电动汽车热泵系统环境风洞结霜试验研究分析

中国汽研环境风洞低温控湿功能已正式上线，各项性能指标优异，满足低温控湿试验要求。本期介绍电动汽车热泵系统环境风洞结霜试验研究。试验结果表明：在不同温度相同高湿环境下，外蒸发器很快出现结霜，结霜后热泵系统COP 逐渐降低，全程需要开启 PTC 补热；而在不同湿度相同温度环境下，低湿工况不会结霜，高湿工况则因为结霜其总功率高出低湿工况 200W-300W 左右，高湿工况COP比不结霜工况 COP 低0.5。

1.研究背景

近年来，国内外新能源车发展迅猛，常规电动汽车采用PTC加热实现冬季采暖，但因消耗大量电能导致冬季续航大幅削减，低温下甚至降低 20%以上。随着新能源车的快速发展，一些新技术也开始应用到新能源车上，比如采用热泵空调替代PTC制热正在各主机厂推广应用，热泵系统COP大于1使其成为可行的替代方案。但热泵系统应用也存在一些问题，比如热泵在低温高湿环境采暖运行时，车外换热器外表面易结霜，阻碍冷媒与外界的有效热交换，换热效率显著下降。如何减少热泵空调冬季采暖结霜及快速除霜、提高舒适性、降低冬季采暖能耗等是主机厂及零部件厂家需持续研究的共性课题。本文在环境风洞进行了电动车热泵结霜实验，分别研究了不同温度、不同湿度热泵结霜性能。

2.试验设备和方法

 

2.1试验设备

试验在中国汽研汽车环境风洞实验室中进行，原理如图1所示。

图1   汽车环境风洞

图1中：101—拐角1；102—拐角2；103—拐角3；104—拐角4；105—喷口；106—驻室；107—保温仓板；108—收集口；109—履带式转鼓地坑盖板；110—转鼓；111—转鼓地坑；112—主风机；113—主换热器。

中国汽研环境风洞具有低温控湿功能，也即在-40℃—5℃也可将湿度控制在5%—95%，良好的低温控湿功能可为需要低温控湿的汽车整车及零部件企业提供高质量试验服务。

 

2.2试验方法

 

Qu Xiaohua等研究表明[1]，外蒸发器易在高湿、非极低外界温度、低风速下结霜。本文选取如下图所示的实验工况，实验开始前需在环境风洞温度、湿度稳定后打开车门，环境风洞风速设为30km/h，浸车一段时间，使得乘员仓内的温湿度与环境温湿度一致，正式实验后车辆空调模式设为自动模式，设定温度24℃。实验中采用数采仪实时采集各温度、压力、电流、电压等信号。实验过程采用安装在外蒸发器前的高清摄像头实时拍摄外蒸发器结霜过程。

图2  实验工况

 

3. 实验结果及分析

 

3.1相同环境湿度、不同环境温度对比试验研究  

3.1.1 不同环境温度结霜过程对比

试验时选取相同的环境湿度（90%），不同的环境温度，即分别选取-5℃、0℃、2℃作为环境条件，车速和风速都一致，选取30km/h。试验过程实时拍摄外蒸发器结霜情况，3种不同温度下的结霜情况如下图所示。

（a）-5℃, 90%结霜过程   

(b)0℃，90%结霜过程

(c) 2℃，90%结霜过程

图3  不同环境温度结霜过程

 

由图可知，在低温高湿环境下，热泵系统外蒸发器很快出现结霜现象，基本4分钟以内开始挂霜，且越积越厚，各工况下都没有除霜控制。

 

3.1.2不同环境温度舒适性对比

采暖试验舒适性评判通常包括呼吸点温度，脚部温度，吹脚出风口温度。图下所示为不同环境温度舒适性对比。

图4   不同环境温度舒适性对比图

 

由图可知，该电动车在低温（-5℃，0℃，2℃）高湿（90%）环境下，呼吸点温度偏低，比设定温度低4℃左右，原因是低温高湿环境下外蒸发器结霜严重，热泵效率变低，放热变少，虽PTC全程参与补热，但补热不够。

 

3.1.3 不同环境温度能耗对比

热泵空调系统冬季采暖时主要能耗包括压缩机电机能耗、风暖PTC能耗。能耗及COP对比如下图所示。

图5   不同环境温度能耗对比

 

由图可知，热泵系统在低温（-5℃，0℃，2℃）高湿（90%）环境下，外蒸发器结霜严重，外蒸发器吸热变差，为了维持蒸发器一定过热度，必须减小膨胀阀开度，导致冷媒质量流量减小，各工况压缩机功率逐渐降低，热泵产热也较少，各工况全程需开启PTC补热。同时，结霜后，压缩机吸气压力降低，压比增大，热泵系统的COP逐渐减小。

 

3.2 相同环境温度、不同环境湿度对比实验研究  

3.2.1 不同环境湿度舒适性对比

试验时选取相同的环境温度（2℃），不同的环境湿度，即分别选取30%、60%、90%作为环境条件，车速和风速都一致，选取30km/h。实验过程发现30%与60%均不结霜，90%结霜情况如图3（c）所示。下图所示为不同环境温度舒适性对比。

图6   不同环境湿度舒适性对比图

 

由图可知，该电动车低温环境（2℃）呼吸点温度偏低的原因为：30%，60%工况虽未结霜，但压缩机功率较低，热泵放热量偏小，PTC又未参与补热，而90%工况已经严重结霜，热泵放热量较小，PTC虽参与补热，但补热不够。

 

3.2.2 不同环境湿度能耗对比

不同环境湿度时，自动空调仍设置为24℃时，各工况下的能耗及COP对比如图8所示。

图7   不同环境湿度能耗对比

 

图8  不同环境湿度电子风扇电流

 

图9   不同环境湿度空调低压

 

由图7可知，热泵系统在低温（2℃）不同湿度（30%，60%，90%）环境下，要实现相同的制热水平，90%工况相对于不结霜工况（30%，60%），PTC需全程参与补热，总功率高湿结霜工况（90%）高出（30%，60%）200W-300W左右，结霜后的COP比不结霜COP低0.5。

30%和60%工况热效率仍有提高的空间，原因是如图8所示，整个试验过程电子风扇未开，外蒸发器空气侧对流换热系数大幅下降，影响热泵效率。由图9可知，热泵启动初期（100秒前）空调低压最低1.7bar，对应蒸发温度-14℃，而2℃/60%对应露点温度为-4.5℃，而60%工况并未结冰，可见蒸发温度和露点温度差值在-10℃以内不易结冰。因此建议，调节蒸发温度和露点温度相差在-10℃以内霜，同时建议开启电子风扇，提高外蒸发器换热，增大热泵COP。

4. 小结

中国汽研环境风洞低温控湿功能已正式上线，各项性能指标优异，满足低温控湿试验要求。本文进行了热泵系统环境风洞结霜试验研究，试验结果表明：在不同温度相同高湿环境下，外蒸发器很快出现结霜，结霜后热泵 系统COP 逐渐降低，最低只有1.2，全程需要开启 PTC 补热；而在不同湿度（30%，60%，90%）相同温度（2℃）环境下，30%工况和 60%工况不会结霜，90%工况则因为结霜其总功率高出（30%，60%）工况 200W-300W 左右，90%工况 COP 比不结霜工况 COP 低0.5。实验还得出：蒸发温度和露点温度相差在-10℃以内不易结霜，同时建议开启电子风扇，提高外蒸发器换热，增大热泵COP。

参考文献

[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．

编辑：黄飞