杜晓录 郭宪民 张丹丹

(天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

在低碳环保、节能减排理念及国家政策的大力支持下，新能源汽车发展迅速，已成为汽车产业发展的主流趋势。电动汽车(electric vehicles，EVs)因使用电能提供动力，相比于传统内燃机汽车(internal combustion engine vehicles，ICEVs)，不需消耗化石燃料，故不存在环境污染，因而发展前景较好[1]。对于EVs而言，空调系统作为保证乘员舒宜性的主要子系统，消耗的电能约占整车能耗的33%[2]，极大的减少了里程数，所以降低空调系统能耗成为提升EVs里程数的关键方法[3]。因此，提出一种既能保证车内人员安全舒适，又能降低能耗的高效电动汽车空调系统是极为必要的[4-5]。

轩小波等[6]在电动汽车空调系统中使用两个内部换热器串联形成三换热器的空调系统，实验证明，三换热器系统比传统两换热器系统的COP可提高18.2%。Zhang Dong等[7]分析了使用经济器的蒸气喷射(economized vapor injection，EVI)制冷系统性能，表明经济器可有效提高低温下空调系统的性能。Wang Jijin等[8]通过理论计算与实验研究对比分析了闪蒸罐蒸气喷射(flash tank vapor injection，FTVI)制冷系统以及经济器蒸气喷射制冷系统的性能，得出FTVI系统性能更优的结论。为了进一步提高电动汽车空调系统性能，任学铭等[9]提出电动汽车空调系统的单蒸发器和双蒸发器两种除湿方案，实验表明双蒸发器除湿空调系统的性能和出风温度均高于单蒸发器除湿空调系统。Zhang Yun等[10]提出一种二次回路空调系统，可避免制冷剂与车内人员的直接接触，同时加入热回收设计，实验表明该系统COP比无热回收设计的系统可提高9.29%。提高空调系统性能的另一种方法是使用制冷剂引射技术[11-12]，将引射器应用于空调系统，可有效提高蒸发器比焓差，减少压缩机功耗，Wang Xiao等[13]在FTVI系统的基础上引入引射器，提出一种新型喷射器补气循环(ejector vapor injection cycle，EVIC)，仿真结果表明，与FTVI系统相比，采用R22、R290和R32三种制冷剂的EVIC系统COP分别提高了8.4%、10.2%、8.2%。李浩等[14]通过引入引射器可使电动汽车空调系统COP提高1.65%～12.60%，能够有效减少系统能耗从而增加汽车的行驶里程。丰田普锐斯车型设计将蒸发器和引射器作为一体换热器来提高系统制冷性能[15-16]。总体而言，目前引射器增效空调系统多用于住宅和商用，在电动汽车空调系统中应用引射器的研究较少。

为了进一步提高电动汽车空调系统的性能，本文将引射器引入传统电动汽车空调系统，在蒸发温度相同的情况下，使用引射器提高系统吸气压力，减少压缩机功耗，与此同时，换热器形成梯级蒸发，增大传热温差，提高传热效率。张丹丹[17]通过模拟研究表明，无论是制冷性能还是热泵性能，电动汽车引射空调系统的性能始终优于传统电动汽车空调系统性能。本文实验研究在不同蒸发温度、冷凝温度工况下电动汽车引射空调系统的性能，并与传统电动汽车空调系统进行制冷性能对比分析。

1 实验系统

实验系统包括电动汽车引射空调系统、环境室系统及测控系统。电动汽车引射制冷系统如图1所示，将室内、外侧换热器设计为前后排分离形式，形成梯级蒸发，增大了传热温差，在室内侧前后排换热器之间加入引射器，提高吸气压力，提升系统性能。制冷工况下截止阀1开启，截止阀2关闭，从压缩机出来的制冷剂流向室外侧并联的前、后排换热器进行冷凝换热，再通过电子膨胀阀节流降压后的制冷剂被分为两路，一路进入引射器引射口作为主引射流，另一路进入室内后排换热器，吸热蒸发后的气态制冷剂被主引射流卷吸，混合扩压后在室内前排换热器吸热蒸发，最后流回压缩机吸气口。将截止阀1关闭，截止阀2开启，可切换为传统空调系统，经过电子膨胀阀节流降压后的制冷剂直接进入室内后排、前排换热器吸热蒸发，最后流回压缩机吸气口。系统的车内、外侧部分分别置于焓差法空调性能实验室的室内、外侧环境室内，两个环境室内分别有一套压缩冷凝机组及空气处理机组。通过水冷式制冷系统、电加热管以及电加湿器等实现对环境室温、湿度的调节，以提供实验所需的工况条件。

压缩机选用27 cm3排量的某型号涡旋电动压缩机，制冷剂为R134a；换热器均采用百叶窗翅片微通道换热器，具体结构参数如表1所示。

表1 百叶窗翅片微通道换热器结构参数

环境室系统空气侧干/湿球温度采用Pt100Ω铂电阻测量，精度为±0.1 ℃；相对湿度采用HMP230测量，精度为2%。实验系统温度、压力及质量流量测点布置如图1所示。采用T型热电偶测量制冷剂温度，精度为±0.1 ℃；空气采用EE230型温湿度传感器测量温湿度，精度为±0.1 ℃；压力传感器精度为±0.1%FS(即在量程范围内，所有测点的误差不超过±0.1%)，同时换热器两侧制冷剂压降采用差压变送器测量，精度为0.1%FS；采用质量流量计测量制冷剂质量流量，精度为0.1%FS；采用数字功率计测量系统的功耗，精度为0.1% FS。实验数据使用GP10数据采集仪进行采集。

图1 电动汽车引射空调系统

2 实验结果及分析

在不同蒸发温度、冷凝温度工况下，对带引射器的电动汽车空调系统的性能进行实验研究，并与传统电动汽车空调系统性能进行对比分析。图中横坐标的蒸发温度均指后排蒸发器蒸发温度。

2.1 蒸发温度对电动汽车引射空调系统性能的影响

为了研究蒸发温度对系统性能的影响，控制实验系统压缩机转速为3 200 r/min，冷凝温度为50 ℃，过冷度为5 ℃，过热度为5 ℃，后排蒸发器蒸发温度变化范围为-5～5 ℃，对比不同蒸发温度下的引射空调系统性能。

图2所示分别为蒸发温度对系统性能的影响。由图2(a)和图2(b)可知，随着蒸发温度的升高，系统的制冷量和COP均逐渐增加，这与传统制冷系统性能是一致的。同时，随着蒸发温度的升高，后排蒸发器换热量逐渐减小，前排蒸发器换热量逐渐增大，这是因为当蒸发温度升高时，通过后排蒸发器的质量流量减小(如图2(c)所示)，即引射器的引射比逐渐减小，导致后排蒸发器制冷量逐渐减小。由图2(a)还可知，后排换热器的换热量仅占系统制冷量的10.93%～13.51%，其换热潜力尚未充分释放，可以通过调整毛细管长度及改善引射器的引射比来增大流过后排蒸发器的工质流量，从而提高换热量，进一步改善系统COP。

图2 蒸发温度对系统性能的影响

2.2 冷凝温度对电动汽车引射空调系统性能的影响

为了研究冷凝温度对系统性能的影响，控制实验系统压缩机转速为3 200 r/min，蒸发温度为-1 ℃，过冷度为5 ℃，过热度为5 ℃，冷凝温度变化范围为45～55 ℃，对比不同冷凝温度下的引射空调系统性能。

图3所示为冷凝温度对系统性能的影响。由图3可知，随着冷凝温度的升高，系统的制冷量和COP均减小，这与传统制冷系统性能是一致的。由图3(a)可知，随着冷凝温度的逐渐升高，后排蒸发器换热量逐渐增大，而前排蒸发器换热量逐渐减小，这是因为当冷凝温度升高时，通过后排蒸发器的质量流量增大，如图3(c)所示，即引射器的引射比逐渐增大，导致后排蒸发器制冷量逐渐增大，而通过系统的总质量流量随着冷凝温度的升高逐渐减小，所以前排蒸发器制冷量随之减小。

图3 冷凝温度对系统性能的影响

2.3 引射空调系统与传统空调系统性能对比

为了对比电动汽车引射空调系统与传统电动汽车空调系统的性能，控制实验系统压缩机转速为3 200 r/min，过冷度为5 ℃，过热度为5 ℃，蒸发温度变化范围为-5～5 ℃，冷凝温度变化范围为45～55 ℃，分别对比不同蒸发温度、冷凝温度工况下两个系统的性能。

图4所示为不同蒸发温度下系统性能的对比。由图4可知，随着蒸发温度的升高，电动汽车引射空调系统与传统电动汽车空调系统的制冷量和COP均增大。在研究工况范围内，电动汽车引射空调系统的制冷量和COP始终高于传统电动汽车空调系统，随着蒸发温度的升高，电动汽车引射空调系统的制冷量及COP提高的幅度略有增大。在蒸发温度为-5～5 ℃范围内，电动汽车引射空调系统制冷量相比于传统电动汽车空调系统提高约12.98%～14.57%，而COP提高约14.9%～15.31%。

图4 不同蒸发温度下系统性能对比

图5所示为不同冷凝温度下系统性能的对比。由图5可知，随着冷凝温度的升高，电动汽车引射空调系统与传统电动汽车空调系统的制冷量和COP均减小，且在研究工况范围内，电动汽车引射空调系统的制冷量和COP始终高于传统电动汽车空调系统。随着冷凝温度的升高，电动汽车引射空调系统的改善幅度减小。在冷凝温度为45～55 ℃范围内，电动汽车引射空调系统制冷量比传统电动汽车空调系统高约11.10%～14.08%，而COP比传统电动汽车空调系统高约13.09%～16.61%。

图5 不同冷凝温度下系统性能对比

3 结论

本文将传统电动汽车空调系统车内换热器采用前、后排分离形式，在前、后排换热器之间加入引射器以提高前排换热器内蒸发压力，形成梯级蒸发，提高压缩机的吸气压力，以提高系统性能。实验研究了在不同蒸发温度、冷凝温度工况下电动汽车引射空调系统的制冷性能，并与传统电动汽车空调系统性能进行了对比，得到如下结论：

1)随着蒸发温度的升高或冷凝温度的降低，电动汽车引射空调系统总质量流量、总制冷量及COP均随之增大，这与传统制冷系统的性能变化一致。当蒸发温度从-5 ℃升至5 ℃时，系统引射比减小约38.11%，制冷量增大约28.86%，COP增大约18.21%；当冷凝温度从45 ℃升至55 ℃时，系统引射比增大约59.65%、制冷量减小约41.47%、COP减小约40.28%。且由实验可知，系统制冷量中后排换热量仅占10.93%～13.51%，其换热潜力尚未充分释放，可通过调节毛细管长度及改善引射器引射比来增大后排蒸发器的工质流量，以进一步改善系统COP。

2)对比电动汽车引射空调系统与传统电动汽车空调系统性能，在不同蒸发温度及冷凝温度工况下，电动汽车引射空调系统性能均优于传统电动汽车空调系统，且随着蒸发温度的升高或冷凝温度的降低，电动汽车引射空调系统性能改善幅度逐渐增大。在实验工况范围内，电动汽车引射空调系统的制冷量提高约11.10%～14.57%，COP提高约13.09%～16.61%。