纯电动汽车：2种热泵空调系统对比

纯电动汽车无法像传统燃油车那样回收发动机余热供乘员舱冬季采暖，而是采用 PTC 电加热方式，该种采暖方式的能耗占电动汽车总能耗的 33% ，严重影响纯电动汽车的续航里程。

针对以上问题，国外学者提出了两种热泵型空调系统：

一种采用四通阀切换实现制冷制热功能的转换；

另一种在室内采用两个换热器；

与传统的单冷加 PTC 系统进行了对比，实验结果表明:

两种热泵空调系统均比传统系统具有更好的性能，在室内湿球温度为 13 ℃时， 采用两个换热器的系统比采用四通阀切换的系统 COP 高 62% 。

本文设计了两种方案 :

采用四通阀的两换热器热泵空调系统 ( 方案Ⅰ ) ;

采用四个电磁阀进行制冷制热切换的两换热器热泵空调系统 ( 方案Ⅱ ) 。

针对两种方案搭建了实验台，在焓差实验室中分别对热泵空调系统进行性能测试，在振动实验台上对系统 进行振动测试，以此来评价热泵空调系统的性能及装 车运行的可靠性。

1.1 采用电磁四通阀的热泵空调系统

借鉴现有热泵空调系统技术及汽车空调的结构特点，提出一种采用电磁四通阀的热泵空调系统 ( 方 案Ⅰ ) ，该热泵空调系统零部件少，系统结构简单，如图 1 所示。

制冷时：

制冷剂工质 ( Ｒ 134a) 由压 缩机排出，经过电磁四通阀进入室外侧换热器冷凝放热，通过双向 H 型热力膨胀阀节流后进入内部换热器蒸发吸热，再依次经过电磁四通阀和双向 H 型热 力膨胀阀进入气液分离器，最终进入压缩机吸气口。

制热时：

制冷剂工质 ( Ｒ 134a) 由压缩机排出，经过电磁四通阀进入室内侧换热器冷凝放热，通过双向 H 型热力膨胀阀节流后进入外部换热器蒸发吸热，再依次经过电磁四通阀和双向 H 型热力膨胀阀进入气液分离器，最终进入压缩机吸气口。

采用四通阀的热泵空调系统有如下缺陷 :

1) 现有四通阀大都采用铜制四通阀，而系统管路采用铝管，衔接处会出现铜铝焊，铜铝焊工艺较难且极 易腐蚀 ;

2) 四通阀在车上使用，由于车在行驶过程中振动剧烈，容易出现高低压窜气，影响系统性能，甚至 损坏系统部件。

针对以上问题，提出采用四个电磁阀代替四通阀来实现制冷制热模式的切换，系统原理如图 2 所 示。四个电磁阀 ( 1 、 2 、 3 、 4) 中， 1 、 3 为常开电磁阀， 2 、 4 为常闭电磁阀。

系统制冷时：

系统中的四个电磁阀均不通电，此时制冷工质从压缩机排气口出来，经过电磁阀 1 进入外部换热器冷凝换热，然后经过双向 H 型热力膨胀阀节流后进入内部蒸发器吸热蒸发，接着经过电磁阀 3 流经 H 型热力膨胀 阀，最后经过气液分离器回到压缩机吸气口。

系统制热时：

四个电磁阀全部通电，此时制冷剂经压缩机排出后经过电磁阀 4 进入内部换热器冷凝放热， 冷凝放热后经过双向 H 型热力膨胀阀节流，然后进入外部换热器蒸发吸热，再依次经过电磁阀 2 ，双向 H 型热力膨胀阀，气液分离器进入压缩机吸气端，完成制热循环。

两套方案均直接使用原单冷系统的蒸发器及冷凝器，对整车厂来说极大的缩减了系统改进费用。实验中，除了制冷制热模式切换机构电磁四通阀、四个电磁阀有差异，两套方案采用的零部件基本相同。零部件的规格如表 1 所示。

根据上述方案搭建了实验台并在焓差实验室中对两种方案进行了系统性能测试，利用振动实验台对系统进行了可靠性测试。焓差实验室分为室内侧和 室外侧，实验室对温度的控制精度为 ± 0. 5 ℃。将内部 HVAC 部分放置在室内侧，与风洞口相接，其它实 验部件放置在室外侧，图 3 为方案Ⅰ室内侧与室外侧的实物图，图 4 为方案Ⅱ室内侧与室外侧的实物图。测试工况参考《汽车用电驱动空调器》制冷制热模式的测试工况，如表 2 所示。

振动实验使用的电动振动实验系统。进行振动实验时，对于方案Ⅰ，只将四通阀放置在振动台上，其它零部件放在振动台的四周，用软管连接，振动实验时系统开启运行，采用压力传感器 ( 电流型 ) 检测系统运行时的压力波动 ; 对于方案Ⅱ，四个电磁阀及一个 H 型热力膨胀阀内置在一个盒子里，组成一个阀组，振动时将阀组固定在振动 实验台上，其它零部件与方案Ⅰ相同，放置在四周用软管连接，图 5 为方案Ⅱ在振动台上的固定方式。

振动实验的标准参照 GB/T21361—2008 《汽车用空调器》，振动分横向、轴向和纵向三个方向进行，相关振动参数如表 3 所示。

在名义制冷工况下，对方案Ⅰ搭建的系统进行制冷剂标定，如图 6 所示。方案Ⅰ全部采用软管连接， 管路长，系统内容积大 ; 方案Ⅱ主要采用铝管连接，使用软管较少，管路短，内容积小。因为两套系统内容 积不同，所以制冷剂标定的起始量及最终制冷剂充注 量也不同。

由图 6 可以看出，随着制冷剂量的增加，内部换热器的换热量先逐渐增加，然后趋于平缓，与 此同时冷凝器出口端的过冷度逐渐增加，当制冷剂添加 700 g 时，外部冷凝器出口过冷度约为 4 ℃，此后换热量不再明显增加，因此，方案Ⅰ中制冷剂充注量为 700 g 。方案Ⅱ制冷剂标定如图 7 所示，当制冷剂标定量为 500g 左右时，外部冷凝器出口过冷度为 4 ℃，此后内部换热量也不再增加，因此，方案Ⅱ系统制 冷剂的充注量为 500 g 。

表 4 和表 5 分别为方案Ⅰ和方案Ⅱ在 4 种工况 下的测试参数，可以看出，两套方案的额定制冷量及 名义制热量均约为 2 kW ，低温制热工况下，两种方案的制热量急剧降低，制热量小于 1 kW ，制冷最大负荷 工况下制冷量约为 2 kW ，但性能系数较低。

整体来说，方案Ⅰ在 4 种工况下的性能测试优于方案Ⅱ，主要是因为方案Ⅱ的阀组中连接 4 个电磁阀使用了铝管，这些铝管在阀组中未采取保温措施，铝管对热量和冷量的散失比软管严重，但方案Ⅱ仍然能够满足小型电动汽车对空调系统性能的需求 ( 制冷出风温度 15 ℃、制热出风温度 38 ℃ ) 。对于内部换热器出风温度而言，两种方案在各工况下基本相当，差别在 3 ℃以内。

振动实验先固定好各个零部件，振动实验室系统制冷运行，方案Ⅰ中在四通阀的高压口和低压口分别设置压力传感器，方案Ⅱ中系统高压侧及低压侧分别设置压力传感器。在压缩机排气口及压缩机吸气口设置温度传感器，数据用安捷伦数据采集仪采集，在振动台不开启的情况下使系统运行起来，各采集的参数稳定后开启振动台，按表 3 中振动耐久性实验标准 进行实验。因系统对垂直方向上的振动比较敏感，本文只列出垂直方向上的数据进行讨论。图 8 为方案Ⅰ中四通阀四个出口检测到的压力变化 ( 两个高压，两个低压，图中只列出高低压 ) 。

由图 8 可以看出， 振动台开启后，系统高低压波动明显变大，约 0. 5 h 后，高低压异常且压缩机停机，电动压缩机无法再次开启，已被损坏，在振动的过程中，四通阀出现高低压 窜气，导致压缩机损坏。图 9 、图 10 为方案Ⅱ振动时系统高低压在振动状态下的变化，如图所示，压缩机吸排气口的压力、吸排气温度均无异常波动。所以，从系统工作的可靠性来说，方案Ⅱ具有绝对的优势。