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摘要：本文研究了針對純電動汽車所設(shè)計的冷暖一體熱泵空調(diào)系統(tǒng)，測試了在不同環(huán)境溫度下，系統(tǒng)的制熱效率以及制熱量，然后將測試效果和PTC 制熱進(jìn)行了對比。結(jié)果證明，隨著環(huán)境溫度的降低，系統(tǒng)壓力會減小，熱泵的制熱量也會有效減少，制熱效率明顯降低，而熱泵的制熱效率較PTC 的制熱效率要大得多，足以證明，熱泵空調(diào)系統(tǒng)在電動汽車上的應(yīng)用具有較高的可行性。
傳統(tǒng)車載空調(diào)系統(tǒng)的制熱原理是，充分利用發(fā)動機(jī)冷卻液的循環(huán)實(shí)現(xiàn)車內(nèi)環(huán)境的溫控。電動車沒有發(fā)動機(jī)，不能應(yīng)用傳統(tǒng)的車載空調(diào)系統(tǒng)的原理進(jìn)行制熱。在低溫條件下，駕駛員可以利用車載的制熱元件進(jìn)行制熱，供駕駛員取暖，保證行車的安全性，提高車內(nèi)環(huán)境的舒適度。所以，電動汽車必須創(chuàng)新相應(yīng)的方法，實(shí)現(xiàn)制熱功能。

1 電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案

目前，制冷/采暖系統(tǒng)在電動汽車的設(shè)計中應(yīng)用較為廣泛，32cc壓縮機(jī)負(fù)責(zé)提供制冷劑循環(huán)動力，如圖1 所示，制冷/采暖系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、室內(nèi)、外換熱器、膨脹閥、氣液分離器等部件構(gòu)成。如果系統(tǒng)以制冷模式進(jìn)行運(yùn)作，四通閥處于不通電的狀態(tài)，氣態(tài)制冷劑在低溫低壓的狀態(tài)下，由壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣態(tài)制冷劑，然后進(jìn)入到室外換熱器，對中和外界空氣形成對流換熱后，轉(zhuǎn)變?yōu)橹袦刂袎旱囊后w，經(jīng)過膨脹閥節(jié)流后，溫度和壓力有所降低，轉(zhuǎn)變成為霧狀繼續(xù)進(jìn)入到室內(nèi)換熱器，在室內(nèi)換熱器中，制冷劑會蒸發(fā)吸熱，達(dá)到降低車內(nèi)溫度的作用，這個過程中，氣體在室內(nèi)換熱器出口的溫度和壓力有所降低，進(jìn)入到壓縮機(jī)中，完成整個制冷循環(huán)。如果系統(tǒng)以制熱的模式進(jìn)行運(yùn)作的時候，四通閥處于通電的狀態(tài)，壓縮機(jī)將具有一定溫度和壓力的氣態(tài)制冷劑推入到室內(nèi)換熱器，這時，制冷劑所攜帶達(dá)到熱量高就會傳遞到車內(nèi)，有效的實(shí)現(xiàn)室內(nèi)制熱，制冷劑經(jīng)過膨脹閥的節(jié)流，壓力降低后會進(jìn)入到室外換熱器，蒸發(fā)吸熱，將環(huán)境中的熱量帶入到系統(tǒng)中，在壓縮機(jī)的抽吸功能下，工質(zhì)回到壓縮機(jī)中，整個制熱循環(huán)完成。

電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制方案：通過應(yīng)用空調(diào)控制器和CAN通信可以實(shí)現(xiàn)整車控制器、壓縮機(jī)之間信號的有效交互。根據(jù)空調(diào)控制器控制指令，整車控制器會對室外的傳感器的溫度和壓力傳感器的信號進(jìn)行采集，配合控制電子膨脹閥的開度，實(shí)現(xiàn)制冷和制熱的有效切換。在熱泵控制系統(tǒng)中，四通換向閥與電子膨脹閥屬于核心部分，本文針對這兩個部件進(jìn)行了具體的分析：（1）四通換向閥控制。作為獨(dú)立受控的單元，四通換向閥會對主閥進(jìn)行驅(qū)動，默認(rèn)情況下，主閥的滑塊會默認(rèn)在右端，實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)的有效接通；通過四通換向閥將主閥移動到左端，實(shí)現(xiàn)制熱循環(huán)的有效接通。①制冷請求：冷凝器C 端和壓縮機(jī)排氣端D 連接在一起，壓縮機(jī)吸氣端和蒸發(fā)器E 端連接在一起，就可以實(shí)現(xiàn)制冷。②制熱請求：蒸發(fā)器E 和壓縮機(jī)排氣端D連接在一起，壓縮機(jī)吸氣端和冷凝器C 端連接在一起，可以實(shí)現(xiàn)制熱。（2）通過調(diào)整電子膨脹閥開度，控制液態(tài)制冷劑的膨脹。VCU 會對壓縮機(jī)蒸發(fā)器出口的溫度和壓力信號進(jìn)行讀取，然后將實(shí)際的過熱溫度計算出來，和系統(tǒng)控制目標(biāo)進(jìn)行對比，根據(jù)目標(biāo)過熱度，自動的對電子膨脹閥開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。


圖1 熱泵空調(diào)制熱原理圖

2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)驗研究及分析

2.1 實(shí)驗原理

組織整個實(shí)驗系統(tǒng)，然后將其安裝在實(shí)驗臺架上。將熱電偶、壓力變送器安裝在雙向膨脹閥的進(jìn)出口、壓縮機(jī)的進(jìn)出口以及室內(nèi)外換熱器的進(jìn)出口，然后將溫濕度變送器安裝在室內(nèi)換熱器的風(fēng)道進(jìn)出風(fēng)口的位置，將電流變送器安裝在穩(wěn)壓電源與控制器之間，然后將質(zhì)量流量計安裝在壓縮機(jī)出口位置，然后將所有的變送器和無紙記錄儀連接起來，并且將熱電偶接到溫度采集儀上，溫度采集儀和無紙記錄儀直接和電腦相連，可以將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時性的傳輸?shù)诫娔X上。

2.2 仿真計算

熱負(fù)荷：

冷負(fù)荷：電池公式中， QC 為冷負(fù)荷；為太陽照射熱量及輻射； Qm為人體的散熱量；為從室外滲入空氣的熱量；為從動力艙傳入的熱量；qQ為從其他設(shè)備、儀器散發(fā)出的熱量； Q電池為電動車所需的電池。在對熱、冷負(fù)荷進(jìn)行估算完，并對車輛外循環(huán)確定的情況下，車輛的制熱量大概為4.2kW，而制冷量大概為3.5kW。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

溫度測試系統(tǒng)主要由主機(jī)、溫度采集模塊以及熱電偶組成，數(shù)據(jù)采集儀的主機(jī)和電網(wǎng)直接相連，通過操作電腦上的軟件就可以對溫控系統(tǒng)進(jìn)行操作；溫度采集模塊分為20 個通道，通過這些通道可以采集20 路溫度信息；T 型熱電偶型號線徑0.25mm，可以對-50 ～150℃之間的溫度進(jìn)行有效的測量。熱電偶其中一段和溫度采集模塊的正極相連，另外一端為側(cè)兩端，在室內(nèi)、外換熱器的翅片上、壓縮機(jī)進(jìn)出口以及室內(nèi)外熱交換器的進(jìn)出口的位置安裝熱電偶測量端，并且用膠帶錫箔紙進(jìn)行固定，然后外面裹上保溫性的材料。

2.4 熱泵空調(diào)系統(tǒng)組件

為了更高的實(shí)現(xiàn)熱泵空調(diào)系統(tǒng)功能性要求，注意根據(jù)熱泵空調(diào)匹配計算結(jié)果，做好關(guān)鍵元件的選型，比如四通交換閥、車外換熱器、電子膨脹閥等。

（1）車外換熱器。其設(shè)計結(jié)構(gòu)為垂直結(jié)構(gòu)，通過應(yīng)用小管徑銅管鋁翅片有效提高換熱器的排水性能，推遲冷凝器結(jié)霜的時間，實(shí)際的換熱能力超過了4.5kW。

（2）儲液器。選擇氣液分離效率超過98%的微孔過濾分離型儲液器，這類儲液器可以做好完全、充分的吸收液體制冷劑，避免壓縮機(jī)出現(xiàn)液擊問題。

（3）電子膨脹閥。電子膨脹閥具有電磁閥和膨脹閥的所有工鞥呢，通過調(diào)節(jié)閥體的開度，可以對膨脹閥的流量進(jìn)行控制。電子膨脹閥屬于常開型的獨(dú)立受控單元，膨脹方向是可逆的。在選擇的時候，盡可能選擇代用通信功能的電子膨脹閥。

（4）四通換向閥。四通換向閥通過調(diào)整制冷劑的流向，轉(zhuǎn)換蒸發(fā)器和冷凝器的熱交換方向。四通換向閥主要有三個部分構(gòu)成：毛細(xì)管、四通氣動換向閥以及電磁換向閥。四通閥的驅(qū)動由控制閥完成，通過合理的對電磁圈的通斷，控制主閥的滑向滑塊，進(jìn)而完成制冷劑的換向。

2.5 實(shí)驗結(jié)果與分析

熱泵空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行的時候，壓縮機(jī)進(jìn)出口的位置分別為低壓側(cè)和高壓側(cè)，通過調(diào)整環(huán)境溫度，促進(jìn)壓縮機(jī)可以在不同的環(huán)境溫度下運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行的狀態(tài)穩(wěn)定后，取穩(wěn)定狀態(tài)下的平均壓力，如圖2 所示，系統(tǒng)高低壓側(cè)的壓力會隨著溫度的升高而升高，但是高低壓之間的壓差會維持一個穩(wěn)定的值。如果環(huán)境溫度為零度，空調(diào)系統(tǒng)啟動的時候，高低壓之間的溫度會產(chǎn)生瞬時的拜年話，高壓通常在200s 升至最大值，然后狀態(tài)穩(wěn)定，但是波動情況較為嚴(yán)重；系統(tǒng)啟動后，低壓會繼續(xù)下降，在200s 時壓力開始出現(xiàn)回升，最終達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，波動情況較為輕微。如圖3 所示，環(huán)境溫度相同，PTC 和熱泵消耗功率相等的時候，熱泵的制熱量明顯要大于PTC，而且，隨著溫度的不斷提高，熱泵的制熱量也會越大。通過對比分析得知，在不同溫度的環(huán)境下，PTC 的制熱效率始終保持在0.9 左右，而環(huán)境溫度為-5℃時，熱泵制熱效率就已經(jīng)達(dá)到1.55，環(huán)境溫度升到5℃時，熱泵制熱效率可以高達(dá)2.3。因此在應(yīng)用熱泵的時候，可以通過提高環(huán)境溫度，提高熱泵的制熱效率。


圖2 系統(tǒng)壓力與環(huán)境溫度的關(guān)系


圖3 熱泵制熱量與PTC 制熱量的對比

3 結(jié)語

總而言之，熱泵空調(diào)系統(tǒng)是由雙蒸發(fā)器電動空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展起來的，通過CAN 網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)空調(diào)控制器、壓縮機(jī)控制器之間的交互和互通，完成熱泵空調(diào)系統(tǒng)的有效控制。試驗證明，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用完全滿足既定要求