口的过冷度基本没有，此时系统多余的制冷剂主要储存在储液罐中，随着制冷充注量的增加，出口过冷度呈上升趋势，在制冷剂充注量到达1480g时，冷凝器的出口过冷度为4℃，这说明系统的储液罐已满，当继续增加制冷剂，冷凝器出口的过冷度急剧上升到10℃，说明系统出现过充，这将也不利于系统制冷性能的发挥。因此，从外部冷凝器出口过冷度曲线可以看出，该系统在制冷模式下的充注量应小于1480g。

外部冷凝器的出口压力（系统的高压）也是判断系统制冷剂充注量是否合适的重要依据之一。外部冷凝器的出口压力随制冷剂充注量的变化曲线如图2所示，可以看出，在试验开始阶段，到相当长的一段时间内，系统的充注量从880g到1480g时，外部冷凝器的出口压力基本稳定，维持在14bar左右。随着制冷充注量的继续增加，外部冷凝器的出口压力出现突变，系统出现过充，这个过冷度的表现是一致的，系统高压急剧上升将严重影响系统制冷性能的发挥，因此，从外部冷凝器出口压力的曲线可以看出，该系统在制冷模式下的充注量应小于1480g。

压缩机进口过热度也是判断系统制冷剂充注量是否合适的重要依据之一。压缩机进口过热度随制冷剂充注量的变化曲线如图2所示，在试验开始阶段，当制冷剂的充注量较少时，压缩机进口的过热度很高，过高的过热度将使系统的能力下降，随着制冷剂的增加，压缩机进口的过热度逐渐降低，充注量在980g到1480g时，压缩机的进口过热度表现平稳，基本维持在18℃，随着制冷剂的进一步增加，过热度将降低，过低的过热度将增加压缩机液击的风险。因此，从压缩机进口过热度的曲线可以看出，该系统在制冷模式下的充注量应大于980g。

综合外部冷凝的出口压力，过冷度，压缩机进口的过热度三种因素可以看出，该热泵系统在制冷模式下的最佳充注范围为980～1480g，充注平台为500g。该系统的储液罐容积为520g，该系统的充注平台与储液罐的容积相匹配。

2.2 制热模式的充注量结果分析

热泵系统的制冷剂充注量对制热模式的影响，主要是通过检查内部冷凝器的出口过冷度，内部冷凝器的出口压力（即系统的高压），压缩机进口的过热度来确定系统的最佳充注量范围。

制热模式下，内部冷凝器的出口压力和出口过热与制冷剂充注量的关系如图3所示，和制冷模式类似，内部冷凝器的出口压力和过冷度在充注量较少的时候就开始进入平台期，此时，系统多余的制冷剂主要储存在储液罐中，随着制冷剂充注量的不断增加，当充注量大于1400g时，内部冷凝器的出口压力和过冷度陡升，进入突变阶段，系统出现过充，不利于系统的运行。因此在制热模式下该系统的制冷剂充注量应不高于1400g。

热泵系统制热模式下，整个系统在较低的温度下进行，系统的高低压相对较低，这就对压缩机提出了更高的要求，因此在制热模式下要时刻注意压缩机进口的过热度，防止压缩机液击。如图3所示，压缩机进口的过热度在制冷剂较少时，过热度较低，存在液击的风险，随着制冷剂充注量的增加，过热度上升，并在制冷剂量在900～1400g时，过热度出现平台期，基本维持在4℃左右，随着制冷剂量的继续增加，压缩机进口的过热度呈下降趋势，这将增加压缩机液击的风险。因此，该系统在制热模式下的最佳充注量范围为900～1400g，充注平台为500g。

综合制冷模式和制热模式下，制冷剂充注量和外部冷凝器出口压力和出口过冷度，内部冷凝器出口压力和出口过冷度，压缩机进口过热度的相互影响关系，充分校核充注平台和储液罐的容量，把该系统的最佳充注量应设定在1300±50g。

3 结论

通过对电动车热泵系统实车台架充注量试验的研究，分析了制冷剂充注量在制冷和制热模式下对系统各参数的影响，确定了系统储液罐的容积，确定了系统的最佳充注量为1300±50g，该数据和整车环模试验的充注量1350g吻合得很好，充注量与外部冷凝器，内部冷凝器出口压力和过冷度，压缩机进口的过热度的相互影响关系与整车环模的试验结果基本一致。实车台架试验可以有效的验证热泵系统的性能。

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