宽温区电动汽车热泵循环基础理论及运行策略研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:woaijiekexun
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电动汽车由于没有发动机的余热利用,普遍采用PTC热电阻进行供暖,但其供热效率低下,严重影响了电动汽车的续航里程。热泵型汽车空调能实现冷暖一体化,具有高效、节能、环保等优点,可作为传统PTC空调系统的有效解决方案。但当前热泵型汽车空调在高/低温下的适应性还没能得到很好地解决,当外界环境温度较高时,室外换热器的换热能力下降,导致系统制冷量不足;在外界环境温度较低时,压缩机的压比增大,造成其排气温度过高,系统的制热性能急剧下降。基于以上问题,如何使电动汽车热泵空调系统在宽温区稳定高效运行,已成为热泵型汽车空调进一步推广的关键问题。为了进一步拓宽电动汽车热泵系统运行的温度范围,本文对准二级压缩技术的宽温区热泵系统及其运行策略开展了研究。首先,采用理论求导的方法对准二级压缩循环的最佳中间温度、中间压力、相对补气量进行了研究,分析了包括冷凝温度、蒸发温度、吸气过热度、喷射过热度、过冷度和经济器的换热效率对中间参数的影响。与过热度相比,准二级压缩循环的最佳中间温度对系统的过冷度更加敏感;提高经济器的换热效率有利于提升系统的制热COP;在相同的工况下,最佳喷射压力高于经验值(经验公式)。理论求导法计算出的最佳喷射压力与实验值具有很好的一致性,最佳喷射压力的最大误差在±3%以内。其次,建立了补气增焓涡旋压缩机的计算模型,采用实验数据进行拟合,获得了相对补气量和压比之间的半经验公式。在此基础上,对宽温区热泵空调系统的主要零部件进行了匹配性分析。在上述理论研究的基础上,搭建了宽温区电动汽车热泵空调系统,开展了高/低温工况下系统性能实验研究。对不同模式下准二级压缩系统的充注量进行了研究,获得了系统达到合适充注量的判定方法。在确定充注量的基础上,对比分析了高/低温工况下补气系统与未补气系统的制冷/制热性能。补气系统可以有效地降低压缩机的排气温度,尤其是在低温工况下,这为拓宽系统运行的温度范围提供了可能。研究了高/低温工况下补气压力(中间压力)对系统性能的影响。在低温制热工况下,随着补气压力的上升,系统制热COP先上升后下降。在实际过程中,可根据实验工况(冷凝温度,蒸发温度,过冷度和过热度等参数)计算出最佳补气压力的范围,再通过调控补气支路的膨胀阀,将补气压力朝着最佳补气压力的方向进行调整。在高温制冷工况下,随着补气压力的增加,系统制冷量先增加后降低,制冷性能系数EER下降。在相同工况下,存在一个最佳的补气压力使得系统的制冷量最大。根据稳态负荷计算模型,获得了不同环境温度下乘员舱的稳态负荷需求变化曲线。在环境温度为-5℃、-10℃、-15℃和-20℃时,车舱内的负荷需求分别为2.75 k W、3.40k W、3.85 k W和4.30 k W。在此基础上,对宽温区热泵空调系统的运行策略开展了研究。在低温工况下,主路蒸发器的出口处于微量含湿状态,有利于提升系统的制热性能并降低压缩机的排气温度。在测试的工况中,对于蒸汽喷射循环来说,与策略1相比,采用策略2系统的制热量和COP最大可提升5.7%和4.6%。对于两相喷射循环,与策略3相比,使用策略4系统的制热量和COP最大可提升4.4%和4.7%。采用上述控制策略,压缩机的排气温度最大可降低23℃。合适的喷射策略可以进一步拓宽准二级压缩系统运行的温度范围。蒸发器的进口温度在-15℃以上时,采用蒸汽喷射策略可以满足需求;在-15℃以下,需要采用两相喷射策略,运行的最低温度为-22℃。在高温工况下,系统的制冷能力(制冷量)比系统性能系数(EER)更加重要。对于蒸汽喷射循环来说,与策略2相比,策略1系统在制冷能力和EER上展现出了更好的性能。在压缩机转速为5000rpm时,采用策略1系统的制冷量和EER分别提升了20.1%和20.3%。针对中国典型城市的气候条件,对电动汽车热泵空调系统宽温区的运行进行了评估。从乘员舱的负荷需求来看,采用准二级压缩系统的运行温度范围在-20~48℃,而未补气的单级压缩系统的运行温度范围仅为-10~37℃。常规的三换热泵系统与未补气的单级压缩系统(补气阀门关闭)运行的温度范围基本一致。在漠河地区,准二级压缩系统的制热运行时间比三换系统多57天。而在吐鲁番,准二级压缩系统的制热和制冷运行的时间分别比三换系统多45和20天。本文采用准二级压缩技术,从理论和实验两个方面对宽温区热泵空调系统及运行策略机制进行了研究;最后,针对中国的气候特征,对电动汽车热泵空调系统的宽温区运行进行了评估。上述研究工作具有理论意义和应用价值,为推动电动汽车宽温区运行提供了技术支撑。
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