電動汽車用余熱回收型熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實驗研究

李杰

(艾泰斯熱系統(tǒng)研發(fā)(上海)有限公司,上海 201108)

當(dāng)今社會日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源危機已成全球性難題,傳統(tǒng)燃油車由于尾氣排放污染、油耗能耗高等弊端成為了社會關(guān)注的焦點。在目前能源與環(huán)保的雙重壓力下,內(nèi)燃機時代將在不遠(yuǎn)的未來被終結(jié),新能源汽車的開發(fā)與投放已是大勢所趨,也必將成為未來汽車的發(fā)展主流與方向[1]。

新能源汽車包括四大類型：混合動力電動汽車HEV、純電動汽車BEV、燃料電池電動汽車FCEV、其它新源(如超級電容器、飛輪等高效儲能器)汽車等。其中,純電動汽車BEV 以動力電池或太陽能為能量來源,相比于燃油汽車,取消了燃油發(fā)動機,因此乘客艙的加熱升溫?zé)o法再依靠發(fā)動機熱水,而是需要依靠基于“逆卡諾循環(huán)”的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。但另一方面,由于動力電池能量密度、體積、重量等方面的局限性,使得空調(diào)系統(tǒng)的能耗占比達(dá)到了電池容量的近20%,因此以高續(xù)航為追求目標(biāo)的電動車也必將對車用空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計匹配及優(yōu)化提出更高的要求[2]。

純電動汽車乘員艙空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時,通常夏季采用制冷劑蒸發(fā)吸熱實現(xiàn)制冷,冬季采用空氣或水PTC 輔助加熱實現(xiàn)制熱。但通過對比單PTC 加熱法、電機冷卻液余熱+PTC 加熱法與熱泵式制熱法發(fā)現(xiàn),單PTC 輔助加熱的方式能耗高、效率低,嚴(yán)重地降低了純電動汽車在冬季的續(xù)航里程[3]。

在動力電池沒有突破性進展的情況下要保證低能耗制熱,熱泵空調(diào)技術(shù)是為數(shù)不多的可行技術(shù),效能系數(shù)比PTC 加熱高出2-3 倍,越來越被認(rèn)為是純電動汽車制熱的有效解決方案。

Hosoz M.[4]研究了以R134a 為制冷劑的車用空氣源熱泵系統(tǒng),其發(fā)現(xiàn)非低溫的環(huán)溫時,熱泵系統(tǒng)能提供足夠熱量且COP較高,但環(huán)溫越低時制熱量急速下降。李海軍[5]為解決低溫下電動車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機排氣溫度過高及制熱性能衰減的問題,設(shè)計了一種混氣型熱泵空調(diào)系統(tǒng),通過數(shù)學(xué)建模與實驗驗證,證明了其有效性。彭發(fā)展[6]研究了制熱模式下不同的環(huán)境溫度和壓縮機轉(zhuǎn)速對車內(nèi)溫度、高壓管路內(nèi)部工質(zhì)的溫度和壓力、系統(tǒng)能效比等參數(shù)的影響,為解決電動車冬季制熱能耗高的問題提供了參考。

劉旗[7]設(shè)計了一種低溫?zé)岜孟到y(tǒng),可將熱泵空調(diào)的使用范圍拓展到-25℃,有效提升低溫下電動車的續(xù)航里程。許樹學(xué)[8]提出準(zhǔn)二級壓縮- 噴射熱泵系統(tǒng),在環(huán)溫-20℃條件下的制熱量與能效比,較普通補氣系統(tǒng)均有明顯提高。這些研究對電動車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的方案設(shè)計、匹配優(yōu)化及發(fā)展方向等,起到了指導(dǎo)性的作用。但不得不說這些內(nèi)容更多側(cè)重于空調(diào)系統(tǒng)制冷劑回路的研究,并沒有考慮整車熱量的綜合分配利用,實現(xiàn)整車熱管理系統(tǒng)冷卻液回路、制冷劑回路和空氣側(cè)回路的有機結(jié)合。

本文在總結(jié)國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種余熱回收型熱泵空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過冷卻液回路和制冷劑回路的合理設(shè)計,將電池、電機和電控系統(tǒng)的熱量與乘客艙的采暖需求匹配耦合,實現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)不同模式在不同環(huán)境溫度下的余熱回收。本文搭建了實車管路狀態(tài)的系統(tǒng)臺架,并通過實驗設(shè)計對該系統(tǒng)進行了性能測試,最終將實驗結(jié)果與無余熱回收功能的電動汽車用空調(diào)系統(tǒng)進行對比。

1 余熱回收熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

基于普通電動汽車的空調(diào)系統(tǒng),其制冷模式、除霧模式和制熱模式的系統(tǒng)架構(gòu)。其中制冷模式與傳統(tǒng)燃油車制冷類似,利用壓縮機的蒸氣壓縮循環(huán)使制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱,達(dá)到乘客艙制冷的效果；制熱模式需要利用高壓電加熱器PTC,額外將電能轉(zhuǎn)換成熱能,達(dá)到乘客艙制熱的效果；除霧模式則是制冷模式和制熱模式的結(jié)合,蒸發(fā)器負(fù)責(zé)制冷除濕,PTC 負(fù)責(zé)加熱回溫提高乘客艙的送風(fēng)溫度。

1.2 余熱回收型空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

空調(diào)系統(tǒng)中的空調(diào)箱HVAC 增加內(nèi)置冷凝器,用于熱泵制熱循環(huán),可利用制冷劑在內(nèi)部冷凝器內(nèi)冷凝放熱實現(xiàn)乘客艙加熱。此時系統(tǒng)制熱量等于外部換熱器的吸熱量加上壓縮機耗功,制熱COP 大于1,可有效降低采暖能耗。另外,內(nèi)置冷凝器僅用于制熱的功用,實現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)中制冷/制熱換熱器的分離。因為在傳統(tǒng)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中制冷/制熱共用換熱器,依靠四通換向閥切換散熱與吸熱,制冷模式切換為制熱模式時,空調(diào)箱內(nèi)部換熱器表面的冷凝水會急速蒸發(fā)霧化在前擋風(fēng)玻璃上,嚴(yán)重影響行車安全。

此系統(tǒng)中制冷模式的運行與基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)的類似,利用壓縮機的蒸氣壓縮循環(huán)使制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱,達(dá)到乘客艙制冷的效果。然而余熱回收型熱泵的除霧模式大大區(qū)別于基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)的除霧模式,進入空調(diào)箱的空氣被蒸發(fā)器制冷除濕后,可利用內(nèi)部冷凝器的冷凝熱加熱回溫,此時空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱取代了高壓PTC 的電加熱功率,在該模式下可極大的削減空調(diào)系統(tǒng)的能耗,實現(xiàn)節(jié)能高效運行。

此外,制熱模式的余熱回收方式包含間接余熱回收和直接余熱回收。間接余熱回收電機電池冷卻液回路通過低溫水箱LTR 將熱量釋放到環(huán)境中,提升室外換熱器的空氣側(cè)進風(fēng)溫度；直接余熱回收電機電池冷卻液回路的熱量被chiller 吸收,改善了低溫?zé)嵩?。因此?dāng)電機電池冷卻液回路的溫度高于環(huán)境溫度時,可利用該部分冷卻液的熱量有效提升熱泵空調(diào)的蒸發(fā)壓力,改善系統(tǒng)制熱效率。

2 余熱回收熱泵空調(diào)系統(tǒng)實驗

2.1 實驗裝置與條件

根據(jù)理論計算、模擬分析、單零件性能測試等環(huán)節(jié)后,搭建了電動車用余熱回收熱泵系統(tǒng)的實車管路狀態(tài)的實物臺架。關(guān)鍵零部件參數(shù)如表1。

表1 關(guān)鍵零部件參數(shù)

圖1 臺架實驗- 余熱回收熱泵空調(diào)系統(tǒng)

將實車管路狀態(tài)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)臺架置于在汽車空調(diào)用焓差實驗室進行性能測試。實驗測試方法與數(shù)據(jù)處理方法,均按照QC/T 657-2000 汽車空調(diào)制冷裝置實驗方法和QC/T 656-2000 汽車空調(diào)制冷裝置性能要求來進行。實驗工況設(shè)定,主要針對低溫環(huán)境下電動車乘員艙的采暖需求,具體參數(shù)詳見表2。

表2 實驗工況

2.2 實驗結(jié)果與分析

2.2.1 除霧模式能耗分析

如圖2 所示,不同環(huán)境溫度下,電動壓縮機轉(zhuǎn)速維持1000r/min,以相同出風(fēng)溫度為前提,余熱回收熱泵空調(diào)系統(tǒng)相較于基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng),其能耗降低80%以上。其主要原因是除霧模式時,將蒸發(fā)器出口的低溫空氣加熱回溫需要極大熱量,如圖2 所示：環(huán)溫22℃時,空調(diào)箱出風(fēng)溫度達(dá)到30℃時,基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機功耗加上加熱回溫PTC 電功率共2328W,而余熱回收型熱泵系統(tǒng)利用冷凝熱加熱回溫,該模式下只需耗功245W,可節(jié)能89%；以此類推,環(huán)溫12℃時,余熱回收型熱泵系統(tǒng)可節(jié)能88%；環(huán)溫2℃時,可節(jié)能86%,此時空調(diào)箱出風(fēng)溫度19℃,若余熱回收型熱泵系統(tǒng)通過提高壓縮機轉(zhuǎn)速滿足乘客艙更高的出風(fēng)溫度需求,相較于基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)將產(chǎn)生更大的節(jié)能效果。

圖2 除霧模式空調(diào)系統(tǒng)功耗

2.2.2 制熱模式能耗分析

不同環(huán)境溫度下,基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)中制熱模式純PTC 采暖和余熱回收型熱泵系統(tǒng)基礎(chǔ)熱泵制熱的采暖能耗對比如圖3 所示。從圖3 中可見,基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)運行制熱模式時,其空調(diào)系統(tǒng)能耗遠(yuǎn)高于余熱回收型熱泵系統(tǒng)能耗,熱泵采暖能耗可節(jié)能54%以上。如圖所示,環(huán)境溫度2℃時,維持空調(diào)箱出風(fēng)溫度45℃,基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)PTC 功耗2530W,而余熱回收型熱泵基礎(chǔ)熱泵功耗僅520W,節(jié)能比例79%。

圖3 基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)和熱泵基礎(chǔ)制熱能耗對比

不同環(huán)境溫度下,余熱回收型熱泵系統(tǒng)中,可采用的不同余熱回收方式能耗對比如圖4 所示。從圖4 中可見,隨著環(huán)境溫度的下降,同種余熱回收方式的節(jié)能比例略有提升,其中直接余熱回收的節(jié)能百分比從環(huán)溫2℃時的12%升高到環(huán)溫-10℃時的19%,主要原因是余熱回收對吸氣壓力的改善在更低的環(huán)境溫度下影響更顯著。

此外,對比相同環(huán)境溫度下,不同余熱回收方式的能耗對比,直接余熱回收的效果明顯優(yōu)于間接余熱回收。環(huán)溫-10℃時,維持出風(fēng)溫度45℃,基礎(chǔ)熱泵采暖能耗1300W,采用間接余熱回收方式能耗1200,可節(jié)能8%,而采用直接余熱回收方式時,能耗降低至1050W,節(jié)能比例增到19%。

3 結(jié)論

本文設(shè)計開發(fā)了一種具有余熱回收功能的電動車用熱泵空調(diào)系統(tǒng),并通過實車管路狀態(tài)的系統(tǒng)臺架的搭建與實驗研究,得到了以下結(jié)論：

圖4 不同余熱回收方式能耗對比

3.1 相較于基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)除霧模式采用PTC 加熱回溫,余熱回收熱泵系統(tǒng)利用冷凝熱量來替代,可顯著降低系統(tǒng)除霧模式的功耗,提升電動車?yán)m(xù)航里程。

3.2 運行制熱模式時,余熱回收型熱泵空調(diào)系統(tǒng)的采暖功耗可縮減一半以上,且采用直接余熱回收的節(jié)能效果明顯優(yōu)于間接余熱回收。