林洪良 南金瑞 喬名星 劉練

（北京理工大學(xué)北京電動(dòng)車(chē)輛協(xié)同創(chuàng)新中心 北京 100081）

電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)復(fù)合除霜特性的實(shí)驗(yàn)研究

林洪良 南金瑞 喬名星 劉練

（北京理工大學(xué)北京電動(dòng)車(chē)輛協(xié)同創(chuàng)新中心 北京 100081）

為了解決電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)在制熱過(guò)程中結(jié)霜導(dǎo)致制熱效率降低的問(wèn)題，本文在現(xiàn)有除霜方法所存在的缺陷的基礎(chǔ)上，提出了電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)復(fù)合除霜方法，所謂復(fù)合除霜方法就是在除霜開(kāi)始后，首先進(jìn)入旁通除霜階段，然后根據(jù)除霜狀態(tài)，適時(shí)進(jìn)入逆循環(huán)除霜階段。本文對(duì)一臺(tái)額定功率8.0 kW的電動(dòng)客車(chē)空調(diào)進(jìn)行改造，并在室外環(huán)境溫度（2±0.5）℃，相對(duì)濕度（80±5）%，車(chē)內(nèi)溫度為（20±0.5）℃的模擬環(huán)境條件下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)量壓縮機(jī)吸排氣壓力、室外換熱器溫度、室內(nèi)溫度與消耗功率隨時(shí)間的變化。結(jié)果表明：與逆循環(huán)除霜相比，復(fù)合除霜壓縮機(jī)吸、排氣壓力沖擊減小，室內(nèi)溫度波動(dòng)減小，能耗降低8.13%；與旁通除霜方法相比，除霜時(shí)間減少60 s，能耗降低6.56%。

除霜；熱泵；電動(dòng)汽車(chē)

不同于傳統(tǒng)燃油車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)沒(méi)有了發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水，制熱成為其面臨的一大問(wèn)題。目前，熱泵空調(diào)是電動(dòng)汽車(chē)制熱主要研究方向。熱泵型空調(diào)冬季制熱時(shí)，室外換熱器的盤(pán)管溫度總是低于周?chē)沫h(huán)境空氣溫度，當(dāng)盤(pán)管表面溫度低于環(huán)境空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中的水分會(huì)析出，換熱器的翅片表面會(huì)產(chǎn)生冷凝水。如果盤(pán)管溫度繼續(xù)下降到0℃以下，冷凝水就會(huì)凝結(jié)成霜附著在翅片上［1－4］。結(jié)霜會(huì)將翅片之間的間隙局部或全部阻塞，最終導(dǎo)致室外換熱器的換熱效率低下，甚至導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法繼續(xù)制熱，因此有必要改進(jìn)除霜技術(shù)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)熱泵除霜技術(shù)已有大量研究，黃東等［5－6］比較了熱氣旁通除霜和逆循環(huán)除霜在空氣?水源熱泵中的除霜效果，結(jié)果顯示熱氣旁通除霜時(shí)間更長(zhǎng)，但具有低噪聲、室內(nèi)溫度波動(dòng)小，沒(méi)有吹冷風(fēng)感等優(yōu)點(diǎn)。姚楊等［7］提出了相變儲(chǔ)能除霜方法，董建鍇等［8］又對(duì)其特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其除霜時(shí)間能縮短近60%。張杰等［9］對(duì)三種空氣源熱泵除霜方式的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，總結(jié)各自優(yōu)缺點(diǎn)。V.Payne等［10］通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了滾動(dòng)式壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)在空氣源熱泵除霜過(guò)程中的不同作用。H.Cho等［11］研究了壓縮機(jī)啟停除霜和熱氣旁通除霜在柜式制冷機(jī)中的不同應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，熱氣旁通除霜可有效提高制冷能力、降低溫度波動(dòng)，但會(huì)消耗更多的除霜能量。A.K.Adnan等［12］和 S.Jain等［13］分別設(shè)計(jì)了空氣源熱泵液體除濕系統(tǒng)，在防止結(jié)霜方面取得了良好的效果。

目前由于電動(dòng)汽車(chē)存在電池能量密度低的先天性弊端，所以電動(dòng)汽車(chē)對(duì)熱泵空調(diào)的除霜要求更高，要滿足其能耗要低、除霜速度快、舒適性好的需求。相變儲(chǔ)能除霜引入儲(chǔ)能部件，大大提高除霜速度，但由于其儲(chǔ)能效率原因?qū)е履芎倪^(guò)高；逆循環(huán)除霜利用逆卡諾循環(huán)達(dá)到除霜目的，但是機(jī)械沖擊大，且持續(xù)從車(chē)室內(nèi)吸取大量熱量，車(chē)內(nèi)溫度波動(dòng)較大；熱氣旁通除霜依靠壓縮機(jī)的蓄熱和功耗提供除霜熱量，由于吸氣溫度、壓縮機(jī)輸入功率的衰減以及吸、排氣壓力差較小都會(huì)導(dǎo)致排氣溫度在霜層融化階段不斷下降，使旁通除霜的后勁不足，除霜速度下降明顯［14－17］。

針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的需求結(jié)合逆循環(huán)除霜與熱氣旁通除霜兩者的優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種復(fù)合除霜的方案，就除霜時(shí)間、除霜效果及除霜能耗等與逆循環(huán)除霜、熱氣旁通除霜進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。

1 復(fù)合除霜原理及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 熱泵空調(diào)復(fù)合除霜系統(tǒng)原理

相對(duì)于傳統(tǒng)的逆循環(huán)除霜法與熱氣旁通除霜法，復(fù)合除霜系統(tǒng)結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，將兩種除霜方法整合在一套除霜系統(tǒng)中，系統(tǒng)原理如圖1所示。除霜開(kāi)始后，首先進(jìn)入旁通除霜模式，然后根據(jù)旁通除霜階段的動(dòng)態(tài)特性變化，選擇合理的時(shí)機(jī)切換到逆循環(huán)除霜模式，下面對(duì)復(fù)合除霜進(jìn)行具體分析。

圖1 復(fù)合除霜系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of composite defrosting system

1）熱氣旁通除霜階段

當(dāng)滿足除霜條件時(shí)，電磁閥打開(kāi)，四通換向閥沒(méi)有動(dòng)作，系統(tǒng)進(jìn)入旁通除霜狀態(tài)。首先，飽和蒸氣經(jīng)過(guò)氣液分離器，然后被壓縮機(jī)吸入變成高溫高壓的蒸氣，部分制冷劑通過(guò)旁通電磁閥節(jié)流后進(jìn)入室外換熱器，與換熱器內(nèi)部原來(lái)的兩相制冷劑混合，在壓縮機(jī)的連續(xù)抽吸作用下，流經(jīng)室外換熱器冷凝放熱融霜，再次回到氣液分離器中，準(zhǔn)備下一次循環(huán)。

熱氣旁通除霜依靠壓縮機(jī)的蓄熱和功耗提供除霜熱量，待儲(chǔ)熱耗盡就會(huì)出現(xiàn)能量不足、除霜緩慢的現(xiàn)象。復(fù)合除霜首先進(jìn)入熱氣旁通除霜是為了利用壓縮機(jī)的儲(chǔ)熱除霜，降低壓縮機(jī)吸、排氣壓力差，增加室外機(jī)溫度，減小室內(nèi)溫度波動(dòng)，為進(jìn)入下一階段除霜做好準(zhǔn)備，避免長(zhǎng)時(shí)間熱氣旁通除霜。

2）逆循環(huán)除霜階段

當(dāng)機(jī)組檢測(cè)到壓縮機(jī)輸入功率降低、排氣溫度下降、除霜速度下滑時(shí)，關(guān)閉電磁閥，動(dòng)作四通閥，進(jìn)入逆循環(huán)除霜狀態(tài)。車(chē)外換熱器便與車(chē)內(nèi)換熱器的功能對(duì)調(diào)，由蒸發(fā)器變成了冷凝器，而車(chē)內(nèi)換熱器由冷凝器變?yōu)檎舭l(fā)器，在此除霜狀態(tài)下，高溫排氣進(jìn)入室外翅片換熱器除霜，系統(tǒng)由原來(lái)的制熱狀態(tài)切換為制冷循環(huán)，所以制冷劑會(huì)從車(chē)室內(nèi)吸收熱量用于除霜。

由于前一階段的除霜基礎(chǔ)，在四通閥動(dòng)作時(shí)的機(jī)械沖擊大大減小，并且降低逆循環(huán)時(shí)間，減少?gòu)氖覂?nèi)吸取的能量，室內(nèi)溫度波動(dòng)會(huì)明顯改善。

3）除霜邏輯

對(duì)于除霜控制方法國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多研究，本實(shí)驗(yàn)采用工程中使用較多的溫度?時(shí)間控制方法。對(duì)于逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜，啟動(dòng)除霜的條件為：當(dāng)結(jié)霜導(dǎo)致機(jī)組的室外換熱器溫度低于－5℃時(shí)，啟動(dòng)除霜；終止除霜的條件為：當(dāng)室外換熱器的溫度達(dá)到30℃或者除霜運(yùn)行時(shí)間超過(guò)10 min時(shí)，終止除霜。在逆循環(huán)除霜過(guò)程中，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速選擇定轉(zhuǎn)速模式，轉(zhuǎn)速為1 500 r／min；在熱氣旁通除霜過(guò)程中，電磁閥開(kāi)度固定，將60%的熱量通過(guò)電磁閥流入室外換熱器，壓縮機(jī)為制熱邏輯下控制的轉(zhuǎn)速。為保證對(duì)比實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一性，在復(fù)合除霜過(guò)程中，起始條件、終止條件、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁閥開(kāi)度均與上述相同，當(dāng)室外換熱器溫度變化速率減低50%時(shí)，終止逆循環(huán)除霜模式，進(jìn)入熱氣旁通除霜模式。

1.2 復(fù)合除霜系統(tǒng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)、膨脹閥、電磁閥、四通換向閥和除霜控制系統(tǒng)組成，傳感器布置見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)空調(diào)系統(tǒng)如圖2所示，對(duì)比實(shí)驗(yàn)中四通閥和電磁閥的控制如表1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中制冷劑采用R410A，充注量10 kg，壓縮機(jī)額定輸入功率為8.97 kW，額定制熱量為25.36 kW，室內(nèi)風(fēng)機(jī)與室外風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量分別為4 000 m3／h和3 600 m3／h。實(shí)驗(yàn)中布置了壓力傳感器（量程為5.0 MPa，精度為±0.075Pa）、溫度傳感器（±0.1℃）、濕度傳感器（±1.0%）。測(cè)試時(shí)，模擬室外環(huán)境溫度（2±0.5）℃，相對(duì)濕度（80±5）%（通過(guò)加濕器提供蒸氣），除霜啟動(dòng)時(shí)，霜厚約為3 mm，車(chē)內(nèi)溫度為（20±0.5）℃。

表1除霜系統(tǒng)控制模式Tab.1 Defrosting system control modes

圖2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 The graph of experiment system

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 壓縮機(jī)吸排氣壓力變化

圖3壓縮機(jī)吸排氣壓力變化Fig.3 Variation of discharge and suction pressure for different defrost modes

壓縮機(jī)吸排氣壓力是評(píng)價(jià)熱泵除霜效果的重要參數(shù)。除霜從30 s處開(kāi)始，由圖3可知，對(duì)于逆循環(huán)除霜方案，在除霜開(kāi)始30 s內(nèi)，由于四通換向閥的跳轉(zhuǎn)，排氣壓力急劇下降0.7 MPa，吸氣壓力上升0.4 MPa，隨著除霜的進(jìn)行，在270 s結(jié)束時(shí)四通閥再次動(dòng)作，又出現(xiàn)壓力的劇烈波動(dòng)，形成較大的機(jī)械沖擊。熱氣旁通除霜吸排氣壓力波動(dòng)較小，但是，隨著除霜的進(jìn)行，壓差呈下降趨勢(shì)，對(duì)于霜層較厚處除霜速度明顯下降。然而對(duì)于復(fù)合除霜方式，由于機(jī)組首先進(jìn)入的是熱氣旁通除霜模式，所以壓縮機(jī)吸排氣壓力變化幅度小，當(dāng)運(yùn)行到120 s，熱氣旁通除霜出現(xiàn)除霜速率明顯下降時(shí)，開(kāi)啟逆循環(huán)除霜模式。由于前面的除霜結(jié)果，排氣壓力下降比逆循環(huán)除霜小0.3 MPa，吸氣壓力上升比逆循環(huán)除霜小0.2 MPa，在結(jié)束時(shí)的壓力波動(dòng)也明顯減小。

數(shù)據(jù)分析表明：復(fù)合除霜既不會(huì)出現(xiàn)壓力劇烈波動(dòng)，也不會(huì)隨著除霜的進(jìn)行速率下降。

2.2 室外換熱器與車(chē)內(nèi)溫度變化

圖4和圖5所示分別為室外換熱器的溫度變化與車(chē)室內(nèi)溫度變化曲線?？刂瞥K止的條件是室外機(jī)翅片表面最低溫度達(dá)到30℃，在逆循環(huán)除霜中，室外機(jī)溫度變化較快，在240 s時(shí)已經(jīng)達(dá)到30℃。由于溫度延遲、變化速度快，在270 s之前溫度仍有上升，但是由于逆循環(huán)除霜的原理是從室內(nèi)吸取熱量，所以在除霜期間會(huì)造成車(chē)室內(nèi)的溫度下降明顯，影響舒適性。對(duì)于熱氣旁通除霜，隨著除霜的進(jìn)行除霜速度明顯下降，在330 s左右才達(dá)到除霜要求，但在熱氣旁通除霜期間仍有從壓縮機(jī)排出進(jìn)入室內(nèi)的氣體，所以溫度下降不明顯。復(fù)合除霜首先進(jìn)入熱氣旁通除霜模式，在120 s左右進(jìn)入逆循環(huán)除霜模式，避免了長(zhǎng)時(shí)間逆循環(huán)除霜造成的車(chē)室內(nèi)溫度波動(dòng)較大的問(wèn)題，復(fù)合除霜在270 s左右達(dá)到30℃，與逆循環(huán)除霜相差小于30 s，且明顯優(yōu)于熱氣旁通除霜速度，避免了旁通除霜在除霜后期能量不足造成的除霜速度下降的問(wèn)題。

圖4 室外換熱器溫度變化Fig.4 Temperature variation of outdoor coil for different defrost modes

2.3輸入功率變化

圖6所示為不同除霜模式下的輸入功率變化。

圖5 車(chē)室內(nèi)溫度變化Fig.5 Variation of indoor temperature for different defrost modes

圖6 輸入功率變化Fig.6 Input power variation for different defrost modes

根據(jù)壓縮機(jī)的理論輸入功率公式，

式中：Wcomp為壓縮機(jī)理論輸入功率，kW；Mm為壓縮機(jī)質(zhì)量流量，kg／s；k為多變指數(shù)，一般取1.277 5；ps為壓縮機(jī)吸氣壓力，Pa；vs為壓縮機(jī)的吸氣比容，m3／kg；pd為壓縮機(jī)排氣壓力，Pa。

逆循環(huán)除霜由于在進(jìn)入除霜時(shí)調(diào)節(jié)四通閥，壓縮機(jī)暫時(shí)停機(jī)，所以功率很低。然后開(kāi)啟壓縮機(jī)，功率迅速回升，在除霜結(jié)束時(shí)也要調(diào)節(jié)四通閥，其在除霜期間所消耗的能量全部用來(lái)除霜，且從車(chē)室內(nèi)吸收大量熱量。在熱氣旁通除霜時(shí)，輸入功率呈下降趨勢(shì)，是因?yàn)闆](méi)有吸收外部熱量，只依靠壓縮機(jī)的能量，流回氣液分離器中的液體增加，制冷劑流量減少。從上式可知壓縮機(jī)的輸入功率與制冷劑流量呈正比，所以除霜速度明顯下降。復(fù)合除霜也會(huì)出現(xiàn)四通閥跳轉(zhuǎn)，但時(shí)間很短，對(duì)整體耗功率影響不大，所以除霜速度快，部分熱量流入室內(nèi)換熱器中，室內(nèi)溫度波動(dòng)小。計(jì)算除霜所消耗能量為：

式中：Pd為除霜功率，s，W；t為除霜時(shí)間，s；Qi為傳入室內(nèi)的熱量，J。

逆循環(huán)除霜Qi＝0，對(duì)于旁通除霜與復(fù)合除霜：

式中：Ph為車(chē)室熱負(fù)荷，W；th為旁通除霜階段時(shí)間，s；c為室內(nèi)空氣比熱容，J／（kg·℃）；m為空氣總質(zhì)量，kg；ΔT為旁通除霜階段溫度變化，℃；η為制熱能效比。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由表2計(jì)算數(shù)據(jù)可知復(fù)合除霜比熱氣旁通除霜節(jié)能6.56%，比逆循環(huán)除霜節(jié)能8.13%。

表2除霜能耗Tab.2 Energy consumption for different defrost modes

3 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有除霜技術(shù)的不足，提出了復(fù)合除霜方案，搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬室外環(huán)境溫度（2±0.5）℃，相對(duì)濕度（80±5）%，除霜啟動(dòng)時(shí)，霜厚約為3 mm，車(chē)內(nèi)溫度為（20±0.5）℃，進(jìn)行復(fù)合除霜、熱氣旁通除霜與逆循環(huán)除霜對(duì)比除霜實(shí)驗(yàn)，分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

1）復(fù)合除霜方式結(jié)合了熱氣旁通除霜及逆循環(huán)除霜的各自特點(diǎn)，不僅可以減少單獨(dú)逆循環(huán)除霜造成供熱溫度的波動(dòng)，也可以避免單獨(dú)旁通除霜所造成的除霜后勁不足的缺點(diǎn)，提高除霜速度。

2）在除霜過(guò)程中，可以根據(jù)旁通除霜階段的化霜狀況，選擇合適的時(shí)機(jī)切換到逆循環(huán)除霜模式，充分利用了壓縮機(jī)的蓄熱。利用電磁閥可以進(jìn)一步減少除霜過(guò)程中的功耗損失，比旁通除霜節(jié)能6.56%，比逆循環(huán)除霜節(jié)能8.13%。

3）在除霜過(guò)程中，復(fù)合除霜方式的四通閥換向次數(shù)與逆循環(huán)除霜方式相同，但機(jī)組的壓力波動(dòng)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于逆循環(huán)除霜方式，因此產(chǎn)生的機(jī)械沖擊要小得多，有利于延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。

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Experimental Study of the Characteristic of Composite Defrosting for Heat Pump Air Conditioner of Electric Vehicle

Lin Hongliang Nan Jinrui Qiao Mingxing Liu Lian

（Beijing Institute of Technology，Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles，Beijing，100081，China）

To solve the problem that frosting leads to lower efficiency of the heat pump air conditioner for electric vehicle in the heating process，a new method of composite defrosting is proposed after analyzing the deficiency of the existing defrosting method.At the beginning of the defrosting，firstlyenter the bypass defrost stage.Then reverse cycle defrost stagetimelyaccording to the defrost state.An electric bus air conditioning system with a rated power 8.0 kW was transformed，and the comparative test was carried out in the simulated environment of the outdoor at（2±0.5）℃，the indoor at（20±0.5）℃ and the relative humidity of（80±5）%.The change of the compressor suc?tion and discharge pressure，the outdoor heat exchanger temperature，indoor temperature and power consumption were measured.The ex?perimental results indicated that，compared with the method of reverse cycle defrosting，the compressor shock of discharge and suction was reduced，the fluctuation of indoor temperature was decreased and energy consumption decreased by 8.13%；compared with the method of hot－gas bypass defrosting，the time of defrosting was decreased by 60 s and energy consumption decreased by 6.56%.

defrosting；heat pump；electric vehicle

TU831.6；U469.72；U463.85＋1

A

0253－4339（2017）01－0029－05

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.01.029

2016年3月17日

南金瑞，男，副教授，博士，北京理工大學(xué)，北京電動(dòng)車(chē)輛協(xié)同創(chuàng)新中心，13240946922，E?mail：nanjinrui＠bit.edu.cn。研究方向：車(chē)載總線、汽車(chē)電子、新能源車(chē)輛整車(chē)控制技術(shù)、電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)及能量管理技術(shù)等。

About the author

Nan Jinrui，male，Ph.D.／professor，Beijing Institute of Tech?nology，Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing，＋86 13240946922，E?mail：nanjinrui＠bit.edu.cn. Research fields：vehicle bus，auto electronics，control technology of new energy vehicles，electric air conditioning system and ener?gy management technology.