摘要：最近新兴的电动汽车不仅能够克服燃油汽车对化石燃料的依赖问题，最重要的是电动汽车能够将能源的利用变得多样化，符合自然环保的生态主题，是未来汽车的主流趋势。本文主要是研究电动汽车的热泵空调系统中的换热器结霜现象，根据不同的温度和湿度、以及送风量工况的情况下，对电动汽车的热泵空调系统的结霜特性的进行研究，找出电动汽车热泵空调系统的结霜原因，提高热泵空调系统的制热性能且降低空调系统的能量消耗。
关键词：电动汽车；热泵空调系统；结霜特性
一、影响空调微通道换热器的结霜的因素
（一）热泵空调系统结霜的因素
影响热泵空调系统结霜的原因主要是蒸发器、送风量等因素，根据实验观察表明，当结霜的面积比重速率开始增加的时候，蒸发器送风量的也开始减少。送风量主要是分为三种，跟结霜变化的情况是保持一致的。当送风量开始变小的时候，空气就会缓慢的淌过微通道的换热器时，就会被冷却，导致多余的水汽就会被析出，这些析出的水汽就会结成霜。而当风量变大的时候，空气和水分停留的时间就会变短，这样结霜的可能性就会变小。除此之外，空气的相对湿度也影响换热器的结霜程度，空气的湿度较大的时候更容易析出水分，空气也更加容易到达饱和的状态。所以，根据测试观察的结果表明，当空气湿度越大、送风量越小，热泵空调系统的换热器就会越容易结霜。
（二）结霜状态对热泵空调系统的影响
当换热器在结霜的状态下，会影响制冷剂换热的效果。当换热器上的霜层较薄的时候，制冷剂换热与空气之间的阻隔就会较轻一些；霜层的粗糙程度也能够有效的增加换热器的系数，使水蒸气发生变化，这说明霜层的存在在一定条件下能够促进换热器的换热功能。这种状态下，随着结霜面积的不断增大、相继的结霜速率也在不断的增加，导致蒸发器的换热量增大，使空气和制冷剂的换热运行开始出现一定的困难， 霜层的厚度慢慢增加，水蒸气的发生相变的可能性就会变低，最终是霜层对于换热的促进作用转变为对换热的阻碍作用，热泵空调系统的效能、性能也会降低。
二、电动汽车热泵空调系统结霜研究
为了测试电动汽车热泵空调系统在冬季工况下的制热性能，同时为了探究该系统在低温工况下的结霜特性，电动汽车热泵空调实验在本公司焓差实验室中进行。焓差实验室系统用软硬环境建构了一个自动化程度相当高的房间空调器性能测试实验室，采用通用的空气焓差法或者水侧量热计法等方法来测试家用空调器的额定制冷/制热性能、压缩机耗功、系统能效比等参数，它是家用空调器性能检测的重要手段。同时该焓差实验室符合相应国家实验室测试标准的要求。可以准确测定多种型式空调器的性能技术数据。该焓差室蒸发器室的温度调节范围为-10℃~60℃，冷凝器室的温度调节范围为-20~60℃，风量调节范围为 0~1200m³/h，蒸发器室和冷凝器室温度和湿度控制精度分别为±0.5℃和±5%。
（一）测试系统
为测试电动汽车热泵空调在结霜工况下的系统性能参数，需要在系统各部件之间添加温度和压力测点，利用J型热电偶进行温度测量，温度布点紧贴在管路壁面上，在其上依次粘贴锡箔纸、保温棉及布基胶带，防止环境温度干扰带来的测量误差。在系统部件之间安装有三通接头，用来连接压力传感器。同时在冷凝器之后安装质量流量计，检测系统实时流量状况，实验系统温度、压力布点。
（二）测试参数
本实验的测试参数主要包括温度参数、压力参数、流量参数及空气湿度参数等，各测试项目所用仪器的型号、量程、精度等参数如表1所示。
表1 测试仪器参数表
由于制冷剂在微通道换热器中分布不均匀，制冷剂不均性的直接影响是引起换热器表面温度的不均匀，而且同时也为观测结霜情况下换热器表面温度，故在室外侧换热器和室内侧换热器表面均匀布置热电偶，由于室内侧换热器较小，布置3*3个热电偶。室外侧换热器布置3*5个热电偶。
（三）测试方法及标准
利用焓差实验室对电动汽车热泵空调进行性能测试时，根据《汽车空调制冷装置试验方法》中对测试工况的要求，汽车空调系统性能实验必须满足一下条件：①蒸发器进风口空气的干球温度为27±1℃，湿球温度为19. 5±0.5℃；冷凝器进风口空气的干球温度为35±1℃，对湿球温度没有要求。②针对主动驱动式压缩机来说，压缩机转速分为1000、1800、3600rpm三个档运行，其系统制冷量应该是当转速为1800rpm时系统的制冷量；针对辅机驱动式压缩机，压缩机应该运行在高转速下。进行系统测试时，压缩机的转速波动不应大于2%。根据压缩机实验规范，试验中将压缩机转速为1800rpm时的制冷量作为热泵空调系统的额定制冷量。在焓差室中需要将相应部件安装正确，将室内外侧换热器安装在焓差室的风道中，以便准确测量流经换热器的风量，随后将蒸发器和冷凝器的管路连接至系统主机，此时应注意管路的保温问题，以防在流动管道中失去热量/冷量，而且管路应尽量避免弯曲，以免造成较大的局部压力损失。随后系统在充满制冷剂后应保压一段时间，前后记录的压力数值不应有变化。
（四）实验结果与分析
电动汽车热泵空调在冬季运行制热工况时，室外侧换热器作为蒸发器与环境低温空气进行热交换。蒸发器的温度一般低于环境温度5~8℃，故其表面温度会低于环境露点温度，水蒸气会在换热器表面先凝结成露后冻结成冰，这就是结霜现象。霜层生长前期，霜层的形成增加了导热热阻，同时也增大了换热器表面的粗糙度及换热面积，使总传热系数有所增加，但随着霜层厚度的增加，导热热阻成为换热器传热系数的主要影响因素。霜层加大了空气流过换热器的空气阻力，降低了空气流量，进而导致热泵系统运行效率下降。对于结霜过程的研究有利于我们及时有效的进行除霜控制，减少不必要的能量浪费。
结语：电动汽车的热泵空调系统在经济效益和环保效益上也比燃油汽车具有一定的优势，热泵空调中的微通道换热器环保、节能的特点让它成为电动汽车空调的首选，采用微通道换热器的电动汽车空调系统的性能明显优于传统汽车的空调系统性能。但是研究者根据微通道换热器和管翅式换热器在室内外的对比发现，微通道换热器的换热器体积和制冷剂充注量逐渐减少、制冷系数和制热系统也相对降低，这表明虽然微通道换热器对于传统换热器来说是有一定的优势，但是在热泵空调系统的运转下，以及室外温度降低的条件，处于室外的微通道换热器就会出现结霜的现象，这就是制热系数会下降的原因。所以，解决微通道换热器的结霜问题是很有必要的。
参考文献：
[1] 颜允．深度混合动力汽车热泵空调可行性研究[D]．广州: 华南理工大学， 2014．
[2] 欧阳光. 热泵型电动汽车空调系统性能实验研究[D]. 华南理工大学，2011.
[3] 李会喜. 电动汽车热泵空调结霜融霜实验研究[D]. 华南理工大学， 2015.
论文作者:孙佳欣
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/16
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