電動汽車熱泵空調復合除霜特性的實驗研究

林洪良 南金瑞 喬名星 劉練

（北京理工大學北京電動車輛協同創新中心 北京 100081）

電動汽車熱泵空調復合除霜特性的實驗研究

林洪良 南金瑞 喬名星 劉練

（北京理工大學北京電動車輛協同創新中心 北京 100081）

為了解決電動汽車熱泵空調在制熱過程中結霜導致制熱效率降低的問題，本文在現有除霜方法所存在的缺陷的基礎上，提出了電動汽車熱泵空調復合除霜方法，所謂復合除霜方法就是在除霜開始后，首先進入旁通除霜階段，然后根據除霜狀態，適時進入逆循環除霜階段。本文對一臺額定功率8.0 kW的電動客車空調進行改造，并在室外環境溫度（2±0.5）℃，相對濕度（80±5）%，車內溫度為（20±0.5）℃的模擬環境條件下進行對比實驗，測量壓縮機吸排氣壓力、室外換熱器溫度、室內溫度與消耗功率隨時間的變化。結果表明：與逆循環除霜相比，復合除霜壓縮機吸、排氣壓力沖擊減小，室內溫度波動減小，能耗降低8.13%；與旁通除霜方法相比，除霜時間減少60 s，能耗降低6.56%。

除霜；熱泵；電動汽車

不同于傳統燃油車，電動汽車沒有了發動機的冷卻水，制熱成為其面臨的一大問題。目前，熱泵空調是電動汽車制熱主要研究方向。熱泵型空調冬季制熱時，室外換熱器的盤管溫度總是低于周圍的環境空氣溫度，當盤管表面溫度低于環境空氣的露點溫度時，空氣中的水分會析出，換熱器的翅片表面會產生冷凝水。如果盤管溫度繼續下降到0℃以下，冷凝水就會凝結成霜附著在翅片上［1－4］。結霜會將翅片之間的間隙局部或全部阻塞，最終導致室外換熱器的換熱效率低下，甚至導致機組無法繼續制熱，因此有必要改進除霜技術。

國內外對熱泵除霜技術已有大量研究，黃東等［5－6］比較了熱氣旁通除霜和逆循環除霜在空氣?水源熱泵中的除霜效果，結果顯示熱氣旁通除霜時間更長，但具有低噪聲、室內溫度波動小，沒有吹冷風感等優點。姚楊等［7］提出了相變儲能除霜方法，董建鍇等［8］又對其特性進行了實驗研究，發現其除霜時間能縮短近60%。張杰等［9］對三種空氣源熱泵除霜方式的性能進行實驗比較，總結各自優缺點。V.Payne等［10］通過實驗方法驗證了滾動式壓縮機和往復式壓縮機在空氣源熱泵除霜過程中的不同作用。H.Cho等［11］研究了壓縮機啟停除霜和熱氣旁通除霜在柜式制冷機中的不同應用，實驗結果顯示，熱氣旁通除霜可有效提高制冷能力、降低溫度波動，但會消耗更多的除霜能量。A.K.Adnan等［12］和 S.Jain等［13］分別設計了空氣源熱泵液體除濕系統，在防止結霜方面取得了良好的效果。

目前由于電動汽車存在電池能量密度低的先天性弊端，所以電動汽車對熱泵空調的除霜要求更高，要滿足其能耗要低、除霜速度快、舒適性好的需求。相變儲能除霜引入儲能部件，大大提高除霜速度，但由于其儲能效率原因導致能耗過高；逆循環除霜利用逆卡諾循環達到除霜目的，但是機械沖擊大，且持續從車室內吸取大量熱量，車內溫度波動較大；熱氣旁通除霜依靠壓縮機的蓄熱和功耗提供除霜熱量，由于吸氣溫度、壓縮機輸入功率的衰減以及吸、排氣壓力差較小都會導致排氣溫度在霜層融化階段不斷下降，使旁通除霜的后勁不足，除霜速度下降明顯［14－17］。

針對電動汽車的需求結合逆循環除霜與熱氣旁通除霜兩者的優點，本文提出一種復合除霜的方案，就除霜時間、除霜效果及除霜能耗等與逆循環除霜、熱氣旁通除霜進行對比實驗研究。

1 復合除霜原理及實驗設計

1.1 熱泵空調復合除霜系統原理

相對于傳統的逆循環除霜法與熱氣旁通除霜法，復合除霜系統結合兩者的優點，將兩種除霜方法整合在一套除霜系統中，系統原理如圖1所示。除霜開始后，首先進入旁通除霜模式，然后根據旁通除霜階段的動態特性變化，選擇合理的時機切換到逆循環除霜模式，下面對復合除霜進行具體分析。

圖1 復合除霜系統原理圖Fig.1 Schematic of composite defrosting system

1）熱氣旁通除霜階段

當滿足除霜條件時，電磁閥打開，四通換向閥沒有動作，系統進入旁通除霜狀態。首先，飽和蒸氣經過氣液分離器，然后被壓縮機吸入變成高溫高壓的蒸氣，部分制冷劑通過旁通電磁閥節流后進入室外換熱器，與換熱器內部原來的兩相制冷劑混合，在壓縮機的連續抽吸作用下，流經室外換熱器冷凝放熱融霜，再次回到氣液分離器中，準備下一次循環。

熱氣旁通除霜依靠壓縮機的蓄熱和功耗提供除霜熱量，待儲熱耗盡就會出現能量不足、除霜緩慢的現象。復合除霜首先進入熱氣旁通除霜是為了利用壓縮機的儲熱除霜，降低壓縮機吸、排氣壓力差，增加室外機溫度，減小室內溫度波動，為進入下一階段除霜做好準備，避免長時間熱氣旁通除霜。

2）逆循環除霜階段

當機組檢測到壓縮機輸入功率降低、排氣溫度下降、除霜速度下滑時，關閉電磁閥，動作四通閥，進入逆循環除霜狀態。車外換熱器便與車內換熱器的功能對調，由蒸發器變成了冷凝器，而車內換熱器由冷凝器變為蒸發器，在此除霜狀態下，高溫排氣進入室外翅片換熱器除霜，系統由原來的制熱狀態切換為制冷循環，所以制冷劑會從車室內吸收熱量用于除霜。

由于前一階段的除霜基礎，在四通閥動作時的機械沖擊大大減小，并且降低逆循環時間，減少從室內吸取的能量，室內溫度波動會明顯改善。

3）除霜邏輯

對于除霜控制方法國內外已經有很多研究，本實驗采用工程中使用較多的溫度?時間控制方法。對于逆循環除霜和熱氣旁通除霜，啟動除霜的條件為：當結霜導致機組的室外換熱器溫度低于－5℃時，啟動除霜；終止除霜的條件為：當室外換熱器的溫度達到30℃或者除霜運行時間超過10 min時，終止除霜。在逆循環除霜過程中，壓縮機轉速選擇定轉速模式，轉速為1 500 r／min；在熱氣旁通除霜過程中，電磁閥開度固定，將60%的熱量通過電磁閥流入室外換熱器，壓縮機為制熱邏輯下控制的轉速。為保證對比實驗的統一性，在復合除霜過程中，起始條件、終止條件、壓縮機轉速和電磁閥開度均與上述相同，當室外換熱器溫度變化速率減低50%時，終止逆循環除霜模式，進入熱氣旁通除霜模式。

1.2 復合除霜系統對比實驗設計

實驗系統主要由壓縮機、室內機、室外機、膨脹閥、電磁閥、四通換向閥和除霜控制系統組成，傳感器布置見圖1。實驗空調系統如圖2所示，對比實驗中四通閥和電磁閥的控制如表1所示。實驗過程中制冷劑采用R410A，充注量10 kg，壓縮機額定輸入功率為8.97 kW，額定制熱量為25.36 kW，室內風機與室外風機額定風量分別為4 000 m3／h和3 600 m3／h。實驗中布置了壓力傳感器（量程為5.0 MPa，精度為±0.075Pa）、溫度傳感器（±0.1℃）、濕度傳感器（±1.0%）。測試時，模擬室外環境溫度（2±0.5）℃，相對濕度（80±5）%（通過加濕器提供蒸氣），除霜啟動時，霜厚約為3 mm，車內溫度為（20±0.5）℃。

表1除霜系統控制模式Tab.1 Defrosting system control modes

圖2實驗系統實物圖Fig.2 The graph of experiment system

2 實驗數據及分析

2.1 壓縮機吸排氣壓力變化

圖3壓縮機吸排氣壓力變化Fig.3 Variation of discharge and suction pressure for different defrost modes

壓縮機吸排氣壓力是評價熱泵除霜效果的重要參數。除霜從30 s處開始，由圖3可知，對于逆循環除霜方案，在除霜開始30 s內，由于四通換向閥的跳轉，排氣壓力急劇下降0.7 MPa，吸氣壓力上升0.4 MPa，隨著除霜的進行，在270 s結束時四通閥再次動作，又出現壓力的劇烈波動，形成較大的機械沖擊。熱氣旁通除霜吸排氣壓力波動較小，但是，隨著除霜的進行，壓差呈下降趨勢，對于霜層較厚處除霜速度明顯下降。然而對于復合除霜方式，由于機組首先進入的是熱氣旁通除霜模式，所以壓縮機吸排氣壓力變化幅度小，當運行到120 s，熱氣旁通除霜出現除霜速率明顯下降時，開啟逆循環除霜模式。由于前面的除霜結果，排氣壓力下降比逆循環除霜小0.3 MPa，吸氣壓力上升比逆循環除霜小0.2 MPa，在結束時的壓力波動也明顯減小。

數據分析表明：復合除霜既不會出現壓力劇烈波動，也不會隨著除霜的進行速率下降。

2.2 室外換熱器與車內溫度變化

圖4和圖5所示分別為室外換熱器的溫度變化與車室內溫度變化曲線?？刂瞥K止的條件是室外機翅片表面最低溫度達到30℃，在逆循環除霜中，室外機溫度變化較快，在240 s時已經達到30℃。由于溫度延遲、變化速度快，在270 s之前溫度仍有上升，但是由于逆循環除霜的原理是從室內吸取熱量，所以在除霜期間會造成車室內的溫度下降明顯，影響舒適性。對于熱氣旁通除霜，隨著除霜的進行除霜速度明顯下降，在330 s左右才達到除霜要求，但在熱氣旁通除霜期間仍有從壓縮機排出進入室內的氣體，所以溫度下降不明顯。復合除霜首先進入熱氣旁通除霜模式，在120 s左右進入逆循環除霜模式，避免了長時間逆循環除霜造成的車室內溫度波動較大的問題，復合除霜在270 s左右達到30℃，與逆循環除霜相差小于30 s，且明顯優于熱氣旁通除霜速度，避免了旁通除霜在除霜后期能量不足造成的除霜速度下降的問題。

圖4 室外換熱器溫度變化Fig.4 Temperature variation of outdoor coil for different defrost modes

2.3輸入功率變化

圖6所示為不同除霜模式下的輸入功率變化。

圖5 車室內溫度變化Fig.5 Variation of indoor temperature for different defrost modes

圖6 輸入功率變化Fig.6 Input power variation for different defrost modes

根據壓縮機的理論輸入功率公式，

式中：Wcomp為壓縮機理論輸入功率，kW；Mm為壓縮機質量流量，kg／s；k為多變指數，一般取1.277 5；ps為壓縮機吸氣壓力，Pa；vs為壓縮機的吸氣比容，m3／kg；pd為壓縮機排氣壓力，Pa。

逆循環除霜由于在進入除霜時調節四通閥，壓縮機暫時停機，所以功率很低。然后開啟壓縮機，功率迅速回升，在除霜結束時也要調節四通閥，其在除霜期間所消耗的能量全部用來除霜，且從車室內吸收大量熱量。在熱氣旁通除霜時，輸入功率呈下降趨勢，是因為沒有吸收外部熱量，只依靠壓縮機的能量，流回氣液分離器中的液體增加，制冷劑流量減少。從上式可知壓縮機的輸入功率與制冷劑流量呈正比，所以除霜速度明顯下降。復合除霜也會出現四通閥跳轉，但時間很短，對整體耗功率影響不大，所以除霜速度快，部分熱量流入室內換熱器中，室內溫度波動小。計算除霜所消耗能量為：

式中：Pd為除霜功率，s，W；t為除霜時間，s；Qi為傳入室內的熱量，J。

逆循環除霜Qi＝0，對于旁通除霜與復合除霜：

式中：Ph為車室熱負荷，W；th為旁通除霜階段時間，s；c為室內空氣比熱容，J／（kg·℃）；m為空氣總質量，kg；ΔT為旁通除霜階段溫度變化，℃；η為制熱能效比。

根據實驗數據，由表2計算數據可知復合除霜比熱氣旁通除霜節能6.56%，比逆循環除霜節能8.13%。

表2除霜能耗Tab.2 Energy consumption for different defrost modes

3 結論

本文針對現有除霜技術的不足，提出了復合除霜方案，搭建實驗臺模擬室外環境溫度（2±0.5）℃，相對濕度（80±5）%，除霜啟動時，霜厚約為3 mm，車內溫度為（20±0.5）℃，進行復合除霜、熱氣旁通除霜與逆循環除霜對比除霜實驗，分析了實驗數據，得到以下結論：

1）復合除霜方式結合了熱氣旁通除霜及逆循環除霜的各自特點，不僅可以減少單獨逆循環除霜造成供熱溫度的波動，也可以避免單獨旁通除霜所造成的除霜后勁不足的缺點，提高除霜速度。

2）在除霜過程中，可以根據旁通除霜階段的化霜狀況，選擇合適的時機切換到逆循環除霜模式，充分利用了壓縮機的蓄熱。利用電磁閥可以進一步減少除霜過程中的功耗損失，比旁通除霜節能6.56%，比逆循環除霜節能8.13%。

3）在除霜過程中，復合除霜方式的四通閥換向次數與逆循環除霜方式相同，但機組的壓力波動幅度遠遠小于逆循環除霜方式，因此產生的機械沖擊要小得多，有利于延長系統的使用壽命。

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Experimental Study of the Characteristic of Composite Defrosting for Heat Pump Air Conditioner of Electric Vehicle

Lin Hongliang Nan Jinrui Qiao Mingxing Liu Lian

（Beijing Institute of Technology，Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles，Beijing，100081，China）

To solve the problem that frosting leads to lower efficiency of the heat pump air conditioner for electric vehicle in the heating process，a new method of composite defrosting is proposed after analyzing the deficiency of the existing defrosting method.At the beginning of the defrosting，firstlyenter the bypass defrost stage.Then reverse cycle defrost stagetimelyaccording to the defrost state.An electric bus air conditioning system with a rated power 8.0 kW was transformed，and the comparative test was carried out in the simulated environment of the outdoor at（2±0.5）℃，the indoor at（20±0.5）℃ and the relative humidity of（80±5）%.The change of the compressor suc?tion and discharge pressure，the outdoor heat exchanger temperature，indoor temperature and power consumption were measured.The ex?perimental results indicated that，compared with the method of reverse cycle defrosting，the compressor shock of discharge and suction was reduced，the fluctuation of indoor temperature was decreased and energy consumption decreased by 8.13%；compared with the method of hot－gas bypass defrosting，the time of defrosting was decreased by 60 s and energy consumption decreased by 6.56%.

defrosting；heat pump；electric vehicle

TU831.6；U469.72；U463.85＋1

A

0253－4339（2017）01－0029－05

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.01.029

2016年3月17日

南金瑞，男，副教授，博士，北京理工大學，北京電動車輛協同創新中心，13240946922，E?mail：nanjinrui＠bit.edu.cn。研究方向：車載總線、汽車電子、新能源車輛整車控制技術、電動空調系統及能量管理技術等。

About the author

Nan Jinrui，male，Ph.D.／professor，Beijing Institute of Tech?nology，Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing，＋86 13240946922，E?mail：nanjinrui＠bit.edu.cn. Research fields：vehicle bus，auto electronics，control technology of new energy vehicles，electric air conditioning system and ener?gy management technology.