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｡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｡

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｡针对热泵除湿的功能,程恰等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｡

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-20℃至60℃的环境温度,同时在0℃以上环境下可在30%~95%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｡

压缩机转速和电子膨胀阀开度采用某公司的CANalyzer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±10kPa;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｡

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15℃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4展示了在5℃､风量为243m3/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2000r/min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18%到65%｡考虑到人体的散湿量约为38g/h,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2000r/min和3000r/min条件下,双蒸模式的制热量比单蒸模式平均高33%和18%,COP高17%和19%。

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｡

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｡

表5展示了在15℃､风量为243m3/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2000r/min单蒸模式时,系统在15℃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40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26%｡如果提高开度到60步,尽管制热能力提高了18%但同时除湿能力仅为62g/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361m3/h减小到167m3/h,系统的除湿能力从349g/h降低到222g/h｡系统的制热量几乎没有变化,而制热COP降低了35%｡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100%全热调整到60%全热,系统的高低侧压力分别升高了0.87MPa和0.1MPa,使得车内冷凝器出风温度和蒸发器出风温度分别升高了29.2℃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100%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｡

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COP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COP,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100%全热位置｡