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

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 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 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 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 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 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 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 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 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 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、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)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焓(k J/k g);Qh为 制热量(k W);Wc m p为 压 缩 机 功 耗(k W)。2 试验结果与分析2.1 较低环境温度的除湿表4展示了在5、风量为2 4 3m3/h条件下两种热泵除湿模式在不同压缩机转速和电子膨胀阀开度时的测试结果。该试验在蒸发器前设置的是热力膨胀阀,因此单蒸模式下无需控制膨胀阀开度。从表4可见,两种模式下系统的除湿和制热能力均随着压缩机转速的提高而增强。不同于单蒸模式下制冷剂全部流过蒸发器,在双蒸模式下一部分制冷剂流过车外换热器,因此在相同压缩机转速下双蒸模式下的除湿能力明显低于单蒸模式,并且双蒸模式下的除湿能力会随着电子膨胀阀开 度 的 增 大 而 降 低。例 如 在 压 缩 机 转 速 为20 0 0r/m i n时双蒸模式在不同电子膨胀阀开度下的除湿能力比单蒸模式低1 8%到6 5%。考虑到人体的散湿量约为3 8g/h1,因此当车内乘客人数较少时单、双蒸模式均可以满足乘员舱的除湿需求,而乘客较多时则需要采用单蒸模式。相较于单蒸模式,双蒸模式下热泵系统除了从蒸发器侧吸热外还通过车外换热器从室外环境侧吸收热量,因此制热能力更强。表4中在20 0 0r/m i n和30 0 0r/m i n条件下,双蒸模式的制热量比单蒸模式平均高3 3%和1 8%,C O P高1 7%和1 9%。表4 两种除湿模式在5下的除湿性能除湿模式压缩机转速/(r/m i n)电子膨胀阀开度/步蒸发器出风温度/车内冷凝器出风温度/制热量/k W制热C O PME R/(g/h)单蒸20 0 0/-3.62 5.91.8 13.2 31 9 6单蒸30 0 0/-5.24 1.13.1 32.7 12 2 4双蒸20 0 05 0-1.83 2.32.3 63.7 51 6 1双蒸20 0 06 0-13 2.92.4 23.6 31 4 4双蒸20 0 07 0-0.13 3.62.4 83.9 31 2 3双蒸20 0 08 02.33 2.62.3 93.7 96 8双蒸30 0 06 0-2.24 7.20.1 83.2 61 7 0双蒸30 0 07 0-1.14 7.93.7 13.2 21 4 6双蒸30 0 08 01.14 7.33.6 63.1 79 6 值得注意的是在5 环境下双蒸模式下电子膨胀阀开度对制热量的影响不明显,而蒸发器的出风温度却随着开度的增大而升高。实际上汽车空调通常需要控制蒸发器表面温度高于0,以避免蒸发器表面结霜而导致系统失去除湿和制冷能力。因此在双蒸模式下,可以通过控制电子膨胀阀开度来有效控制蒸发器温度。而在单蒸模式下,蒸发器出风温度显著低于0,因此结霜风险很大,系统将需要通过不断控制压缩机进行通断的方式来避免蒸发器结霜1 1。在低温环境下,乘员舱的制热需求较高而空气的绝对含湿量较低,因此更适合采用双蒸模式进行除湿,通过控制压缩机转速来控制制热量并通过控制电子膨胀阀开度来有效控制蒸发温度。2.2 较高环境温度的除湿表5展示了在1 5、风量为2 4 3m3/h条件下两种热泵除湿模式在不同压缩机转速和电子膨胀阀开度时的测试结果。当环境温度较高时,空气 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 5 的绝对含湿量较高,因此两种模式下的除湿能力均显著高于5 环境。在20 0 0r/m i n单蒸模式时,系统在1 5环境下的除湿量超过5环境下的2倍。从表5可见,在单蒸模式中不同压缩机转速下的除湿能力均能充分满足乘员舱的除湿需求,蒸发器出风温度显著高于0 从而不会有结霜风险,因此可以直接通过控制压缩机转速来控制制热量从而有效控制空调箱的出风温度。在双蒸模式下,为了实现较高的除湿能力需要将电子膨胀阀的开度调到很低,但此时系统制热能力将明显降低,因此相对于控制更加简单的单蒸模式并无性能优势。从表5可以看到,双蒸模式下当电子膨胀阀开度开到接近最小开度4 0步时,系统的制热能力与单蒸模式相当,而除湿能力却降低了2 6%。如果提高开度到6 0步,尽管制热能力提高了1 8%但同时除湿能力仅为6 2g/h,基本无法满足较高温度下乘员舱的除湿需求。综上分析,在较高的环境温度下由于乘员舱有较高的除湿需求而制热需求较低,因此更适合采用单蒸模式进行除湿,通过控制压缩机转速来控制制热量。表5 两种除湿模式在1 5下的除湿性能除湿模式压缩机转速/(r/m i n)电子膨胀阀开度/步蒸发器出风温度/车内冷凝器出风温度/制热量/k W制热C O PME R/(g/h)单蒸10 0 0/9.43 3.51.3 53.52 7 3单蒸15 0 0/7.14 1.71.9 52.93 5 2单蒸20 0 0/5.64 8.92.4 72.53 9 9双蒸10 0 04 01 1.23 3.31.3 33.52 0 3双蒸10 0 05 01 2.33 4.81.4 43.41 5 6双蒸10 0 06 01 4.33 6.51.5 73.76 22.3 风量和温度风门的影响表6展示了空调箱风量对除湿性能的影响。可以看到当风量从3 6 1m3/h减小到1 6 7m3/h,系统的除湿能力从3 4 9g/h降低到2 2 2g/h。系统的制热量几乎没有变化,而制热C O P降低了3 5%。这主要是由于风量的降低使得车内冷凝器的压力升高,导致出风温度升高从而抵消了风量降低对换热量的影响,但是风量的降低使得换热效率降低。因此综合来看,在不考虑噪音影响的前提下,更适宜采用大风量进行除湿。传统燃油车或采用电加热制热的汽车空调一般通过控制温度风门的角度来调节空调箱出风温度。表7展示了热泵除湿情况下温度风门对性能的影响。可以看出,当温度风门从1 0 0%全热调整到6 0%全 热,系 统 的 高 低 侧 压 力 分 别 升 高 了0.8 7MP a和0.1 MP a,使得车内冷凝器出风温度和蒸发器出风温度分别升高了2 9.2 和9.1,然而空调箱的出风温度却几乎没有变化。这是由于在热泵系统中,车内冷凝器作为热源与作为冷源的蒸发器直接耦合,改变温度风门位置会改变流经车内冷凝器的风量从而影响系统的压力。因此,对于热泵系统而言,不能通过控制温度风门来控制出风温度,在除湿操作时应当使温度风门始终处于1 0 0%全热位置,从而达到节能高效的目的并使得系统具有最强的除湿能力。3 结束语文章设计并搭建了一套电动汽车热泵空调系统,试验结果表明:1)双蒸模式的制热能力和制热表6 风量对除湿性能的影响风量/(m3/h)蒸发器出风温度/车内冷凝器出风温度/车内冷凝器出口压力/MP a制热量/kW制热C O PME R/(g/h)3 6 11 0.42 7.70.6 41.34.03 4 92 4 39.43 3.50.8 11.33.52 7 31 6 78.03 9.60.9 21.32.62 2 2表7 温度风门对除湿性能的影响温度风门位置蒸发器平均出风温度/车内冷凝器平均出风温度/空调箱出风温度/车内冷凝器出口压力/MP a蒸发器出压力/MP a1 0 0%全热0.52 9.52 4.70.6 70.2 08 0%全热4.94 42 5.11.0 40.2 46 0%全热9.65 8.72 3.91.5 40.3 0(下转第8 1页)第9期李嘉 等:磁悬浮轴承控制系统及控制技术研究8 1 (a)可以看出转子的波动在1 0m的范围内波动,可以保持稳定。将扰 动速度加到2 0 0 H z,由 图1 1(b)可见波动变小了。仿真发现,转速继续升高,波动会越来越小。4 结束语文章在电力电子功放实现电流控制基础上,可通过外环位置控制器实现悬浮的位置闭环控制,并着重研究了阻尼与刚度对系统稳定性与动态性能的影响。通过仿真发现,选择合适的刚度,可以实现对系统稳定地控制。反之,则系统响应速度不够,无法稳定;刚度太大,执行器带宽不够,最终无法稳定。限制控制器带宽的主要原因在于较大的轴承线圈电感,限制了电流变化的速率,从而限制了功放的响应速度。可以通过增加直流母线电压来改善系统的动态性能。参 考 文 献1 G E RHA R DS,E R I CH M.磁悬浮轴承-理论、设计及旋转机械 应 用M.北 京:机 械 工 业 出 版 社,2 0 1 2:4-1 7.2 胡业发,周德祖,江征风.磁力轴承的基础理论与应用M.北京:机械工业出版社,2 0 0 6:5-1 0.3 刘迎澍,黄田.磁轴承研究综述J.机械工业学报,2 0 0 0,3 6(1 1):5-9.4 张维煜,朱熀秋,袁野.磁悬浮轴承应用发展及关键技术综述J.电工技术学报,2 0 1 5,3 0(1 2):1 2-2 0.5 刘娜娜,周 瑾,邹 玥.磁 悬 浮 轴 承 的 刚 度 阻 尼 测 量J.机械与电子,2 0 1 3(2):7-9.6 宋方臻,宋波,刘鲁宁.电磁悬浮轴承刚度和阻尼设计J.济南大学学报(自然科学版),2 0 0 2(2):1 2 1-1 2 3.7 吴晓峰,宋志江,张春艳.磁悬浮轴承悬浮能力及控制系统分析研究J.河北工程大学学报(自然科学版),2 0 1 2,2 9(3):9 1-9 4.8 马骁,尹成科,陈琛.基于L a b V I EW的磁悬浮轴承的静态 刚 度 测 量 系 统 J.仪 表 技 术 与 传 感 器,2 0 1 2(8):3 2-3 4+4 2.9 赵以奎,黄文俊,田奇勇.磁悬浮离心制冷压缩机转子临界转速计算与振型分析J.制冷与空调,2 0 2 2,2 2(3):2 9-3 2.1 0 秦灿华,何亚屏,胡家喜,等.磁悬浮离心式高速永磁电机控制技术应用研究J.制冷与空调,2 0 2 1,2 1(1):7 6-8 0.(上接第7 5页)C O P均高于单蒸模式,但除湿能力要低于单蒸模式;2)在较低环境温度下,更适合采用双蒸模式进行除湿,通过控制压缩机转速来控制制热量并通过控制电子膨胀阀开度来控制蒸发温度以防止结霜;3)在较高的环境温度下更适合采用单蒸模式进行除湿,直接通过控制压缩机转速来控制制热量,此时蒸发器结霜的风险较低;4)对于热泵系统,增大风量可以有效提高除湿能力和制热C O P,但对总的制热量几乎没有影响;5)在热泵除湿过程中无法通过控制温度风门来有效控制出风温度,应当使温度风门始终处于1 0 0%全热位置。参 考 文 献1 阙雄才,陈江平.汽车空调实用技术M.北京:机械工业出版社,2 0 0 3:2 4 3-2 4 9.2 凌永成.汽车空调技术M.北京:机械工业出版社,2 0 1 4:1 0 0-1 0 2.3 P AN L,L I U C,Z HAN G Z,e ta l.E n e r g y-s a v i n ge f f e c t o f u t i l i z i n g r e c i r c u l a t e da i r i ne l e c t r i c v e h i c l e a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mJ.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fR e-f r i g e r a t i o n,2 0 1 9,1 0 2(C):1 2 2-1 2 9.4 张子琦,李万勇,张成全,等.电动汽车冬季负荷特性研究J.制冷学报,2 0 1 6,3 7(5):3 9-4 4.5 Z HAN GZ,WAN GJ,F E N GX,e ta l.T h es o l u t i o n st oe l e c t r i cv e h i c l ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m s:ar e v i e wJ.R e n e w a b l ea n dS u s t a i n a b l e E n e r g y R e v i e w s,2 0 1 8(9 1):4 4 3-4 6 3.6 赵宇,嵇天炜,瞿晓华,等.电动汽车热泵空调系统综述J.制冷与空调,2 0 2 0,2 0(7):7 2-8 1.7 程恰,周国梁,兰娇,等.新型电动汽车热泵系统除湿再热性能实验研究J.制冷学报,2 0 1 8,3 9(5):1 0 5-1 1 1.8 H I GU CH IY,KO B AYA S H IH,S HANZ,e ta l.E f-f i c i e n th e a t p u m ps y s t e mf o rP HE V/B E VCS A ET e c h n i c a lP a p e r,2 0 1 7:2 0 1 7-0 1-0 1 8 8.9 任学铭,武卫东,朱群东,等.纯电动汽车热泵型空调系统除湿性能试验研究J.汽车工程学报,2 0 2 0,1 0(5):3 7 7-3 8 3.1 0 AHNJ,K A N GH,L E EHS,e t a l.P e r f o r m a n c e c h a r a c-t e r i s t i c so fad u a l-e v a p o r a t o rh e a tp u m ps y s t e mf o re f-f e c t i v ed e h u m i d i f y i n ga n dh e a t i n go fac a b i ni ne l e c t r i cv e h i c l e sJ.A p p l i e dE n e r g y,2 0 1 5(1 4 6):2 9-3 7.1 1 孟范峰,金孟,赵公旗,等.车用自动空调控制策略的研究J.汽车电器,2 0 1 7(4):6 7-7 0.