工质种类及充注量对电动汽车热泵空调影响的试验研究

陈凯胜，王智兴，魏名山，彭发展 Chen Kaisheng，Wang Zhixing，Wei Mingshan，Peng Fazhan



工质种类及充注量对电动汽车热泵空调影响的试验研究

陈凯胜，王智兴，魏名山，彭发展 Chen Kaisheng，Wang Zhixing，Wei Mingshan，Peng Fazhan

（北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081）

针对电动汽车热泵空调，搭建了热泵空调试验台架，采取控制变量法，研究R134A充注量以及工质种类对系统制热性能的影响。结果表明，工质充注量较大时，压缩机出口温度及压力、蒸发器进口压力较大，系统功耗较大，同时制热量较大；工质充注量较小时，蒸发器内工质吸热过少，制热量不足。环境温度低至-10℃及-15℃时，R134A、R407C以及R410A 3种工质中R407C制热性能综合效果最好。

电动汽车；热泵空调；制热性能；工质充注量；工质种类

0 引 言

试验研究了R134A充注量对于一台电动车热泵空调系统制热性能的影响，同时对比研究了R134A、R407C以及R410A 3种工质对于系统制热性能的影响。

1 电动汽车热泵空调系统

电动汽车热泵空调试验系统如图1所示，系统包括涡旋式电动压缩机、车室内换热器、车室外换热器、四通换向阀、节流管、储液罐、风扇等部件，各个部件通过由保温材料包裹的铜管连接，模拟车室的空间与某一型号的电动车内部空间相当，同时用保温材料覆盖车室壁面，对车室进行保温。在系统的各个重要节点（压缩机进、出口，冷凝器进、出口，蒸发器进、出口）安装压力及温度传感器，同时采用电压及电流传感器采集压缩机的电压及电流，用以计算压缩机功耗。利用Simulink搭建数据采集系统，记录各节点的压力及温度随时间的变化。压缩机及换热器的主要参数见表1、表2。

图1 电动汽车热泵空调试验平台[8]

表1 涡旋压缩机的主要参数

表2 换热器主要参数

系统制热时，压缩机做功将低温低压的气态工质压缩成高温高压气体，气体工质通过四通换向阀进入车室内换热器，对车室内散热，等压冷凝为中温高压液体进入膨胀阀，节流降压后变为低温低压气液混合物，进入车室外换热器从环境中吸热，工质吸热之后再次进入压缩机，完成一次循环。当系统制冷时，压缩机出口的高温高压气态工质先流经车室外换热器，再经节流后流入车室内换热器，与制热过程相反。

试验使用R134A、R410A、R407C 3种工质，物理性质见表3。这3种工质是现在最常用的空调制冷剂，其中R134A在汽车空调中应用最为广泛，试验研究充注量及3种不同工质在低温环境下对电动汽车热泵空调制热性能的影响。

表3 各工质物理性质

2 理论分析

电动汽车热泵空调系统在制热时，是将热能从低温热源（外界环境）输送到高温热源（车室），其制热系数一般大于1。理想制热过程的温熵图（-）和压焓图（lg-）分别如图2中（a）、（b）所示。图2（a）中横坐标为熵值，纵坐标为温度，图2（b）中横坐标为焓值，纵坐标lg为绝对压力的对数值。在图2（a）和（b）中，1—2表示理想状态下工质在压缩机内绝热压缩，2—3表示工质在车室内换热器内等压冷凝放热，3—4表示工质通过膨胀阀节流降压，4—1表示工质在车室外换热器内等压蒸发吸热。工质经过4个基本过程，从外界环境即低温热源吸热，将热量泵送到车室内。

图2 热泵空调理论循环

式中，c为单位质量下工质的制热量，kJ/kg；2为图2（a）和（b）中点2的焓值kJ/kg；3为图2（a）和（b）中点3的焓值kJ/kg。

式中，为单位质量工质下压缩机功耗kJ/kg；1为图2（a）和（b）中点1的焓值，kJ/kg。

因此电动汽车热泵空调在制热情况下系统的值为

利用式（3）计算系统的值比实际制热量和压缩机功耗量的比值大，因为式（3）没有考虑压缩机损失，所以值会比实际情况大，但利用式（3）计算值更加方便。

4 试验过程

利用北京理工大学电动车辆国家工程实验室的环境舱系统模拟环境温度以及湿度等环境参数，该环境舱系统能模拟环境温度从-40℃到130℃。试验过程中，当车室温度达到预定值或者系统运行状态稳定后结束试验，空调压缩机停止工作，数据采集系统实时记录各点的温度及压力。

表4 研究充注量的试验工况

试验使用专用工质加注电子秤控制工质充注量的多少（电子秤分辨率为5g，精度±0.05%），以此研究工质充注量对热泵空调制热性能的影响。对充注量的研究以R134A为例进行，表4为研究充注量的试验工况。除此之外，在适宜充注量情况下，将R134A、R410A及R407C 3种工质的制热能力进行对比。

5 试验结果及分析

5.1 工质充注量对系统制热性能的影响

以制热工况下车室内温度能否达到18℃作为衡量空调系统制热能力的参考标准。如图3所示为-5℃时车室内温度随空调系统运行时间的变化情况。在环境温度为-5℃时，充注量600 g和670 g均能使室内温度上升为18℃，且670 g时车室内温度上升最快，而充注量400 g时室内温度不能达到要求。结果表明工质的充注量越多，制热量越大。原因为充注量越多，系统内的质量流量越大，单位时间内工质通过室内换热器的换热量增多，制热量增大。从车室内温度上升程度判断，充注量为400 g时，由于系统内工质质量流量过少，工质在蒸发器内吸热和在冷凝器内放热均不足，导致系统制热量不足。

图3 车室温升曲线（环境温度-5℃）

如图4所示，环境温度为-5℃时，充注量为670 g时，压缩机功耗远大于其他充注量。充注量为400 g时系统稳定时压缩机平均功耗为859 W，与充注量为600 g时功耗基本相同，但制热量明显较小，故充注量为600 g时制热效率较高。

还进行了环境温度为-10℃及-15℃时的热泵空调制热试验，充注量为670 g时，车室内温度同样能上升到18℃，但压缩机功耗较高；在其他充注量情况下，车室内温度不能满足要求。说明在环境温度为-10℃或-15℃时，仅改变充注量并不能满足系统高效制热的要求，可通过优化系统结构参数和运行参数来提升系统制热性能。

图4 压缩机功耗曲线（环境温度-5℃）

5.2 充注量对系统压力及温度的影响

由图5可知，在环境温度为-5℃时，充注量为670 g时，压缩机出口压力急剧上升，在压缩机转速为6 000 r/min，系统运行至1 300 s时，压缩机出口压力高达1.935 MPa，接近压缩机所允许的最大压力2 MPa，易发生危险。由于工质充注量过量时，压缩机出口压力会急剧上升，可以判断出，670 g时系统内工质的充注量过量。同时可以看出，充注量为600 g时，压缩机出口压力随系统运行时间缓慢增加，充注量为400 g时压缩机出口压力较低且基本保持稳定。

图5 压缩机出口压力（环境温度-5℃）

从图6可知，在环境温度为-5℃时，压缩机出口温度随着充注量的增大而增大，充注量越大，压缩机出口温度上升越快。充注量为600 g及670 g时压缩机出口温度均能达到70℃左右，但充注量为400 g时压缩机出口温度较低，导致制热量不足。

由图7可知，在环境温度为-15℃时，充注量为600 g及670 g时，蒸发器进口温度先降低后缓慢升高，随时间增加，其值基本保持不变；充注量为400 g即充注量不足时，蒸发器进口温度先上升后下降直至平稳，系统稳定时蒸发器进口温度高于充注量为600 g和670 g时，甚至高于环境温度，蒸发器内工质从外界吸热有限，导致整个系统制热量不足。

图6 压缩机出口温度（环境温度-5℃）

图7 蒸发器进口温度（环境温度-15℃）

由图8可知，在环境温度为-15℃时，充注量为670 g时，蒸发器压力最高，原因为压缩机出口压力较高，节流降压之后压力仍较高；充注量为400 g时，从压缩机出口压力看，节流降压幅度很小，从而导致蒸发器进口温度过高，工质吸热较少；充注量为600 g时，蒸发器工质的进口压力低于其他充注量，说明节流降压效果明显，蒸发器能从外界环境中正常吸热。

图8 蒸发器进口压力（环境温度-15℃）

5.3 不同工质对热泵空调制热性能的影响

由图9可知，环境温度为-10℃时，R407C及R410A为工质时，车室内温度能上升到18℃，而R134A不能满足要求。由图10可知，在环境温度为-15℃时，仅工质R410A满足制热要求，但工质R407C接近制热要求。

图9 不同工质下车室内平均温度（环境温度-10℃）

图10 不同工质下车室内平均温度（环境温度-15℃）

由图11可知，R410A作为工质时压缩机功耗高于R407C，在环境温度为-10℃时，R410A高于R407C压缩机功耗12.7%，并且在环境温度为-10℃时，R407C作为工质时，车室内温度上升较快；在环境温度为-15℃时，R410A工质的压缩机功耗高于R407C压缩机功耗28.2%，并且R407C在环境温度为-15℃时车室内温度可以上升到16℃，满足要求。故在环境温度为-10℃及-15℃时，在压缩机及冷凝器等系统参数相同的情况下，工质R407C对热泵系统的制热情况最有利。同时应注意R407C及R410A作为工质时，系统运行压力较高，避免出现压力过高的情况。

图11 3种工质压缩机功耗

6 结 论

1）工质充注量对电动汽车热泵空调的制热性能具有重要的影响，在环境温度为-5℃时，充注量为600 g和670 g均能满足要求，但充注量为670 g时充注过量，在相同的系统参数情况下，以R134A作为工质时，最优充注量为600 g。

2）压缩机出口压力及温度随充注量的增加而增大，充注量过多时会导致压缩机出口压力过大，造成危险。工质充注量过小，节流降压幅度很小，会导致工质在蒸发器中吸热较少，制热效率很低；工质充注量过大，工质在蒸发器进口温度较低，但压力偏高，不利于工质在蒸发器中吸热；充注量适量时，工质在蒸发器中正常吸热。

3）R134A、R410A及R407C 3种工质，在环境温度为-10℃和-15℃时，在系统参数相同的情况下，R410A及R407C制热性能较好，但R407C功耗低。故在环境温度为-10℃或-15℃的低温工况下，R407C的制热性能最优。

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2017-10-18

U463.85+1

A

1002-4581（2018）01-0017-06

10.14175/j.issn.1002-4581.2018.01.005