摘要：电动汽车热泵系统在低温环境存在制热量不足的问题，一种可行的改善方式是回收电动汽车的废热来提升热泵系统的制热量。本文通过试验手段，搭建了以Ra为工质的电动汽车热泵系统试验台，在环境温度-7℃、余热回收量为1.0kW情况下，研究了热泵系统在串并联余热回收模式运行时的性能。通过改变压缩机转速，对比了2种余热回收模式的运行特性、制热能力及制热效率。研究结果表明：并联余热回收模式制热能力优于串联余热回收模式，最大可增加0.96kW，且2种模式制热量均超过3.0kW；并联余热回收模式功耗大于串联余热回收模式，最大可多0.63kW；并联余热回收模式的COP略低于串联余热回收模式，但2种模式COP均大于1.5。根据2种模式特性的试验观察，本文提出一种节能高效的余热回收控制策略。

引言

热泵系统是电动汽车维持乘员舱舒适与防止电池包过热的一种可靠手段，其采暖效率较目前普遍使用的PTC电加热器要高，从而受到各大主机厂的青睐。目前行业内各大车企都在针对热泵系统做深入的研究并纷纷将热泵技术推上电动汽车，已知搭载热泵系统上市的汽车车型有宝马i3、奥迪Q7e-tron、丰田Prius、特斯拉ModelY等。但使用Ra制冷剂的热泵系统由于受制冷剂特性与压缩机压比的限制，在低温环境下制热量不足，无法充分满足乘员舱采暖要求，提高低温环境（如-7℃）热泵系统制热量的一种可行改善方式是回收电动汽车动力系统废热。

年，AHN等开发了一种Ra双热源电动汽车热泵系统，可同时从环境和动力系统吸热。其试验结果表明，在环境温度-10℃，废热量1.5kW情况下，双热源模式的制热量与COP较环境单热源模式分别提升了10.5%与4.3%。年，SUH等设计了一种电动大巴热泵系统，在热泵模式下，通过水冷板式换热器回收电机产生的废热，结果表明采暖所消耗的电量占总电耗比例低于25%，可使电动大巴由于空调的使用导致的续航里程衰减小于20%。年，BELLOCCHI等搭建了一套可回收空气显热与潜热的热泵系统，试验结果表明该热泵系统可降低续航里程衰减率2%～6%。年，李萍等设计了一套带有废热回收的四通换向阀热泵空调系统，在余热回收模式下车外换热器与板式换热器并联分别吸收空气与电机侧水路热量，分析了电机废热量产生规律并对废热回收系统进行了整车试验研究。结果显示，环境温度为-7℃、废热量为1.0kW时，废热回收使制热量最大增加了0.8kW，相应COP由1.4提升到了1.8，但仅靠废热回收的热量以及热泵系统产生的制热量仍然不能满足车内舒适度的要求。

本文设计了一套热源为环境空气、电机废热与电池热的电动汽车热泵系统，具备2种余热回收模式：串联余热回收模式，车外换热器与余热回收换热器串联在一起；并联余热回收模式，车外换热器与余热回收换热器并联在一起。通过试验方法，研究了环境温度-7℃、余热量1.0kW情况下不同压缩机转速对系统性能的影响；结合试验结果，提出了一种节能高效的余热回收控制策略。

1试验装置与试验方法

1.1试验装置

图1示出了试验装置与测试系统。

图1试验装置及测试系统Fig.1Schematicdiagramoftestdeviceandtestsystem

试验在汽车空调系统性能试验室进行，通过单独的制冷系统和加热加湿系统控制环境状态。试验台架各个部件根据实车机舱进行布置，并通过自主设计的控制器进行控制。

本文设计的热泵系统2种余热回收模式如图2所示。

图2电动汽车热泵2种余热回收模式示意Fig.2Schematicdiagramoftwowasteheatrecoverymodesforelectricvehicleheatpumpsystem

热泵系统由电动压缩机、空调箱（包含蒸发器，车内冷凝器，温度风门等）、车外换热器，余热回收换热器、电子膨胀阀、热力膨胀阀、截止阀、气液分离器等组成，通过水PTC电加热器模拟电机发热与电池包发热。当运行串联余热回收模式时（图2（a）），温度风门置于全热位置，截止阀关闭，水泵1开启，水泵2关闭，此时高温高压制冷剂气体经车内冷凝器冷凝放热加热空气，冷凝后的制冷剂液体全部经电子膨胀阀1节流后进入车外换热器蒸发吸热，车外换热器出来的制冷剂再经过余热回收换热器1通过冷却液吸收PTC电加热器1（模拟电机）产生的热量，制冷剂最后通过气液分离器返回压缩机。当运行并联余热回收模式时（图2（b）），温度风门置于全热位置，截止阀开启，水泵1关闭，水泵2开启，此时高温高压制冷剂气体经车内冷凝器冷凝放热加热空气，冷凝后的制冷剂液体分成两路，一路经电子膨胀阀1节流后进入车外换热器吸热，另一路经截止阀后通过电子膨胀阀2节流后进入余热回收换热器2蒸发通过冷却液吸收PTC电加热器2（模拟电池包）产生的热量，最后两路制冷剂混合经气液分离器返回压缩机。

在试验装置各个测点布置铂电阻与压力传感器来测量制冷剂侧的温度和压力，采用体积流量计测量水的体积流量，电压表与电流表测量压缩机的运行电压与电流，T型热电偶测量空气侧温度，各测量精度见表1，通过计算机软件进行数据采集和处理。

表1试验台主要参数测量精度Tab.1Measurementaccuracyofmainparametersofthetestbench

试验采用车用电动涡旋式压缩机，排量为34cm3/r，供电电压为直流V，转速调节范围为～r/min，使用编制的控制软件进行转速调节。车外换热器为三流程竖排平行流换热器，外形尺寸（长×宽×高）mm×12mm×mm；车内冷凝器为双排双流程平行流换热器，外形尺寸（长×宽×高）为mm×28mm×mm；余热回收换热器1和2均为板式换热器，外形尺寸（长×宽×高）mm×76mm×mm。水泵为12V直流无刷型，额定功率W；PTC电加热器供应电压为直流V，额定制热量5.0kW；截止阀为电控直流12V驱动常闭型，电子膨胀阀能力为7.kW，开度范围为0～步。

1.2试验方法

系统的制冷剂充注量通过制冷剂充注量试验确定为0.9kg。本文制热效果对比的测试工况见表2，水体积流量固定为8L/min，调节电子膨胀阀1使得车内冷凝器出口制冷剂过冷度在10℃左右，调节电子膨胀阀2使得余热回收换热器2出口制冷剂过热度保持5℃左右。

表2试验工况Tab.2Testconditions

制热量Q用来衡量该热泵系统的制热能力，通过空气侧的换热量计算获得，其计算式为：

式中vair——空调箱送风风量，m3/h，vair=m3/h；

ρair——空气密度，kg/m3；

Cpair——空气比热容，kJ/（kg·℃）；

Tout——车内冷凝器平均出风温度，℃；

Tin——车内冷凝器进风温度，℃，Tin=-7℃。

COP用来衡量该热泵系统的制热效率，为制热量与压缩机耗功的比值，其计算方法为：

式中w

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