0 引言

电动车使用电池作为驱动动力，它的空调系统采用电力驱动而非机械驱动^[1]，空调系统能耗占据电池容量的 15%，空调系统的性能对于电动汽车的续航里程有直接的影响^[2]，因此，探索研究节能高效的空调系统对电动车节能降耗和电动汽车市场扩展具有现实的意义。

其中，制冷剂的充注量对电动汽车热泵空调系统的循环性能有着很大影响，陈江平等^[14]和周光辉等^[15]的研究均表明：制冷剂的充注量不足会导致压缩机吸气温度过高，造成过热度过大，排气温度过高；充注量过多则会导致排气压力过高，甚至破坏系统。因此，研究合适的制冷剂充注量对系统高效稳定运行具有重要的意义。

1 热泵系统的设计研究

本文试验样机为二级压缩喷射热泵空调系统， 如图 1，通过喷射器实现二次增压的喷射热泵系统， 改变压缩机里冷媒工质的压力流速，增加压缩机出口冷媒的排气量、压力；提高压缩机的排气温度， 提高热泵系统效率。二级压缩喷射压焓图如图 2 所示。

热泵系统制热量：

Q_k = m_k (h₃ – h₄)    （1）

压缩功：

W = W1-2 + W2-2’ + W2’-3    （2）

制热性能系数：

COP = Q_k / W    （3）

式中：

W1-2——压缩机喷射压缩过程 1-2 做的功，kJ；

W2-2——压缩机喷射压缩过程 2-2’做的功，kJ；

W_2’-3——压缩机喷射压缩过程 2’-3 做的功，kJ；

h ₃、h ₄——制冷剂进出散热器状态焓值，kJ/kg。

图 1  电动汽车二级压缩喷射热泵空调系统图

图 2  二级压缩喷射热泵系统压焓图

2 电动空调系统试验

2.1 实验装置与测试条件

本文依据理论研制了电动汽车热泵空调系统， 并将其搭载在电动车上进行试验。空调试验室按照国际标准建设，低温试验室可以完成-25 ℃低温采暖试验。试验方法和数据处理均依据中国汽车行业标准 QC/T 656-2000《汽车空调制冷装置性能要求》和QC/T 657-2000《汽车空调制冷装置试验方法》。测试仪表符合 QC/T 657-2000 的规定。试验环境条件：环境温度-15 ℃±0.5 ℃，-12 ℃±0.5 ℃，-5 ℃±0.5 ℃，车速 60 km/h（热泵压缩机转速 5,000 r/min）。空调模式：全热吹脚；鼓风机最大档，外循环。试验结果整理成性能曲线。

2.2 试验结果及分析

制冷剂充注量对汽车热泵空调低温采暖性能影响较大，试验不仅是验证冷媒加注量的设计参数，更为重要的是寻找最佳冷媒充注量，以便热泵空调更有效节能地运行，获得最优的能效比。在汽车空调系统中，合适的制冷剂充注量可以在膨胀阀和储液罐的作用下保证合适的蒸发器和合适的出口过热度及冷凝器出口过冷度。

3）图 7 所示，在-15 ℃环境温度压缩机排气温度和排 气压力 随 着 冷媒 充 注 量的 变 化 ，在1,300 g~1,400 g 区间可以看到排气温度和排气压力达到最大。此图也验证了图6 充注量试验结果的正确性。

4）图 8 表现的是不同环境温度与热泵空调制冷剂充注量的关系。从系统高压高处平衡段区间方法判断可以看出，-12 ℃的环境温度冷媒加注量为1,150 g，-15 ℃的环境温度冷媒加注量为 1,350 g；这个也验证了前面图 3~图 5 的结论。

5）图9所示，随着环境温度的降低，热泵系统冷媒最佳加注量是增加的。

图 5 -15 ℃环境制冷剂充注量与空调出风温度关系图

图 6 -15 ℃热泵制冷剂充注量试验

图 7 -15 ℃环境压缩机排气温度压力与充注量关系图

图 8 不同环境温度与热泵制冷剂充注量关系图

图 9 环境温度与热泵制冷剂充注量关系图

3 结论展望

电动汽车是国家新能源汽车产业化一个重要的发展战略，其续航里程一直是制约因素。本文研究热泵空调低温制冷剂充注量对于热泵系统的效能提升有重要的意义，对于提高电动汽车续航里程，也间接产生影响。本文就热泵空调未来发展与各位研究者探讨：

1）结合整车工况进行热泵系统的运行环境及控制策略试验研究，以提高整车的续航里程；2）热泵空调系统的加注量与系统运行的环境温度有较大关系，通过试验研究寻找适用范围较大，能耗低的冷媒充注量具有应用的广泛性和实践性。

3）热泵空调系统的加注量是个系统工程，通过改进热泵系统部件减少最佳制冷剂充注量是环保节能的研究方向。

参考文献：

[1] 谢卓, 陈江平, 陈芝久. 电动车热泵空调系统的设计分析[J]. 汽车工程, 2006, 28(8): 763-765. 

[2] 张子琦, 李万勇, 张成全, 等. 电动汽车冬季负荷特性研究[J]. 制冷学报, 2016, 37(5): 39-44. 

[3] 孙井纬, 刘业凤, 贾世伟. 跨临界CO2热泵热水器用气冷器研究现状[J]. 制冷技术, 2016, 36(2): 72-78. 

[4] 周光辉, 陈杰, 陈通, 等. 电动汽车热泵空调系统低温供热实验研究[J]. 低温与超导, 2015, 43(3): 42-45. [5] SARKAR J, BHATTACHARYYA S, GOPAL M R. Natural refrigerant-based subcritical and transcritical cycles for high temperature heating[J]. International Journal of Refrigeration, 2007, 30(1): 3-10. 

[6] ZHANG F Z, JIANG P X, LIN Y S, et al. Efficiencies of subcritical and transcritical CO2 inverse cycles with and without an internal heat exchanger[J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(4): 432-438.

[7] 史保新, 马国远, 陈观生. 电动车用空调装置的研究[J]. 流体机械, 2002, 30(4): 48-50.

[8] 江挺候, 张胜昌, 康志军. 电动汽车热泵系统研究进展[J]. 制冷技术, 2012, 32(2): 71-74.

[9] 祁照岗, 谢卓, 陈江平, 等. 汽车空调热泵系统可行性分析[C]// 上海市制冷学术年会论文集, 上海, 2005: 255-259. 

[10] 陈江平. 国外汽车空调系统技术发展趋势[J]. 制冷学报, 2002, 23(4): 30-33.

[11] 赵家威, 郭二宝. 电动汽车热泵空调系统试验研究[J]. 安徽建筑大学学报, 2014, 22(5): 50-53. 

[12] 张志, 贾少波, 谢伟, 等. 蒸发器盘管结霜特性的实验研究[J]. 制冷技术, 2015, 35(2): 29-33. 

[13] 黄东, 陈群, 袁秀玲. 支路数对热泵空调中冷凝和蒸发两用换热器性能的影响[J]. 西安交通大学学报, 2007, 41(5): 543-548.

[14] 刘杰, 赵宇, 陈江平, 等. 制冷剂充注量对新型换热器汽车空调的影响[J]. 制冷学报, 2011, 22(2): 99-102. 

[15] 周光辉, 李海敏, 崔四齐, 等. 电动客车热泵空调系统制冷剂充注量实验研究[J]. 低温与超导, 2016, 44(3): 44-48.