电动汽车间接热泵系统的实验研究
[摘要]针对电动汽车传统电加热采暖方式效率低、甚至难以运行的问题，本文研究了一种新型间接换热热泵系统。系统采用液-液换热器间接换热方式代替风冷换热器直接换热方式，在提升系统运行稳定性的同时保证较高的系统性能系数（COP）。系统低温环境工况测试结果表明：在环境温度为-7℃时，系统制热量可达2.18kW，COP可达2.62，相比于直接换热热泵系统，COP提升近20%；-10℃时，系统最高换热量可达3.36kW；-18℃时，舱内送风温度最高可达19.4℃，基本满足纯电动汽车在冬季环境工况下的制热需求。
1电动汽车间接热泵系统图1所示为间接热泵系统的系统原理。系统由直流电动涡旋压缩机、板式换热器、暖风芯体、微通道平行流换热器、电子膨胀阀、电磁阀和气液分离器等主要部件组成。在制冷循环的制冷剂循环侧，制冷剂通过电动压缩机(1)压缩后流经板式换热器(2)和板式换热器(6)串联组成的冷凝器，过冷的液态制冷剂经过电子膨胀阀(10)节流之后进入板式换热器(11)进行蒸发吸热，之后流经气液分离器(12)回到压缩机中。在防冻液循环侧，微通道平行流换热器(8)与板式换热器(2)和板式换热器(6)组成的大冷凝器构成回路，将热量排出车外；暖风芯体(3)和电池侧水路并联，并与板式换热器(11)进行热交换，获得冷量。
图1间接热泵系统的系统原理
1-电动压缩机，2、6、11-板式换热器，3-暖风芯体，4、10-电子膨胀阀，5、9-电磁阀，8-微通道平行流换热器及直流风机，12-气液分离器
在热泵循环时，将一个板式换热器(2)作为冷凝器，另一个板式换热器(6)作为蒸发器的形式来实现系统的热泵功能。在热泵循环的制冷剂循环侧，制冷剂通过电动压缩机(1)压缩后流经板式换热器(2)冷凝，过冷的液态制冷剂流经电子膨胀阀(4)节流之后进入板式换热器(6)进行蒸发吸热，之后流经气液分离器(12)以过热状态回到压缩机，完成一个完整的热泵循环。在防冻液侧，暖风芯体(3)与板式换热器(2)进行热交换，获得热量并送至乘客舱内；板式换热器(6)与微通道平行流换热器(8)进行热交换，从外界环境吸收热量。
2实验方法及误差分析2.1实验系统原理间接换热热泵系统结构紧凑，实验系统原理如图2所示。实验在环境焓差室内进行，环境温度分别设定为-18、-10和-7℃，相对湿度为50%。
图2实验系统
实验测试采集的参数主要有压缩机的转速、功率、进出口压力及吸/排气温度、板式换热器制冷剂侧出口温度及压力、防冻液侧进出口温度及流量、暖风芯体防冻液侧进出口温度、空气侧进出口温度及风量。制冷剂采用Ra，充注量约为g。每个工况的实验在环境焓差室工况达到要求并维持0.5h后进行。其中，压缩机具体参数如表1所示，电动机形式为永磁同步电机。
表1压缩机结构参数
本系统的控制部分主要通过基于LabVIEW编写的总线通讯控制程序完成。压缩机通过控制器局域网络（ControllerAreaNetwork，CAN）总线实现转速的调节，电子膨胀阀在保证压缩机进口过热度，以及进口工质压力的前提下根据冷凝器出口过冷度通过局域互联网络（LocalInterconnectNetwork，LIN）总线实现开度的调节，两个水泵分别根据舱内送风温度和蒸发压力通过LIN总线实现流速的调节，电磁阀根据运行模式实现开闭控制，直流风机通过变电压实现风量的调节。
本系统在压缩机直流电源布置1个电流计。制冷剂管路布置3个温（度）压（力）传感器，分别是压缩机吸/排气口、板式换热器(2)制冷剂侧出口。防冻液管路布置8个热电偶传感器，分别是两个板式换热器防冻液侧进/出口、暖风芯体和微通道平行流换热器防冻液侧进/出口。两个防冻液管路各布置一个电磁流量计。空气侧布置了12个Pt温度传感器，暖风芯体的出风口布置8个，微通道平行流换热器的出风方向布置4个，还有1个环境温度传感器。实验测试设备及具体规格如表2所示。这些数据通过Agilent数据采集仪进行采集，并通过上位机进行数据的读取和存储。
表2实验测试设备及规格
系统中所有防冻液管路包裹有保温棉进行保温，每个工况的测试时间约为90min，取系统性能参数稳定部分进行数据处理与测试结果分析。
2.2评价指标由于间接换热热泵系统通过防冻液换热给乘客舱供暖，因此计算系统制热量时取暖风芯体(3)防冻液侧制热量Qw为准，系统功耗Wsys以及性能系数COP（COP）计算公式分别为：
式中，Qw为系统制热量，kW；Vw为防冻液体积流量，m3/s；ρw为防冻液密度，kg/m3；cp为防冻液比热容，kJ/(kg·℃)；twin为暖风芯体侧防冻液进口温度，℃；twout为暖风芯体侧防冻液出口温度，℃；Wsys为系统功耗，kW；W
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