纯电动汽车用低温热泵型空调系统性能研究

【摘要】：由于纯电动汽车无发动机冷却热源用于冬季车内供热,开发冷暖两用的热泵型空调系统,已成为当前纯电动汽车空调系统开发亟待解决的关键技术。本文基于准双级压缩循环原理,结合工质R134a的低温特性和系统设备的结构特点,提出了纯电动汽车用低温热泵型空调系统,解决了R134a热泵空调系统低温环境工况下高效可靠供热运行技术,为开发适合纯电动汽车的高效热泵空调系统提供了可行的技术方法。研究成果包括以下几个方面:(1)建立了纯电动汽车用低温热泵型空调系统数学模型。包含混气型涡旋式电动压缩机、车外换热器(冷凝器)、车内换热器(蒸发器)、电子膨胀阀、混气换热器(中间换热器)以及循环工质R134a热物性参数数学模型,并根据系统各个部件之间的耦合性能,形成预测该系统性能的系统数学模型。模拟分析了车外环境温度、混气比率等因素对纯电动汽车用低温热泵型空调系统运行特性的影响。模拟结果与实验结果对比,二者变化趋势相同,吻合较好。(2)设计了纯电动汽车用低温热泵型空调系统。该系统可根据运行工况和实际需要实现中压补气和低压混气两种热泵供热循环技术,可实现不同工况下对电动汽车制冷、制热、车外换热器除霜等多种基本工作模式,通过压缩机降温增效混气系统和辅助电加热器使该系统能够在室外-20℃超低温环境温度下高效稳定地进行制热循环。(3)设计并搭建了纯电动汽车用低温热泵型空调系统性能实验平台。通过该实验台分别完成了电动汽车制冷、普通制热、低温制热和车外换热器除霜等基本工作模式下系统的性能实验。实验研究结果表明:低温工况下压缩机排气温度显著降低,当车外环境温度为-20℃时仍正常运行,压缩机排气温度可有效控制在80℃以下,解决了非混气热泵循环排气温度过高无法正常工作的情况;系统制热量明显提升,在车外环境温度为10℃时,非混气热泵空调系统制热量为4200W左右,混气型低温热泵空调系统制热量在5300W左右,制热量提高了20%以上;系统低温工况运行效率较高,在车外环境温度为-20℃时,系统COP达1.5左右,高于电加热供热、热电半导体供热等其他供热方式。(4)提出了提温增焓逆循环快速融霜技术方法。经实验研究,在0℃至-20℃的环境温度下,利用该快速融霜技术方法可在50~100秒时间内完成车外换热器的完全融霜,实现了快速融霜。(5)依据模拟与实验结果对纯电动汽车用低温热泵型空调系统进行了优化,开发了国内第一台纯电动汽车车载低温热泵空调系统,在大型人工环境实验室进行了相关的车载性能实验。实验结果表明,该车载系统在标准制冷工况、标准制热工况、低温制热工况下均表现出良好的系统性能,并通过压缩机的变频转速控制和PTC(正温度系数的热敏电阻)辅助热源保证了系统在高温和低温环境温度下车内温度维持在舒适范围,实现了系统高效节能与可靠运行的统一。 【关键词】：电动汽车 热泵 空调系统 节能 研究
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U469.72;U463.851
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-8
• 主要符号表8-13
• 1 绪论13-23
• 1.1 研究背景和意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-20
• 1.2.1 传统燃油汽车空调系统研究及应用现状14-17
• 1.2.2 纯电动汽车空调系统研究及发展现状17-20
• 1.3 本课题主要研究内容20-23
• 2 纯电动汽车用低温热泵型空调系统分析23-33
• 2.1 系统低温制热循环突出关键影响因素分析23-24
• 2.2 系统低温制热循环关键技术方法24-28
• 2.2.1 电动涡旋压缩机中压补气增焓与低压混气增效技术25-27
• 2.2.2 低流阻平行流微通道换热器结构与流程优化设计技术27-28
• 2.2.3 提温增焓逆循环快速融霜技术28
• 2.3 纯电动汽车用低温热泵型空调系统工作原理及理论分析28-30
• 2.3.1 系统组成28-29
• 2.3.2 系统工作原理29
• 2.3.3 系统理论分析29-30
• 2.4 本章小结30-33
• 3 纯电动汽车用低温热泵型空调系统模拟33-69
• 3.1 纯电动汽车用低温热泵型空调系统部件模型33-51
• 3.1.1 压缩机数学模型33-37
• 3.1.2 冷凝器数学模型37-44
• 3.1.3 电子膨胀阀数学模型44-45
• 3.1.4 蒸发器数学模型45-50
• 3.1.5 中间换热器数学模型50-51
• 3.2 纯电动汽车用低温热泵型空调系统工质热物性参数模型51-60
• 3.2.1 制冷剂热物性参数数学模型51-58
• 3.2.2 湿空气热物性参数数学模型58-60
• 3.3 纯电动汽车用低温热泵型空调系统模型60-62
• 3.4 计算结果与分析62-67
• 3.4.1 制冷系统性能模拟分析63-64
• 3.4.2 非混气型热泵空调系统性能模拟分析64-65
• 3.4.3 低温热泵型空调系统性能模拟分析65-67
• 3.5 本章小结67-69
• 4 纯电动汽车用低温热泵型空调系统实验台构建69-85
• 4.1 实验台设计69-74
• 4.1.1 实验目的69
• 4.1.2 实验系统装置设计69-74
• 4.2 实验条件及测量装置74-78
• 4.3 实验方案设计78-79
• 4.4 实验数据处理79-81
• 4.5 误差分析81-83
• 4.6 本章小结83-85
• 5 纯电动汽车用低温热泵型空调系统性能实验与分析85-111
• 5.1 制冷循环性能实验85-87
• 5.1.1 车内风机送风量对系统性能的影响85-86
• 5.1.2 压缩机转速对系统性能的影响86-87
• 5.2 低压混气增效系统性能实验87-93
• 5.2.1 车外环境温度对系统性能的影响87-89
• 5.2.2 混气比率对系统性能的影响89-92
• 5.2.3 压缩机转速对系统性能的影响92-93
• 5.3 中压补气增焓系统性能实验93-97
• 5.3.1 车外环境温度对系统性能的影响94-95
• 5.3.2 混气比率对系统性能的影响95-96
• 5.3.3 压缩机转速对系统性能的影响96-97
• 5.4 车外平行流微通道换热器结霜与融霜性能实验97-107
• 5.4.1 车外平行流微通道换热器结霜性能实验97-104
• 5.4.2 车外平行流微通道换热器融霜性能实验104-107
• 5.5 计算模型验证107-110
• 5.6 本章小结110-111
• 6 纯电动汽车用低温热泵型空调车载系统开发111-123
• 6.1 车载系统实验方案111-113
• 6.1.1 车载系统优化111
• 6.1.2 车载系统测试环境及控制设备111-113
• 6.1.3 车载系统控制方案113
• 6.2 车载系统测试方案及数据处理113-115
• 6.2.1 车载系统制冷循环实验方案114
• 6.2.2 车载系统制热循环及车外换热器融霜实验方案114
• 6.2.3 车载系统前挡风玻璃除霜及除雾实验方案114-115
• 6.2.4 车载系统实验数据处理115
• 6.3 车载系统制冷循环性能实验115-117
• 6.4 车载系统制热循环性能实验117-120
• 6.5 车载系统车外换热器自动融霜测试120-121
• 6.6 车载系统前挡风玻璃除霜与除雾效果测试121-122
• 6.7 本章小结122-123
• 7 结论与展望123-127
• 7.1 结论123-125
• 7.2 研究展望125-127
• 致谢127-129
• 参考文献129-135
• 博士期间发表的论文及参与的科研工作135-136

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