电动汽车热泵空调除湿加热性能与控制方法试验验研究.pdf
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1、第2 3卷 第9期2023年9月R E F R I G E R A T I ONAN DA I R-C ON D I T I ON I N G7 2-7 5*基金项目:上海市浦东新区科技发展基金产学研专项(P K X 2 0 1 9-R 1 5)收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 5,修回日期:2 0 2 2-0 6-1 3作者简介:吴靖,博士,主要从事新能源汽车热管理系统开发。电动汽车热泵空调除湿加热性能与控制方法试验验研究*吴靖 陈海涛 竺烨桢 张昊(上海爱斯达克汽车空调系统有限公司)摘 要 热泵空调系统的除湿加热性能以及控制方法与传统燃油车或采用电加热的新能源汽车有显著差异。文章设计并
2、搭建了一套具有两种不同除湿模式的电动汽车热泵空调系统,通过台架试验研究了不同工况下的除湿加热性能,并分析总结了热泵空调系统的除湿加热控制方法。结果表明,双蒸除湿模式的制热能力和制热能效均高于单蒸除湿模式,但除湿能力低于后者。在较低的环境温度下更适合采用双蒸除湿模式,而在较高温度下更适合采用单蒸模式。增大空调箱风量可以有效提高除湿能力和制热能效。无法通过控制温度风门来有效控制热泵除湿的出风温度。关键词 电动汽车;热泵;除湿;制热;控制方法E x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o no f e l e c t r i cv e h i c l
3、eh e a tp u m pd e h u m i d i f i c a t i o n&h e a t i n gp e r f o r m a n c ea n dc o n t r o lm e t h o dWuJ i n g C h e nH a i t a o Z h uY e z h e n Z h a n gH a o(S h a n g h a iS D AA CA u t o m o t i v eA i r-c o n d i t i o n i n gS y s t e m sC o.,L t d.)A B S T R A C T T h ed e h u m i
4、d i f i c a t i o n&h e a t i n gp e r f o r m a n c e a n dc o n t r o lm e t h o do f a na u t o-m o t i v eh e a tp u m pa i r c o n d i t i o n i n gs y s t e ma r e s i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n t f r o mt h o s eo f c o n v e n-t i o n a l v e h i c l e so rn e we n e r g yv e h i c
5、 l e su s i n gp u r e l ye l e c t r i ch e a t i n g.I nt h i sp a p e r,a ne l e c-t r i cv e h i c l eh e a tp u m pa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m w i t ht w od i f f e r e n td e h u m i d i f i c a t i o nm o d e si sd e s i g n e da n db u i l t,t h ed e h u m i d i f i c a t i o n&h
6、 e a t i n gp e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i-t i o n s i ss t u d i e dt h r o u g hb e n c ht e s t s,a n dt h ed e h u m i d i f i c a t i o n&h e a t i n gc o n t r o lm e t h o do f t h eh e a tp u m pa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi sa n a l y z e da n ds u mm a
7、r i z e d.T e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h eh e a t i n gc a p a c i t ya n de n e r g ye f f i c i e n c yo ft h ed u a l-e v a p o r a t o rd e h u m i d i f i c a t i o nm o d ea r eh i g h e r t h a n t h o s eo f t h e s i n g l e-e v a p o r a t o rm o d e,b u t t h ed e h u m i d i f i c
8、 a t i o nc a p a c-i t y i s l o w e r t h a n t h e l a t t e r.T h ed u a l-e v a p o r a t o rm o d ed e h u m i d i f i c a t i o nm o d e i sm o r e s u i t-a b l ea t l o w e r t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n,w h i l e t h es i n g l e-e v a p o r a t o rm o d e i sm o r es u i t a b l
9、 ea th i g h e r t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n.I n c r e a s i n gt h ea i r f l o wr a t et h r o u g hHVA Cm o d u l ec a ne f-f e c t i v e l yi m p r o v e t h e d e h u m i d i f i c a t i o n c a p a c i t y a n d h e a t i n g e n e r g y e f f i c i e n c y.T h ed i s c h a r g ea i
10、 r t e m p e r a t u r ec a n n o tb ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e db yc o n t r o l l i n gt h et e m p e r a t u r ed o o ra th e a tp u m pd e h u m i d i f i c a t i o np r o c e s s.K E Y WO R D S e l e c t r i cv e h i c l e;h e a tp u m p;d e h u m i d i f i c a t i o n;h e a t i n
11、g;c o n t r o lm e t h o d 汽车空调作为汽车的重要子系统之一,主要作用为控制和调节乘员舱内空气的温度、湿度、流量和清洁度。其中,对湿度的调节一是为了使空气湿度保持在舒适范围,二是为了避免车窗玻璃起雾影响驾驶员视线。汽车空调的除湿过程为首先使外界环境中的湿空气流过蒸发器,水蒸气在 第9期吴靖 等:电动汽车热泵空调除湿加热性能与控制方法试验验研究7 3 蒸发器表面凝结并排出,然后使流过蒸发器的空气再经过加热器加热到合适的温度从空调箱进入乘员舱,因此除湿功能实际上包括了除湿和加热两个过程1-2。不同于传统燃油车,电动汽车的能量基本都来自动力电池,因此,在冬季加热需求高时严重
12、影响续航里程3-4。热泵空调技术由于具有显著高于电加热的加热能效,近年来在新能源汽车上逐渐得到广泛应用5-6。针对热泵除湿的功能,程恰等7设计了具有两种不同除湿模式的热泵系统,并提出了更加节能高效的运行策略。电装公司8开发的热泵系统可以通过控制车外换热器内制冷剂压力来实现对除湿能力的有效调节。任学铭等9通过试验研究了除湿模式、压缩机转速和电子膨胀阀开度对除湿性能的影响。AHN等1 0提出了一种双蒸发器的热泵空调系统,实验结果表明该系统除湿和加热能力均优于单蒸发器的热泵系统。1 试验装置和方法1.1 试验装置文章设计的热泵空调系统如图1所示。该系统主要由电动压缩机、空调箱(包含蒸发器、车内冷凝器
13、、鼓风机、温度风门等)、车外换热器、气液图1 热泵空调系统架构图分离器、电子膨胀阀、带截止功能的热力膨胀阀、截止阀、制冷剂三通阀以及冷凝风扇等组成。该系统可以实现两种热泵除湿模式。当系统处于单蒸除湿模式时,从压缩机出来的高温高压气态制冷剂通过车内冷凝器加热车厢空气,然后经过截止阀进入蒸发器蒸发吸热从而对流经蒸发器的湿空气进行冷凝除湿,最后经过气液分离器返回压缩机。当系统处于双蒸除湿模式时,从车内冷凝器出来的液态制冷剂分为两路,一路同单蒸模式一样进入蒸发器,另一路则经过电子膨胀阀节流降压后进入车外换热器吸收环境热量,两路制冷剂汇合后经过气液分离器返回压缩机。参照电动汽车实车标准搭建热泵空调系统台
14、架(图1),将台架置于环境气候仓中进行测试。该环境仓可模拟-2 0至6 0的环境温度,同时在0以上环境下可在3 0%9 5%的范围内任意调节相对湿度。系统台架的主要零部件特征和参数如表1所示。表1 主要零部件参数零部件特征和参数电动压缩机涡旋式,排量3 3c m3/r,转速调节范围为8 0 086 0 0r/m i n车外换热器平行流换热器,3流程,6 4 5mm(宽)3 7 3mm(高)2 0mm(厚)车内冷凝器平行流换热器,双 排2流 程,1 7 0 mm(宽)2 1 2mm(高)2 8mm(厚)蒸发器平行流换热器,双 排4流 程,2 7 6 mm(宽)2 5 2mm(高)3 8mm(厚)
15、电子膨胀阀额定制冷量7k W,开度调节范围05 7 6步,开阀脉冲3 8步热力膨胀阀额定制冷量3.5k W制冷剂R 1 3 4 a,0.9k g压缩机转速和电子膨胀阀开度采用某公司的C AN a l y z e r控制盒进行控制,其余电气部分由自制控制器进行控制。在试验台架上通过T型热电偶测量制冷剂和风侧温度,精度为0.5;采用压阻式压力传感器测量制冷剂侧压力,测量精度为 1 0k P a;使用电压表与电流表测量压缩机的运行电压与电流来计算压缩机功耗,测量不确定度为1%。所有测量数据通过数据采集仪连接至电脑进行记录。1.2 试验方法试验方法为首先开启环境气候仓机组至设定的环境温度和湿度条件,然
16、后由热泵控制系统控制各电气零件至设定的参数进行除湿操作,待系统达到稳态后记录相关数据。考虑到不同环境温 7 4 第2 3卷 度条件下空气的含湿量以及乘员舱的制热需求差异较大,文章研究了环境温度分别为5 和1 5 条件下不同压缩机转速、电子膨胀阀开度以及风量对除湿性能的影响,测试工况如表2所示。表2 试验工况项目参数环境温度/5、1 5环境湿度/%9 0压缩机转速/(r/m i n)10 0 0、20 0 0、30 0 0空调箱风量/(m3/h)3 6 1、2 4 3、1 6 7车外换热器风量/(m3/h)20 0 0试验中系统的除湿率通过根据公式(1)计算得到,系统的总体制热量由公式(2)计算
17、得到,制热效率C O P(C o e f f i c i e n to fP e r f o r m a n c e)由公式(3)计算得到。ME R=qa(de v a,i n-de v a,o u t)(1)Qh=qa(hc o n d,o u t-he v a,i n)/36 0 0(2)C O P=Qh/Wc m p(3)式(1)式(3)中:ME R为除湿率(g/h);qa为空气的质量流量(k g/h);de v a,i n和de v a,o u t分别为蒸发器入口和出口空气的含湿量(g/k g);hc o n d,o u t和he v a,i n分别为车内冷凝器出口和蒸发器入口的空气比
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