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電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)串并聯(lián)余熱回收試驗(yàn)研究

2021-09-30 18:30:13·  來(lái)源：汽車(chē)熱管理之家  
　
作者：周?chē)?guó)梁，吳 靖，王明玉上海愛(ài)斯達(dá)克汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)有限公司摘要：電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境存在制熱量不足的問(wèn)題，一種可行的改善方式是回收電動(dòng)汽車(chē)的廢
作者：周?chē)?guó)梁，吳 靖，王明玉
上海愛(ài)斯達(dá)克汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)有限公司

摘要：電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境存在制熱量不足的問(wèn)題，一種可行的改善方式是回收電動(dòng)汽車(chē)的廢熱來(lái)提升熱泵系統(tǒng)的制熱量。本文通過(guò)試驗(yàn)手段，搭建了以R134a為工質(zhì)的電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，在環(huán)境溫度-7 ℃、余熱回收量為1.0 kW情況下，研究了熱泵系統(tǒng)在串并聯(lián)余熱回收模式運(yùn)行時(shí)的性能。通過(guò)改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)比了2種余熱回收模式的運(yùn)行特性、制熱能力及制熱效率。研究結(jié)果表明：并聯(lián)余熱回收模式制熱能力優(yōu)于串聯(lián)余熱回收模式，最大可增加0.96 kW，且2種模式制熱量均超過(guò)3.0 kW；并聯(lián)余熱回收模式功耗大于串聯(lián)余熱回收模式，最大可多0.63 kW；并聯(lián)余熱回收模式的COP略低于串聯(lián)余熱回收模式，但2種模式COP均大于1.5。根據(jù)2種模式特性的試驗(yàn)觀察，本文提出一種節(jié)能高效的余熱回收控制策略。
 
引言
 
熱泵系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)維持乘員艙舒適與防止電池包過(guò)熱的一種可靠手段，其采暖效率較目前普遍使用的PTC電加熱器要高，從而受到各大主機(jī)廠的青睞。目前行業(yè)內(nèi)各大車(chē)企都在針對(duì)熱泵系統(tǒng)做深入的研究并紛紛將熱泵技術(shù)推上電動(dòng)汽車(chē)，已知搭載熱泵系統(tǒng)上市的汽車(chē)車(chē)型有寶馬i3、奧迪Q7 e-tron、豐田Prius、特斯拉Model Y等。但使用R134a制冷劑的熱泵系統(tǒng)由于受制冷劑特性與壓縮機(jī)壓比的限制，在低溫環(huán)境下制熱量不足，無(wú)法充分滿(mǎn)足乘員艙采暖要求，提高低溫環(huán)境（如-7 ℃）熱泵系統(tǒng)制熱量的一種可行改善方式是回收電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)廢熱。
 
2014年，AHN 等開(kāi)發(fā)了一種 R134a雙熱源電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)，可同時(shí)從環(huán)境和動(dòng)力系統(tǒng)吸熱。其試驗(yàn)結(jié)果表明，在環(huán)境溫度-10 ℃，廢熱量1.5 kW情況下，雙熱源模式的制熱量與COP較環(huán)境單熱源模式分別提升了10.5%與4.3%。2015年，SUH等設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)大巴熱泵系統(tǒng)，在熱泵模式下，通過(guò)水冷板式換熱器回收電機(jī)產(chǎn)生的廢熱，結(jié)果表明采暖所消耗的電量占總電耗比例低于25%，可使電動(dòng)大巴由于空調(diào)的使用導(dǎo)致的續(xù)航里程衰減小于20%。2018年，BELLOCCHI等搭建了一套可回收空氣顯熱與潛熱的熱泵系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明該熱泵系統(tǒng)可降低續(xù)航里程衰減率2%～6%。2019年，李萍等設(shè)計(jì)了一套帶有廢熱回收的四通換向閥熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在余熱回收模式下車(chē)外換熱器與板式換熱器并聯(lián)分別吸收空氣與電機(jī)側(cè)水路熱量，分析了電機(jī)廢熱量產(chǎn)生規(guī)律并對(duì)廢熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了整車(chē)試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，環(huán)境溫度為-7 ℃、廢熱量為1.0 kW時(shí)，廢熱回收使制熱量最大增加了0.8 kW，相應(yīng)COP由1.4提升到了1.8，但僅靠廢熱回收的熱量以及熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生的制熱量仍然不能滿(mǎn)足車(chē)內(nèi)舒適度的要求。
 
本文設(shè)計(jì)了一套熱源為環(huán)境空氣、電機(jī)廢熱與電池?zé)岬碾妱?dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)，具備2種余熱回收模式：串聯(lián)余熱回收模式，車(chē)外換熱器與余熱回收換熱器串聯(lián)在一起；并聯(lián)余熱回收模式，車(chē)外換熱器與余熱回收換熱器并聯(lián)在一起。通過(guò)試驗(yàn)方法，研究了環(huán)境溫度-7 ℃、余熱量1.0 kW情況下不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)性能的影響；結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，提出了一種節(jié)能高效的余熱回收控制策略。
 
1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法
1.1 試驗(yàn)裝置
 
圖1示出了試驗(yàn)裝置與測(cè)試系統(tǒng)。
 
圖1 試驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of test device and test system
試驗(yàn)在汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)性能試驗(yàn)室進(jìn)行，通過(guò)單獨(dú)的制冷系統(tǒng)和加熱加濕系統(tǒng)控制環(huán)境狀態(tài)。試驗(yàn)臺(tái)架各個(gè)部件根據(jù)實(shí)車(chē)機(jī)艙進(jìn)行布置，并通過(guò)自主設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行控制。
本文設(shè)計(jì)的熱泵系統(tǒng)2種余熱回收模式如圖2所示。
 
圖2 電動(dòng)汽車(chē)熱泵2種余熱回收模式示意Fig.2 Schematic diagram of two waste heat recovery modes for electric vehicle heat pump system
熱泵系統(tǒng)由電動(dòng)壓縮機(jī)、空調(diào)箱（包含蒸發(fā)器，車(chē)內(nèi)冷凝器，溫度風(fēng)門(mén)等）、車(chē)外換熱器，余熱回收換熱器、電子膨脹閥、熱力膨脹閥、截止閥、氣液分離器等組成，通過(guò)水PTC電加熱器模擬電機(jī)發(fā)熱與電池包發(fā)熱。當(dāng)運(yùn)行串聯(lián)余熱回收模式時(shí)（圖2（a）），溫度風(fēng)門(mén)置于全熱位置，截止閥關(guān)閉，水泵1開(kāi)啟，水泵2關(guān)閉，此時(shí)高溫高壓制冷劑氣體經(jīng)車(chē)內(nèi)冷凝器冷凝放熱加熱空氣，冷凝后的制冷劑液體全部經(jīng)電子膨脹閥1節(jié)流后進(jìn)入車(chē)外換熱器蒸發(fā)吸熱，車(chē)外換熱器出來(lái)的制冷劑再經(jīng)過(guò)余熱回收換熱器1通過(guò)冷卻液吸收PTC電加熱器1（模擬電機(jī)）產(chǎn)生的熱量，制冷劑最后通過(guò)氣液分離器返回壓縮機(jī)。當(dāng)運(yùn)行并聯(lián)余熱回收模式時(shí)（圖2（b）），溫度風(fēng)門(mén)置于全熱位置，截止閥開(kāi)啟，水泵1關(guān)閉，水泵2開(kāi)啟，此時(shí)高溫高壓制冷劑氣體經(jīng)車(chē)內(nèi)冷凝器冷凝放熱加熱空氣，冷凝后的制冷劑液體分成兩路，一路經(jīng)電子膨脹閥1節(jié)流后進(jìn)入車(chē)外換熱器吸熱，另一路經(jīng)截止閥后通過(guò)電子膨脹閥2節(jié)流后進(jìn)入余熱回收換熱器2蒸發(fā)通過(guò)冷卻液吸收PTC電加熱器2（模擬電池包）產(chǎn)生的熱量，最后兩路制冷劑混合經(jīng)氣液分離器返回壓縮機(jī)。
在試驗(yàn)裝置各個(gè)測(cè)點(diǎn)布置鉑電阻與壓力傳感器來(lái)測(cè)量制冷劑側(cè)的溫度和壓力，采用體積流量計(jì)測(cè)量水的體積流量，電壓表與電流表測(cè)量壓縮機(jī)的運(yùn)行電壓與電流，T型熱電偶測(cè)量空氣側(cè)溫度，各測(cè)量精度見(jiàn)表1，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。
表1 試驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)測(cè)量精度Tab.1 Measurement accuracy of main parameters of the test bench
 
試驗(yàn)采用車(chē)用電動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)，排量為34 cm3/r，供電電壓為直流350 V，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為1 000～8 000 r/min，使用編制的控制軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。車(chē)外換熱器為三流程豎排平行流換熱器，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）645 mm×12 mm×373 mm；車(chē)內(nèi)冷凝器為雙排雙流程平行流換熱器，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為145 mm×28 mm×206 mm；余熱回收換熱器1和2均為板式換熱器，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）150 mm×76 mm×100 mm。水泵為12 V直流無(wú)刷型，額定功率110 W；PTC電加熱器供應(yīng)電壓為直流350 V，額定制熱量5.0 kW；截止閥為電控直流12 V驅(qū)動(dòng)常閉型，電子膨脹閥能力為7.034 kW，開(kāi)度范圍為0～576步。
1.2 試驗(yàn)方法
 
系統(tǒng)的制冷劑充注量通過(guò)制冷劑充注量試驗(yàn)確定為0.9 kg。本文制熱效果對(duì)比的測(cè)試工況見(jiàn)表2，水體積流量固定為8 L/min，調(diào)節(jié)電子膨脹閥1使得車(chē)內(nèi)冷凝器出口制冷劑過(guò)冷度在10 ℃左右，調(diào)節(jié)電子膨脹閥2使得余熱回收換熱器2出口制冷劑過(guò)熱度保持5 ℃左右。
表2 試驗(yàn)工況Tab.2 Test conditions
 
制熱量Q用來(lái)衡量該熱泵系統(tǒng)的制熱能力，通過(guò)空氣側(cè)的換熱量計(jì)算獲得，其計(jì)算式為：
 
式中 vair ——空調(diào)箱送風(fēng)風(fēng)量，m3/h，vair =300 m3/h；
ρair ——空氣密度，kg/m3；
Cpai r ——空氣比熱容，kJ/（kg·℃）；
Tout ——車(chē)內(nèi)冷凝器平均出風(fēng)溫度，℃；
Tin ——車(chē)內(nèi)冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度，℃，Tin =-7 ℃。
COP用來(lái)衡量該熱泵系統(tǒng)的制熱效率，為制熱量與壓縮機(jī)耗功的比值，其計(jì)算方法為：
 
式中 wcomp ——壓縮機(jī)功耗，kW。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 2種余熱回收模式運(yùn)行特性對(duì)比
 
圖3示出了串、并聯(lián)余熱回收模式在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時(shí)運(yùn)行的系統(tǒng)循環(huán)p-h曲線。
 
圖3 串并聯(lián)余熱回收模式的運(yùn)行p-h曲線Fig.3 The operating p-h diagram of series and parallel waste heat recovery modes
由圖3可知，并聯(lián)余熱回收模式的吸排氣壓力要高于串聯(lián)余熱回收模式的吸排氣壓力。這是由于串聯(lián)余熱回收模式下，余熱回收換熱器1置于車(chē)外換熱器的下游，由于車(chē)外換熱器和連接管路的壓降，余熱回收換熱器1制冷劑側(cè)的壓力低于車(chē)外換熱器內(nèi)制冷劑壓力，而壓縮機(jī)又置于余熱回收換熱器1下游，壓縮機(jī)吸氣壓力又要低于余熱回收換熱器1內(nèi)制冷劑壓力；在并聯(lián)余熱回收模式，余熱回收換熱器2與車(chē)外換熱器置于不同支路，余熱回收換熱器2內(nèi)制冷劑的壓力不受制于車(chē)外換熱器內(nèi)制冷劑壓力，吸氣壓力是兩者壓力的中和。因此，并聯(lián)余熱回收模式的車(chē)外換熱器蒸發(fā)壓力會(huì)低于串聯(lián)余熱回收模式的蒸發(fā)壓力，這有利于車(chē)外換熱器的換熱。
圖4示出了串、并聯(lián)余熱回收模式在不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下吸排氣壓力的變化對(duì)比。由圖4可知，吸氣壓力隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而降低，排氣壓力隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而升高。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由4 000 r/min提升到8 000 r/min，串聯(lián)余熱回收模式的吸、排氣壓力分別由0.049 MPa降低至0.005 MPa與由0.850 MPa提升至1.150 MPa。并聯(lián)余熱回收模式的吸、排氣壓力則分別由0.066 MPa降低至0.024 MPa與由0.900 MPa提升至1.640 MPa，較串聯(lián)余熱回收模式分別提升了0.016～0.019 MPa與 0.050～0.490 MPa。
 
圖4 串、并聯(lián)余熱回收模式不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下吸、排氣壓力對(duì)比Fig.4 Comparison of suction and exhaust pressure at different compressor speeds for series and parallel heat recovery modes
2.2 2種余熱回收模式制熱能力對(duì)比
 
圖5 ，6分別示出了串、并聯(lián)余熱回收模式車(chē)內(nèi)冷凝器出風(fēng)溫度與制熱量隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化對(duì)比。
圖5 串、并聯(lián)余熱回收模式不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下車(chē)內(nèi)冷凝器出風(fēng)溫度對(duì)比Fig.5 Comparison of cabin condenser outlet air temperature at different compressor speeds for series and parallel heat recovery modes
 
圖6 串、并聯(lián)余熱回收模式不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下車(chē)內(nèi)冷凝器制熱量對(duì)比Fig.6 Comparison of cabin condenser heating capacity at different compressor speeds for series and parallel heat recovery modes
由圖5，6可知，串、并聯(lián)余熱回收模式的冷凝器出風(fēng)溫度與制熱量隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提升而提升。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由4 000 r/min提升到8 000 r/min，串聯(lián)余熱回收模式的冷凝器出風(fēng)溫度與制熱量分別由25 ℃提升到37 ℃與由3.16 kW提升到4.35 kW。并聯(lián)余熱回收模式的冷凝器出風(fēng)溫度與制熱量分別由26 ℃提升到47 ℃與由3.25 kW提升到5.31 kW，這是由于并聯(lián)余熱回收模式的吸氣壓力較高，較高的吸氣壓力意味著更大的吸氣制冷劑流量，且并聯(lián)余熱回收模式的車(chē)外換熱器蒸發(fā)壓力較低能從環(huán)境中吸收更多的熱，因此并聯(lián)余熱回收模式的制熱性能較好。并聯(lián)余熱回收模式車(chē)內(nèi)冷凝器出風(fēng)溫度與制熱量較串聯(lián)余熱回收模式的提升程度隨壓縮機(jī)的提升而升高，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速8 000 r/min時(shí)冷凝器出風(fēng)溫度與制熱量提升了10 ℃與0.96 kW。一般情況下，-7℃環(huán)境溫度下車(chē)廂的穩(wěn)態(tài)平均熱負(fù)荷約3.0 kW，瞬態(tài)平均熱負(fù)荷約5.0 kW。因此串、并聯(lián)余熱回收模式在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速4 000 r/min時(shí)均可滿(mǎn)足-7 ℃環(huán)境下舒適車(chē)廂溫度的維持，而并聯(lián)余熱回收模式在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速8 000 r/min時(shí)可滿(mǎn)足車(chē)廂的瞬態(tài)升溫要求。
2.3 2種余熱回收模式制熱效率對(duì)比
 
圖7，8分別示出了串、并聯(lián)余熱回收模式壓縮機(jī)功耗與COP隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化對(duì)比。
 
圖7 串、并聯(lián)余熱回收模式不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下壓縮機(jī)功耗對(duì)比Fig.7 Comparison of compressor energy consumption at different compressor speeds for series and parallel heat recovery modes
由圖7可知，串、并聯(lián)余熱回收模式的壓縮機(jī)功耗隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提升而提升。由于并聯(lián)余熱回收模式制冷劑流量大于串聯(lián)余熱回收模式，且吸排氣壓力壓差更大導(dǎo)致壓縮機(jī)容積效率與等熵效率都下降，因此并聯(lián)余熱回收的壓縮機(jī)功耗大于串聯(lián)余熱回收模式。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越高，并聯(lián)余熱回收模式較串聯(lián)余熱回收模式的制冷劑流量與壓縮機(jī)吸排氣壓差的差值越大，壓縮機(jī)功耗的差值也就越大。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由4 000 r/min提升到8 000 r/min，串聯(lián)余熱回收模式的壓縮機(jī)功耗由1.05 kW提升到2.45 kW；并聯(lián)余熱回收模式的壓縮機(jī)功耗則由1.08 kW提升到3.08 kW，并聯(lián)余熱回收模式壓縮機(jī)功耗較串聯(lián)余熱回收模式最大可多0.63 kW。
由圖8可知，串、并聯(lián)余熱回收模式的COP隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提升而降低：壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時(shí)2種模式的COP均大于2.0；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為8 000 r/min時(shí)2種模式COP均大于1.5，制熱效率優(yōu)于PTC電加熱器。并聯(lián)余熱回收模式的壓縮機(jī)功耗雖然大于串聯(lián)余熱回收模式，但制熱量也得到較大提升，因此COP下降程度很低，最大下降0.05。
 
圖8 串、并聯(lián)余熱回收模式不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下COP對(duì)比Fig.8 Comparison of COP at different compressor speeds for series and parallel heat recovery modes
2.4 余熱回收模式運(yùn)行策略
 
通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，可知并聯(lián)余熱回收模式制熱能力具備優(yōu)勢(shì)但是功耗相對(duì)較高，串聯(lián)余熱回收模式在功耗與制熱效率方面有較好的表現(xiàn)。冬天電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中，開(kāi)始的15 min需要將車(chē)廂平均呼吸點(diǎn)溫度快速提升到20 ℃，該過(guò)程需求的制熱量較大（約5.0 kW），之后車(chē)廂所需求的制熱量減?。s3.0 kW）。鑒于串并聯(lián)余熱回收模式各自的特點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，在開(kāi)始的15 min內(nèi)壓縮機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的并聯(lián)余熱回收模式易滿(mǎn)足車(chē)廂升溫要求，待車(chē)廂溫度達(dá)20 ℃進(jìn)入穩(wěn)態(tài)狀態(tài)后，降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速并轉(zhuǎn)換為串聯(lián)余熱回收模式維持車(chē)廂溫度可有效降低壓縮機(jī)功耗。該運(yùn)行策略既能夠合理利用電池電能，又不犧牲駕駛安全性與乘員舒適性；具體的控制邏輯有待整車(chē)進(jìn)一步的研究與試驗(yàn)驗(yàn)證。
3 結(jié)論
 
（1）并聯(lián)余熱回收模式的車(chē)外換熱器蒸發(fā)壓力低于串聯(lián)余熱回收模式，余熱回收換熱器的蒸發(fā)壓力高于串聯(lián)余熱回收模式，最終并聯(lián)余熱回收模式的壓縮機(jī)吸排氣壓力均高于串聯(lián)余熱回收模式。
（2）并聯(lián)余熱回收模式的車(chē)內(nèi)冷凝器制熱能力與出風(fēng)溫度高于串聯(lián)余熱回收模式，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速4 000 r/min時(shí)制熱量2種模式均超過(guò)3.0 kW，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速8 000 r/min時(shí)并聯(lián)余熱回收模式制熱量超過(guò)5.0 kW，串聯(lián)余熱回收模式超過(guò)4.0 kW；串聯(lián)余熱回收模式車(chē)內(nèi)冷凝器出風(fēng)溫度可達(dá)25～37 ℃，并聯(lián)余熱回收模式車(chē)內(nèi)冷凝器出風(fēng)溫度可達(dá) 26～47 ℃。
（3）并聯(lián)余熱回收模式制熱量高，相應(yīng)壓縮機(jī)功耗也高于串聯(lián)余熱回收模式，最多可達(dá)0.63 kW；并聯(lián)余熱回收模式COP略低于串聯(lián)余熱回收模式，但差別不大，2種模式COP均超過(guò)1.5，最大可達(dá) 3.0。
 
 
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