电动汽车热泵系统研究进展

电动汽车热泵系统研究进展江挺候，张胜昌，康志军（浙江盾安人工环境股份有限公司，诸暨311835）[摘要]分析电动汽车热泵空调系统与传统燃油汽车空调系统的区别，比较了国内外现有汽车热泵空调系统的结构，指出其优缺点，比较了采用不同制冷剂的汽车热泵空调系统，并提出了高效车用热泵空调系统的设计思路。[关键词]热泵空调系统；电动汽车；制冷剂StudyonHeatPumpSystemforElectricVehicleJIANGTing-hou*,ZHANGSheng-chang,KANGZhi-jun(ZhejiangDunAnartificialenvironmentalequipmentCo,.Ltd.,ZhejiangZhuji,311835,China)[Abstract]Thedifferencebetweentheairconditioningsystemswithelectricvehiclesandthosewithconventionalvehicleswasanalyzed.Differentstructuresofexistingautomotiveheatpumpsystem,bothindomesticandforeignstudies,werecompared,andtheadvantagesanddisadvantageswerepointedout.Automotiveheatpumpsystemswithdifferentworkingfluidswerealsocompared.Thedesignmethodforhighperformancevehicleheatpumpsystemswasproposedinthepresentstudy.[Keywords]Heatpumpair-conditioningsystem;Electricvehicle;Refrigerant*江挺候（1967.5-），男，高级工程师，硕士。研究方向：低温制冷。联系地址：浙江省杭州市滨江区聚园路8号。联系电话：0571—87113698，Email：[e-mail]。0引言燃油汽车在给人们生活带来便利的同时，也带来了“能源消耗，环境污染”两大问题。而与燃油汽车相比，电动汽车具有零排放无污染、噪声低、能源效率高等优势。近年来，我国在863项目的重点支持下，开展了一系列有关电动、混合动力及燃料电池等新能源汽车的开发研究工作。在当前，国家研究重点在于攻克动力总成等主要零部件，尚未对空调系统加以足够关注。但与燃油汽车一样，电动汽车也要创造一个舒适的乘驾环境，即要配备相应的空调系统，以提高其舒适性和竞争力。在开发和研制电动汽车同时，必然也要对其配套的空调系统进行开发与研制。电动汽车以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，没有燃油汽车用来采暖的发动机余热，故不能沿用燃油汽车的取暖系统。现有的电动汽车通常采用PTC电加热器或燃油加热器来进行供暖[1]，但是这些制热设备通常价格昂贵、重量较大且效率低下。热泵系统的理论运行效率大于1.0，采用热泵型空调系统替代电加热设备实现冬季取暖功能，可以大幅提高电动车的行驶里程，对电动汽车的发展有重要意义。1采用不同设计结构的车用热泵系统的比较适合于电动汽车的热泵空调系统结构的设计，一直是车用热泵的研究重点，在此方面国内外的汽车空调生产厂家和高校进行了大量的研究。马国远等[2]介绍了一种由永磁直流无刷电机直接驱动的电动汽车热泵系统，系统结构如图1所示。该系统与家用热泵空调系统没有实质区别，也是使用四通换向阀实现制冷剂逆流，从而切换制冷制热模式。但是在热泵工况下，当系统从除霜模式切换为制热模式时，室内换热器上的冷凝水迅速蒸发，并在汽车挡风玻璃上结雾，会给行车安全造成隐患。图1热泵空调系统图[2]日本电装公司开发出一套电动汽车热泵系统[3]，在风道中采用2个换热器，在制冷、制热和除霜/除湿模式下运行如图2所示。在系统处于除霜/除湿模式时，制冷剂流经所有的3个换热器。空气流经内部蒸发器时完成除湿，并将空气冷却到除霜需要的温度，之后再通过内部冷凝器，把风送到车厢内部。这样在满足供暖需求的同时避免了汽车挡风玻璃结雾，消除了行车的安全隐患。图2热泵系统结构图[3]由于供车用的四通换向阀技术尚未成熟，日本电装公司的专利US6237351-B1提供了一种不使用四通换向阀的车用热泵空调系统[4]，系统结构如图3所示。图3车用热泵空调系统[4]在制冷模式下，阀5、6全闭，制冷剂流经换热器2后由旁流阀7流进外部冷凝器4，经过膨胀机构8进入蒸发器1，再由气液分离器回到压缩机。制热模式下，旁流阀7全闭，制冷剂通过冷凝器2后分成两股流道，在制冷剂-制冷剂换热器3中换热后一部分流回压缩机，一部分经膨胀阀9进入蒸发器4，此时旁流阀6全开，短接右侧的流道，制冷剂由此经过气液分离器回到压缩机。除湿模式下，旁流阀6全闭，制冷剂经过蒸发器1回到压缩机以实现除湿功能。系统运行时，安装在管路上的传感器会传输信号到控制器上来控制阀的开度。曹中义[1]提出电动汽车空调系统解决方案，系统结构如图4所示。该空调系统通过切换旁流阀来转换制冷或制热工况：制冷时，旁流阀1开启，旁流阀2关闭，车内冷凝器的混合气门完全闭合；制热时，旁流阀1关闭，旁流阀2开启，车内冷凝器的混合气门完全打开。此系统通过关闭旁流阀2和控制膨胀阀2的开启程度进行除湿。图4热泵系统[1]AmirJokar,MohammadH.Hosni和StevenJ.Eckels[5]设计并且装配了一种集成的汽车热力系统，如图5所示。这个热力系统为一个双回路系统，分为空调模式和热泵模式。一次回路是一个简单的制冷循环系统，包括压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀。两个二次回路通过泵驱动工质液体循环流动，与一次回路中的换热器进行换热。相较于传统的独立制冷/加热系统，该系统能够在车厢温度较低的情况下供给车厢更多的热量，而且该系统结构紧凑，节省元件。但是它也存在缺点，例如增加压缩机负荷造成排放增加，能源消耗量也有少量增加。图5双回路热泵系统[5]3采用不同制冷剂的车用热泵系统的比较M.Hosoz和M.Direk[6]研究了R134a汽车空调中采用环境空气作为热源的热泵系统的性能。他们采用原有的汽车空调系统部件，并在此基础上增加一些新的部件使系统能够反向运行，系统结构如图6所示。他们对该系统进行了制冷及热泵工况下的性能测试。结果表明只有在环境温度不是很低的情况下热泵系统能够提供足够的制热量，而随着环境温度的降低，热泵系统的制热性能剧烈额定下降。图6热泵系统示意图[6]欧阳光[7]做了在不同环境温度下电动汽车热泵系统制热性能的比较。其系统采用四通阀换向实现制冷和制热或除霜模式的切换，制冷剂工质选用R407C。如图7所示，系统COP随环境温度降低而降低，当环境温度很低时，COP将达不到1.0。相比现有制冷剂，CO2有着优良的制热性能，使用CO2作为热泵工质是解决低温下热泵制热性能不足的很好方法。此外，欧盟在2006年通过规定：2011年1月1日起所有新批准型号的汽车放热空调系统将禁止使用含GWP150的氟化气体制冷剂，从2017年1月1日起所有新出厂车辆的空调系统将禁止使用含有GWP150的氟化气体制冷剂。R134a和R407c的GWP值分别为1300和1500，这意味着这两种制冷剂在未来不久即将被替代。环境温度/℃图7COP值随室外干球温度的变化曲线[7]Tamura[8]提出了一种用于中型车的CO2汽车热泵空调系统，结构如图8所示，系统在制热模式下可以利用除湿过程中的余热。经过试验测试，他们提出的系统可以得到比现有R134a系统更优的性能。在满足制冷模式下COP与R134a系统一致的情况下，制热模式下的COP达到R134a系统的1.31倍。图8中型车热泵系统[8]二氧化碳系统工作压力高于传统制冷剂系统许多，而且吸排气的压差与温差都很大，因此，在压缩机内部的各零部件的机构结构、压缩机室的防泄漏设计、传动轴上的轴承选用、在高压环境的润滑油与油路设计、排气口部位的排气阀设计等，均应特别注意[9]。4结论设计开发高效实用的电动汽车热泵系统应注意以下几点：(1)比较采用四通换向阀和旁流阀的系统以及一次回路和二次回路系统，根据具体情况选择合适方案，并进行优化设计，以提高系统运行效率，降低成本；(2)注意在满足热泵型空调功能的前提下，避免热泵融霜造成挡风玻璃雾气，以保证行车安全；(3)跟进车用空调制冷剂替代步伐，研究运用新型制冷剂的车用热泵系统；(4)研究开发适用于电动汽车热泵系统的部件，如阀和电动压缩机等。现有R134系统CO2系统，直接膨胀CO2系统，热水辅助室外侧室内侧发动机循环水路压缩机膨胀阀室外换热器参考文献[1]曹中义.电动汽车空调系统解决方案[J].汽车电器,2008(3):1-4.[2]史保新,马国远,陈观生.电动车用空调装置的研究[J].流体机械,2002,30(4):48-50.[3]SuzukiTakahisa,Katsuya.AirConditioningSystemforElectricVehicle[C].SAEPaper960688.[4]SITOH,KIRITANI.Heatpumptyperefrigerantcyclesystemforelectricvehicleairconditioner:US,6237351-B1[P].2001-05-29.[5]JokarAmir,HosniMohammadH.,EckelsStevenJ..DimensionalanalysisontheevaporationandcondensationofrefrigerantR-134ainminichannelplateheatexchangers[J].AppliedThermalEngineering,2006,26(17-18):2287-2300.[6]HosozM.,DirekM.Performanceevaluationofanintegratedautomotiveairconditioningandheatpumpsystem[J].EnergyConversionandManagement,2006(47):545-559.[7]欧阳光.热泵型电动汽车空调系统性能实验研究[D].广州:华南理工大学,2011:33-34[8]TamuraTomoichiro,YakumaruYuuichi,NishiwakiFumitoshi.ExperimentalstudyonautomotivecoolingandheatingairconditioningsystemusingCO2asarefrigerant[J].InternationalJournalofRefrigeration,2005(28):1302-1307.[9]陈江平.新型高效的跨临界二氧化碳汽车空调系统[J].制冷技术,2002(3):31-35.※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※（上接第70页）比较R传感器的温度和冷藏室的温度设定值，控制风道风门的启闭，从而进行冷藏室内的温度控制。风门关闭的条件为：大冷藏室内温度设定值+外界温度补正，外界温度补正随环境温度的改变而改变，如表3所示。表3冷藏室外界温度补正环境温度外界温度补正值设定值(5~8)℃设定值5℃以下≥28℃1.0℃1.5℃(23~28)℃1.0℃1.5℃(13~23)℃1.5℃2.5℃≤13℃0.5℃1.0℃如果满足环境温度28℃以上，冷藏室温度设定为10℃,冷冻室温度（包括速冻）设定值在-20℃以下时，冷藏室的温度用传感器R2进行温度控制。为了确保冰箱必要的冷冻能力，减少冰箱不必要的电能和冷量浪费，压缩机运转频率是可变的。当冷冻室内的温度达到设定要求(15~21)℃时，温度传感器F向压缩机的控制部分发出指令，降低压缩机的运行频率，制冷系统的制冷量也迅速