电子膨胀阀用于电动汽车热泵系统的实验研究

穆文杰，苏林，李康，方奕栋，余军，杨忠诚

（200093 上海市 上海理工大学 制冷与低温工程研究所）

0 引言

近年来，全球电动汽车保有量逐渐增加，汽车电动化被认为是促进能源多样性和缓解全球变暖与污染的有效途径。然而，由于续驶里程的原因，电动汽车零部件的能耗一直备受关注，其中空调系统作为能耗最大的部件，其性能对整车续驶里程有着显著的影响[1]。热泵空调系统是降低电动汽车能耗的一种有效途径，它不仅能够提升车辆续航能力，还可以提供制冷和制热能力，维持乘员舱舒适度，包括温度、相对湿度和风速等[2]。

电子膨胀阀(Electronic expansion valve,EXV)被认为是热力膨胀阀(Thermal expansion valve,TXV)的替代品，在空调系统中采用EXV 可以优化系统的运行效率，节能效果显著[3-4]。EXV 最大的优点在于它可以通过PID 调节器精确控制阀开度的大小，更好地处理瞬态过程，使压力和过热度振荡最小化[5]。Rabelo N[6]等研究发现，合适的阀开度有助于调节冷媒的质量流量，控制系统过热度，降低系统压比和压缩机排气温度，减小换热器焓差；华若秋[7]等实验研究了0 ℃时EXV 开度变化对热泵空调系统的影响。结果表明：冷凝压力、过冷度、制热量和热泵出风温度随EXV 开度的增加而减小，而系统COP 先增大后减小；虞中旸[8]等探讨了不同EXV 开度下的过热度振荡机理。实验结果表明：EXV 开度较小时，蒸发器出口过热度振幅在1 K 内，随着开度增大，振幅变大为3 K；何俊[9]等对改变EXV 开度的VRF(Variable refrigerant flow)制冷系统进行了压缩机的不完全湿压缩循环实验研究。结果表明：较低压缩机频率下的EXV开度可调范围较小；Zou[10]等分析了R1234yf 热泵系统中EXV 开度和工况对热泵供热性能的影响。结果表明：EXV 开度对冷凝工况影响较大，对蒸发工况和压缩机进口工况影响较小，增大EXV 开度有利于提高加热性能；藕俊彦[11]等基于R417A 喷气增焓空气源热泵系统，研究指出改变EXV 的开度可以实现对压缩机循环补气量和系统流量的调节，并且得到了使系统处于最优状态下的最佳阀开度。

本文通过制热实验，重点研究在不同压缩机转速和室外环境温度下，EXV 开度对热泵系统中压缩机吸排气特性、室内空调箱出风温度等参数的影响。

1 实验装置和方法

1.1 实验装置简介

为模拟实验所需环境，整个热泵系统搭建在新能源汽车空调综合评估焓差室中。该焓差室由室内侧和室外侧两个相互独立的环境控制室组成，主要包含有环境控制系统、室内外风洞和出风混合箱等，可同时模拟车内和车外环境。图1为实验装置及测试系统示意图。

图1 实验装置及测试系统Fig.1 Experimental equipment and testing system

实验系统的相关部件规格参数如表1 所示。

表1 热泵系统部件规格Tab.1 Component specifications

热泵系统采用三换热器形式[12]，组成部件有压缩机、室外换热器、室内蒸发器、室内冷凝器、电子膨胀阀、热力膨胀阀、气液分离器、质量流量计等。其中，电子膨胀阀装有电子式驱动装置，全开至全闭过程只需0.6 s，开度调节快、精度高。实验台测量参数及精度范围如表2 所示。

表2 实验台测量参数及精度Tab.2 Measured parameters and the precision

1.2 实验方法与测试工况

实验中所有操作步骤均可通过控制软件和控制柜面板遥控完成。实验开始前，先运行软件，设定好实验所需环境工况，具体测试工况如表3 所示。待环境工况达到设定值，将初始压缩机转速设为2 000 r/min，然后调节EXV 开度为100%（全开），室外环境温度控制为10 ℃。观察软件数据监控界面，压缩机排气温度波动范围在±0.5 ℃之内，系统高低压保持恒定5 min 以上时，记录压缩机吸排气压力、温度，空调箱出风温度等数据。

表3 测试工况Tab.3 Test conditions

本文系统制热量按室内冷凝器制冷剂侧换热量计算，压缩机功耗由功率计测得。制热量和性能系数COP 计算公式如下：

式中：Q——系统制热量，kW；qm——制冷剂质量流量，kg/s；hin——冷凝器侧进口焓值，kJ/kg；hout——冷凝器侧出口焓值，kJ/kg；W——压缩机功耗，kW。

2 实验结果与分析

2.1 压缩机吸排气压力

图2 和图3 分别为不同工况下压缩机吸排气压力随EXV 开度的变化趋势。如图所示，随着系统中EXV 开度的不断增大，压缩机吸气压力均缓慢上升，排气压力均先上升后降低。这是因为EXV 开度越大，流入压缩机的制冷剂质量流量越大[13]，导致吸气口吸气量增加，故吸气压力升高。排气压力先升后降是因为EXV开度较小时，冷凝压力升高，排气压力受到吸气压力和冷凝压力的共同影响。因此随着EXV 开度的增大，排气压力会先升高。且压缩机转速越高，压缩效率越高，压比也越高[14]，导致排气压力增幅也越大；但当EXV 开度开启到一定程度时，冷凝压力随EXV 开度的增大而减小，此时排气压力受到冷凝压力的影响大于吸气压力对它的影响，所以排气压力降低。

图2 2 000 r/min 下压缩机吸排气压力变化Fig.2 Variation of suction and exhaust pressure of compressor at 2 000 r/min

图3 3 000 r/min 下压缩机吸排气压力变化Fig.3 Variation of suction and exhaust pressure of compressor at 3 000 r/min

另外，压缩机转速对吸气压力影响较小，对排气压力影响较大。不同转速下，吸气压力峰值均出现在EXV 开度100%处，分别为0.42 MPa和0.41 MPa，而排气压力峰值则随转速有所变化。当压缩机转速为2 000 r/min 时，排气压力峰值为0.69 MPa，其对应的EXV 开度为40%；转速为3 000 r/min 时，排气压力峰值为1.01 MP，其对应的EXV 开度为60%。

2.2 压缩机吸排气温度

图4、图5 分别为不同工况下压缩机吸排气温度随EXV 开度的变化趋势。如图4、图5 所示，两种压缩机转速下，吸气温度在所有EXV 开度下的波动范围都很小，而排气温度随着EXV 开度的增大而不断降低。造成这种现象的原因是，吸气温度波动受室外环境换热条件的制约，排气温度则受蒸发器出口过热度影响较大[15]。

图4 2 000 r/min 下压缩机吸排气温度变化Fig.4 Variation of suction and exhaust temperature of compressor at 2 000 r/min

图5 3 000 r/min 下压缩机吸排气温度变化Fig.5 Variation of suction and exhaust temperature of compressor at 3 000 r/min

随着EXV 开度的不断增大，系统内制冷剂流量不断增加，室外侧蒸发器出口过热度不断下降，导致压缩机吸气中可能存在少量液体，使得压缩机的排气温度下降明显[16]。

压缩机转速和室外环境温度对排气温度影响较大。与2 000 r/min 相比，转速为3 000 r/min 时，各工况点排气温度同比上升12%～33%，且EXV开度越小，上升幅度越大；转速为3 000 r/min 时，温度每下降5 ℃，同一EXV 开度下的排气温度下降3～9 ℃，且EXV 开度越大，下降幅度越大。转速2 000 r/min、室外温度10 ℃时，调节EXV开度至20%，排气温度峰值为85 ℃左右；而在相同室外温度和EXV 开度下，转速3 000 r/min时的排气温度峰值高达114 ℃，即使降低室外温度到-5 ℃，排气温度也有100 ℃左右。可以看出，当压缩机以较高转速运行时，不宜将EXV 开度设置过小。

2.3 空调箱出风温度

电动汽车热泵空调系统中，空调箱出风温度被认为是最能反映系统制热能力的参数。图6 为热泵空调系统在不同压缩机转速和环境温度下运行时，空调箱出风温度随EXV 开度的变化趋势。

由图6（a）可知，压缩机转速为2 000 r/min时，调节EXV 开度，出风温度变化不明显，各室外温度下最高出风温度对应的EXV 开度为40%。由图6（b）可知，转速为3 000 r/min 时，各室外温度下空调箱出风温度随EXV 开度的增加而上升，但当EXV 开度上升至60%后，出风温度趋于稳定，最大值为35.8 ℃。分析可知，EXV开度越大，系统中制冷剂质量流量增加，冷凝器会在制冷剂流量增加后放出更多热量，进而空气侧也相应得到更多的热量，所以出风温度逐渐增加。继续加大EXV 开度，流量虽有所增加，但受冷凝器换热能力限制，出风温度变化不大。

图6 空调系统出风温度变化Fig.6 Variation of air outlet temperature in HVAC

实验结果表明，低室外环境温度下提升转速至3 000r/min 并调整EXV 至最佳开度，空调箱出风温度上升2～6℃。由此可见，在低温高转速下调节EXV 开度可以获得更高的出风温度，更好地满足乘员舱舒适性。

2.4 系统制热量及COP

热泵空调系统中，制热量和能效比是非常重要的性能指标。图7 和图8 所示为不同工况下系统制热量和COP 随EXV 开度的变化情况。转速2 000 r/min 和3 000 r/min 的最佳EXV 开度分别为40%和60%。随着转速的提高，系统制热量增加，COP 却降低，原因在于，高转速下，压缩机等熵效率和容积效率降低，功耗增加，其增加的幅度超过了制热量的增加，从而导致COP降低。系统COP 随着EXV 开度的增加而逐渐增大，一旦超过工况最佳EXV 开度，COP 便开始下降，此现象在转速3 000 r/min 时尤其明显。原因在于，EXV 开度在最佳开度以上时，制热量稳定，压缩机功耗持续增大，所以COP 下降。

图7 不同工况下系统制热量变化Fig.7 System heat production changes under different working conditions

图8 不同工况下系统COP 变化Fig.8 COP changes under different working conditions

压缩机以3 000 r/min 转速运行时，调节EXV至最佳开度60%，制热量在室外温度10 ℃时达最大值2 868 W，相比-5 ℃的1 721 W，增长了40%。COP 也从2.4 上升到3.1，增幅为20%。

综上可知，在低转速和低温工况下运行热泵空调，其性能会出现衰减，压缩机转速和室外温度越高，系统制热量和COP 越大。EXV 开度对系统性能影响较大，其影响随着压缩机转速的升高而逐渐增强，且不同压缩机转速下系统最佳EXV 开度存在差异。

3 结论

搭建了电动汽车R134a 热泵空调系统实验台架，研究在不同压缩机转速和室外环境温度下EXV 开度对系统性能的影响。得出以下结论：

（1）当压缩机转速和室外环境温度一定时，随着EXV开度的增加，压缩机吸气压力缓慢上升，吸气温度几乎不变；而排气压力先增加后减小，排气温度显著降低。

（2）不同压缩机转速下，EXV 开度存在最优值，使空调箱出风温度和COP 最优，此时EXV最佳开度与室外温度无关。且转速2 000 r/min 和3 000 r/min 时的最佳阀开度分别为40%和60%。

（3）在较高的压缩机转速和较高的室外环境温度下调节EXV 开度至最佳开度，热泵系统性能发挥更好。当压缩机转速为3 000 r/min，室外环境温度为10 ℃时，调节EXV 开度为60%，空调箱最高出风温度为35.8 ℃，制热量最高为2.9 kW，COP 为3.1。