電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)環(huán)境風(fēng)洞結(jié)霜試驗(yàn)研究分析

中國汽研環(huán)境風(fēng)洞低溫控濕功能已正式上線，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異，滿足低溫控濕試驗(yàn)要求。本期介紹電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)環(huán)境風(fēng)洞結(jié)霜試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：在不同溫度相同高濕環(huán)境下，外蒸發(fā)器很快出現(xiàn)結(jié)霜，結(jié)霜后熱泵系統(tǒng)COP 逐漸降低，全程需要開啟 PTC 補(bǔ)熱；而在不同濕度相同溫度環(huán)境下，低濕工況不會(huì)結(jié)霜，高濕工況則因?yàn)榻Y(jié)霜其總功率高出低濕工況 200W-300W 左右，高濕工況COP比不結(jié)霜工況 COP 低0.5。

1.研究背景

近年來，國內(nèi)外新能源車發(fā)展迅猛，常規(guī)電動(dòng)汽車采用PTC加熱實(shí)現(xiàn)冬季采暖，但因消耗大量電能導(dǎo)致冬季續(xù)航大幅削減，低溫下甚至降低 20%以上。隨著新能源車的快速發(fā)展，一些新技術(shù)也開始應(yīng)用到新能源車上，比如采用熱泵空調(diào)替代PTC制熱正在各主機(jī)廠推廣應(yīng)用，熱泵系統(tǒng)COP大于1使其成為可行的替代方案。但熱泵系統(tǒng)應(yīng)用也存在一些問題，比如熱泵在低溫高濕環(huán)境采暖運(yùn)行時(shí)，車外換熱器外表面易結(jié)霜，阻礙冷媒與外界的有效熱交換，換熱效率顯著下降。如何減少熱泵空調(diào)冬季采暖結(jié)霜及快速除霜、提高舒適性、降低冬季采暖能耗等是主機(jī)廠及零部件廠家需持續(xù)研究的共性課題。本文在環(huán)境風(fēng)洞進(jìn)行了電動(dòng)車熱泵結(jié)霜實(shí)驗(yàn)，分別研究了不同溫度、不同濕度熱泵結(jié)霜性能。

2.試驗(yàn)設(shè)備和方法

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2.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在中國汽研汽車環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，原理如圖1所示。

圖1? ?汽車環(huán)境風(fēng)洞

圖1中：101—拐角1；102—拐角2；103—拐角3；104—拐角4；105—噴口；106—駐室；107—保溫倉板；108—收集口；109—履帶式轉(zhuǎn)鼓地坑蓋板；110—轉(zhuǎn)鼓；111—轉(zhuǎn)鼓地坑；112—主風(fēng)機(jī)；113—主換熱器。

中國汽研環(huán)境風(fēng)洞具有低溫控濕功能，也即在-40℃—5℃也可將濕度控制在5%—95%，良好的低溫控濕功能可為需要低溫控濕的汽車整車及零部件企業(yè)提供高質(zhì)量試驗(yàn)服務(wù)。

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2.2試驗(yàn)方法

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Qu Xiaohua等研究表明[1]，外蒸發(fā)器易在高濕、非極低外界溫度、低風(fēng)速下結(jié)霜。本文選取如下圖所示的實(shí)驗(yàn)工況，實(shí)驗(yàn)開始前需在環(huán)境風(fēng)洞溫度、濕度穩(wěn)定后打開車門，環(huán)境風(fēng)洞風(fēng)速設(shè)為30km/h，浸車一段時(shí)間，使得乘員倉內(nèi)的溫濕度與環(huán)境溫濕度一致，正式實(shí)驗(yàn)后車輛空調(diào)模式設(shè)為自動(dòng)模式，設(shè)定溫度24℃。實(shí)驗(yàn)中采用數(shù)采儀實(shí)時(shí)采集各溫度、壓力、電流、電壓等信號(hào)。實(shí)驗(yàn)過程采用安裝在外蒸發(fā)器前的高清攝像頭實(shí)時(shí)拍攝外蒸發(fā)器結(jié)霜過程。

圖2? 實(shí)驗(yàn)工況

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3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

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3.1相同環(huán)境濕度、不同環(huán)境溫度對(duì)比試驗(yàn)研究??

3.1.1 不同環(huán)境溫度結(jié)霜過程對(duì)比

試驗(yàn)時(shí)選取相同的環(huán)境濕度（90%），不同的環(huán)境溫度，即分別選取-5℃、0℃、2℃作為環(huán)境條件，車速和風(fēng)速都一致，選取30km/h。試驗(yàn)過程實(shí)時(shí)拍攝外蒸發(fā)器結(jié)霜情況，3種不同溫度下的結(jié)霜情況如下圖所示。

（a）-5℃, 90%結(jié)霜過程? ?

(b)0℃，90%結(jié)霜過程

(c) 2℃，90%結(jié)霜過程

圖3? 不同環(huán)境溫度結(jié)霜過程

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由圖可知，在低溫高濕環(huán)境下，熱泵系統(tǒng)外蒸發(fā)器很快出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，基本4分鐘以內(nèi)開始掛霜，且越積越厚，各工況下都沒有除霜控制。

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3.1.2不同環(huán)境溫度舒適性對(duì)比

采暖試驗(yàn)舒適性評(píng)判通常包括呼吸點(diǎn)溫度，腳部溫度，吹腳出風(fēng)口溫度。圖下所示為不同環(huán)境溫度舒適性對(duì)比。

圖4? ?不同環(huán)境溫度舒適性對(duì)比圖

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由圖可知，該電動(dòng)車在低溫（-5℃，0℃，2℃）高濕（90%）環(huán)境下，呼吸點(diǎn)溫度偏低，比設(shè)定溫度低4℃左右，原因是低溫高濕環(huán)境下外蒸發(fā)器結(jié)霜嚴(yán)重，熱泵效率變低，放熱變少，雖PTC全程參與補(bǔ)熱，但補(bǔ)熱不夠。

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3.1.3 不同環(huán)境溫度能耗對(duì)比

熱泵空調(diào)系統(tǒng)冬季采暖時(shí)主要能耗包括壓縮機(jī)電機(jī)能耗、風(fēng)暖PTC能耗。能耗及COP對(duì)比如下圖所示。

圖5? ?不同環(huán)境溫度能耗對(duì)比

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由圖可知，熱泵系統(tǒng)在低溫（-5℃，0℃，2℃）高濕（90%）環(huán)境下，外蒸發(fā)器結(jié)霜嚴(yán)重，外蒸發(fā)器吸熱變差，為了維持蒸發(fā)器一定過熱度，必須減小膨脹閥開度，導(dǎo)致冷媒質(zhì)量流量減小，各工況壓縮機(jī)功率逐漸降低，熱泵產(chǎn)熱也較少，各工況全程需開啟PTC補(bǔ)熱。同時(shí)，結(jié)霜后，壓縮機(jī)吸氣壓力降低，壓比增大，熱泵系統(tǒng)的COP逐漸減小。

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3.2 相同環(huán)境溫度、不同環(huán)境濕度對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究??

3.2.1 不同環(huán)境濕度舒適性對(duì)比

試驗(yàn)時(shí)選取相同的環(huán)境溫度（2℃），不同的環(huán)境濕度，即分別選取30%、60%、90%作為環(huán)境條件，車速和風(fēng)速都一致，選取30km/h。實(shí)驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)30%與60%均不結(jié)霜，90%結(jié)霜情況如圖3（c）所示。下圖所示為不同環(huán)境溫度舒適性對(duì)比。

圖6? ?不同環(huán)境濕度舒適性對(duì)比圖

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由圖可知，該電動(dòng)車低溫環(huán)境（2℃）呼吸點(diǎn)溫度偏低的原因?yàn)椋?0%，60%工況雖未結(jié)霜，但壓縮機(jī)功率較低，熱泵放熱量偏小，PTC又未參與補(bǔ)熱，而90%工況已經(jīng)嚴(yán)重結(jié)霜，熱泵放熱量較小，PTC雖參與補(bǔ)熱，但補(bǔ)熱不夠。

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3.2.2 不同環(huán)境濕度能耗對(duì)比

不同環(huán)境濕度時(shí)，自動(dòng)空調(diào)仍設(shè)置為24℃時(shí)，各工況下的能耗及COP對(duì)比如圖8所示。

圖7? ?不同環(huán)境濕度能耗對(duì)比

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圖8? 不同環(huán)境濕度電子風(fēng)扇電流

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圖9? ?不同環(huán)境濕度空調(diào)低壓

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由圖7可知，熱泵系統(tǒng)在低溫（2℃）不同濕度（30%，60%，90%）環(huán)境下，要實(shí)現(xiàn)相同的制熱水平，90%工況相對(duì)于不結(jié)霜工況（30%，60%），PTC需全程參與補(bǔ)熱，總功率高濕結(jié)霜工況（90%）高出（30%，60%）200W-300W左右，結(jié)霜后的COP比不結(jié)霜COP低0.5。

30%和60%工況熱效率仍有提高的空間，原因是如圖8所示，整個(gè)試驗(yàn)過程電子風(fēng)扇未開，外蒸發(fā)器空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)大幅下降，影響熱泵效率。由圖9可知，熱泵啟動(dòng)初期（100秒前）空調(diào)低壓最低1.7bar，對(duì)應(yīng)蒸發(fā)溫度-14℃，而2℃/60%對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度為-4.5℃，而60%工況并未結(jié)冰，可見蒸發(fā)溫度和露點(diǎn)溫度差值在-10℃以內(nèi)不易結(jié)冰。因此建議，調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度和露點(diǎn)溫度相差在-10℃以內(nèi)霜，同時(shí)建議開啟電子風(fēng)扇，提高外蒸發(fā)器換熱，增大熱泵COP。

4.?小結(jié)

中國汽研環(huán)境風(fēng)洞低溫控濕功能已正式上線，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異，滿足低溫控濕試驗(yàn)要求。本文進(jìn)行了熱泵系統(tǒng)環(huán)境風(fēng)洞結(jié)霜試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：在不同溫度相同高濕環(huán)境下，外蒸發(fā)器很快出現(xiàn)結(jié)霜，結(jié)霜后熱泵 系統(tǒng)COP 逐漸降低，最低只有1.2，全程需要開啟 PTC 補(bǔ)熱；而在不同濕度（30%，60%，90%）相同溫度（2℃）環(huán)境下，30%工況和 60%工況不會(huì)結(jié)霜，90%工況則因?yàn)榻Y(jié)霜其總功率高出（30%，60%）工況 200W-300W 左右，90%工況 COP 比不結(jié)霜工況 COP 低0.5。實(shí)驗(yàn)還得出：蒸發(fā)溫度和露點(diǎn)溫度相差在-10℃以內(nèi)不易結(jié)霜，同時(shí)建議開啟電子風(fēng)扇，提高外蒸發(fā)器換熱，增大熱泵COP。

參考文獻(xiàn)

[1]? QU Xiaohua，SHI Junye，QI Zhaogang，et al． Experimental study on frosting control of mobile air conditioning system with microchannel evaporato［J］． Applied Thermal Engineering，2011，31(14/15):2778－2786．

編輯：黃飛