【技术】电动汽车低温热泵系统结霜化霜特性实验研究
1.1 蒸汽喷射式准二级压缩热泵系统
本文中提出的新型电动汽车热泵空调系统如图1所示。通过引入蒸汽喷射器和带补气孔涡旋压缩机实现了补气增焓和准二级压缩循环，增加了压缩机出口冷媒排气量，在相同压比下降低了压缩机排气温度，提高了热泵系统效率。
图1 蒸汽喷射式准二级压缩热泵系统
此外，空调系统中增设了内部冷凝器，专用于热泵循环，实现空调箱内制冷/制热换热器分离。传统采用换向阀的热泵空调系统中制冷/ 制热共用换热器时，制冷模式切换至加热模式时，换热器表面的冷凝水将立即蒸发雾化在挡风玻璃上，不利于安全驾驶，实现制冷/制热换热器分离后就可以有效规避该隐患的发生。
本文中新型蒸汽喷射式准二级压缩热泵系统压焓图与常规单级压缩热泵系统压焓图对比如图2 所示。图中常规热泵系统流程为a-b-c-d。新型热泵系统流程为1-3-4-5-7，蒸汽喷射器回路流程为2-3-4-6。从图中明显可见，压缩机排气温度从b点下降至3点。
图2 新型热泵系统与常规热泵系统压焓对比图
1.2 热泵系统性能分析
根据蒸汽喷射式准二级压缩热泵系统工作原理，可知如下性能：
1）1-1'压缩过程
W1-1'=(h1'-h1)/η1 （1）
2）2'-3二次压缩过程
W2'-3=(h3-h2')/η2 （2）
3）中间补气过程
mVPIh2+h1'=(1+mVPI)h2' （3）
式中：W1-1'为压缩机补气前单位质量制冷剂压缩耗功，kJ/kg；h1'为压缩机入口状态点1 等熵压缩至状态点1'对应的焓值，kJ/kg；W2'-3为压缩机补气后单位质量制冷剂压缩耗功，kJ/kg；h2'为压缩机补气状态点2与压缩机内气体混合后状态点2' 对应焓值，kJ/kg；η1和η2分别为绝热等熵压缩效率；mVPI 为蒸汽喷射器回路与蒸发器回路制冷剂质量比值。
4）热泵系统制热量
Qk=(1+mVPI)(h3-h4) （4）
5）热泵系统压缩功
W=W1-1'+(1+mVPI)W2'-3 （5）
6）制热性能系数（能效比）
COP=Qk/W （6）
式中：W 则为制热消耗的电功率，主要为热泵系统压缩功。
利用式（1）~（6），可对不同实验工况下实验数据进行处理，从而对蒸汽喷射式准二级压缩热泵系统与常规热泵系统和目前普遍采用的PTC 加热系统进行对比分析。
1.3 NVH问题描述
在售后问题的分析抱怨中，发现抱怨问题最多的类别是NVH问题。某些客户提出在和别工况下存在异响。问题的表述为。整车匀速保持车速60-7-km/h范围，对应电机转速3700-4200rpm，存在“呜呜呜”人耳可识别噪声，客户描述啸叫成都让人无法接受。为了分析问题的产生机理和类型，须结合车辆的阐述和传动原理，通过NVH试验测试，对问题进行展开分析。
2.1 实验装置和条件
通过理论分析和设计计算研制了电动汽车用蒸汽喷射式准二级压缩热泵系统实物样机（图3），具体参数如表1所示。
图3 新型热泵系统实验照片
表1 实验样机具体参数
将实验样机在汽车空调综合性能试验台上进行性能测试。空调实验室按照国标建设，低温热泵实验可完成-30 ℃工况以及低温除霜实验，高温实验可完成50 ℃内高温工况。实验方法和数据处理方法均依据中国汽车行业标准QC/T 656-2000汽车空调制冷装置性能要求和QC/T 657-2000汽车空调制冷装置实验方法。测试仪表符合QC/T 657-2000标准规定。实验工况设置主要针对-10 ℃以下的低环境温度工况，具体参数如表2所示。
表2 实验工况具体参数表
2.2 实验结果分析
1）结霜对外部蒸发器的影响
从图4 中可以看出，随着时间的推移，空气侧换热系数减小，外部蒸发器出口压力降低。由于起始制冷剂蒸发温度较低，换热温差大，换热能力强，导致空气侧部分水蒸气凝结成霜，阻塞了换热通道，空气侧流阻增大，换热系数下降，换热量减小。随着换热系数的下降，蒸发温度也随之下降，从而导致蒸发压力下降，蒸发器出口压力下降。
图4 结霜对空气侧对流换热系数影响
从图5 可以发现，随着时间的推移，外部蒸发器冷媒流量也随之下降。结霜虽然导致低压下降，增大换热温差，但是由于结霜导致空气侧换热流阻增加，相同背压下风量减少，因而虽然换热温差增大，总的换热量仍然减小。随着外部蒸发器结霜，蒸发温度降低，蒸发器出口干度下降，压缩机带液运行，导致压缩机耗功增大，制冷剂冷媒流量也下降。
图5 结霜对空气侧能力影响
2）结霜对压缩机的影响
由图6中可见，由于压缩机吸气带液，到时压缩机等熵效率下降，同时由于外部蒸发器出口压力下降，导致进入蒸发器的压力也随之下降，压缩机压比不断增大。系统带液运行，压缩机耗功增大，导致排气过热度也增大。
图6 结霜对压缩机性能影响
图7 结霜对内部冷凝器出风影响
3）结霜对内部冷凝器的影响
由于外部蒸发器结霜，系统流量降低，压缩机出口压力不断下降，排气过热度升高，进而导致内部冷凝器入口压力不断下降。由于进入内部冷凝器的制冷剂冷媒压力减小，流量减小，换热温差变小，从而导致出风温度逐渐下降。
图8 中可见，随着结霜的加剧，内部冷凝器压力降低，系统内制冷剂流量减小，导致换热温差减小，空气侧能力逐渐下降。同时由于压缩机吸气带液，耗功增加，空气侧制热COP逐渐下降。
图8 结霜对内部冷凝器性能影响
4）除霜对系统性能的影响
图9 中可见，利用逆循环对外部换热器除霜时，系统蒸发低压和冷凝高压均随着时间逐渐增大。此时外部换热器冷却风扇处于关闭状态。系统刚开始运行时，由于换热器结霜，导致空气侧流阻增大。随着除霜开始，空气侧流阻逐渐减小，高压压力逐渐升高，除霜结束后，压力逐渐恢复正常，系统运行平稳。
图9 除霜对系统压力影响
图10 中可见，利用逆循环对外部换热器除霜时，压缩机转速维持在4500 RPM不变，压缩机功率随着时间逐渐增大。分析可以发现除霜开始时，外部换热器翅片表面结霜，换热系数较低，系统流量较小，压缩机输入功率低，随着除霜结束，换热量增加，系统流量增加，压缩机的输入功率不断提高。
图10 除霜对压缩机功率影响
从图11 中可见，从外部换热器除霜开始，在2 分钟30秒内，外部换热器表面霜层完全去除干净。
图11 外部换热器除霜过程
由于蒸发器结霜，导致空气侧流阻增大，蒸发压力降低，压缩机吸气带液，耗功增加，等熵效率下降，同时压缩机排气过热度不断增加，压比增大系统COP 减小。由于结霜，导致系统流量减小，同时压缩机出口压力下降，进入换热器制冷剂流量及温度都下降，从而降低了系统的制热量。通过采取有效的合理化霜策略可以大大减小结霜对系统性能的影响。
参考文献