研究：电动汽车热泵型空调如何除霜？
纯电动汽车热泵空调系统在冬季制热循环时，车外换热器作为蒸发器吸收车外环境的热量，车内冷凝器向车内环境放热实现冬季采暖。由于冬季车外环境温度较低，如果车外换热器表面温度低于空气露点温度，则空气中的水分会在车外换热器表面结露、结霜，霜层会阻碍车外换热器与外界环境的热量交换，不利于系统的正常运行，甚至无法提供正常的采暖功能。因此，纯电动汽车热泵型空调冬季除霜已成为该领域一个必需解决的问题。对于纯电动汽车，热气融霜因为不需要外加辅助设备、能源利用率高等特点而受到业界的重视。
热泵型汽车空调除霜系统设计
提出的两种热气除霜循环方式，如图1所示。
第一种除霜模式为膨胀后低压热气除霜，其除霜过程为压缩机出口高温高压气体经电子膨胀阀膨胀后进入车外换热器放热，融化换热器表面霜层。此循环结构简单，在原有制冷与热泵系统上无需增加额外电子膨胀阀。
第二种除霜模式为膨胀前高压热气除霜，该模式车外换热器切换为冷凝器，由压缩机排出的高温气体直接对其进行融霜，而后流经膨胀阀，再进入车外过冷器中蒸发为低温低压气体，最后进入压缩机完成循环。
前两种模式的好处是，除霜期间车内换热器因无制冷剂流过而无任何换热发生，不会对车内温度产生较大影响，保证了车内舒适的乘坐环境。为深入分析上述两种循环的除霜性能和效果，本文中还引入了第3种除霜模式，即传统空调模式逆循环除霜，进行相互对比。与高压热气除霜模式类似，在逆循环除霜模式中，压缩机出口高温高压气体进入车外换热器放热融霜，而后流经电子膨胀阀膨胀，之后进入车内蒸发器进行蒸发，完成循环。
图1 3种除霜循环模式原理示意图
除霜性能实验
针对以上3种除霜模式，在标准焓差实验室中进行除霜性能实验。焓差室如图2所示。为更好地观测车外换热器表面结霜情况，在车外换热器前端设置一个在线摄像头，实验中可实时观察其结霜及化霜过程。
图2 焓差环境室示意图
为准确测量各种除霜模式的除霜时间，首先使整个R134a热泵空调系统开始处于热泵工况下运行，直到车外换热器表面开始布满霜层(同时以通过车外换热器两端空气的压降为判断标准)，分别切换3种除霜模式，对车外换热器进行除霜实验，并开始计时，当车外换热器表面霜层全部融化时(车外换热器两端空气压降恢复至结霜前)，结束计时，记录每种除霜模式对应的除霜时间。
结霜实验环境工况如表1所示。对应3种除霜模式下热泵机组工况如表2所示。其中对低压热气除霜模式测试两种工况：
第一种工况车外风机运行，模仿车辆正常行驶除霜时间的影响，简称为低压热气除霜-M；
第二种工况车外风机不运行，模仿车辆停止对除霜时间的影响，简称为低压热气除霜-S。对于被测热泵机组压缩机转速和电子膨胀阀开度的选择主要考虑系统最高压力不高于2.0MPa，在此限制下应尽量提高压缩机转速和与之相匹配的EXV开度，以缩短除霜时间。
表1 结霜实验环境工况
表2 3种除霜模式热泵机组工况
实验结果与分析
图3示出各种除霜模式下整个除霜过程中压缩机排气压力的变化曲线。由图可见，低压热气除霜的排气压力最高，除霜结束时最高达 1.5～1.75MPa，高的排气压力会使整个空调系统寿命缩短；逆循环除霜模式下排气压力维持在1.0MPa上下，且在除霜过程中有略微下降的趋势，这是因为车内换热器处于制冷状态，车内风机不运行，制冷剂在车内换热器中不能充分换热，使压缩机吸气压力不断降低造成的；
而高压热气除霜模式的排气压力最低，虽在除霜过程中压力逐渐升高，但除霜结束时排气压力最大值也只有0.65MPa，比逆循环除霜模式还低。从所需的除霜总时间看，高压热气除霜模式除霜时间最短(2min)而低压热气除霜-M除霜时间最长(为12.6min)，两者相差10min以上；逆循环除霜模式居中，为3min。综上分析可见，高压热气除霜模式在除霜时间和排气压力两方面均有较大优势。
图3 不同除霜模式下的除霜时间及压缩机排气压力随除霜时间变化
为分析不同除霜模式的系统能耗情况，图4给出了上述各种除霜模式压缩机功耗消耗对比图。图中曲线是压缩机瞬时功率，W；曲线与横坐标围成的面积就是除霜过程压缩机的累计能耗，kJ。结合图3，从图4中可以看到:由于低压热气除霜-S高压侧压力不断上升，导致其压缩机功率随压比不断升高而增大，其除霜过程总能耗为457.74kJ；而低压热气除霜-M其高压侧压力上升幅度较小，所以其压缩机功率基本维持在800W左右，除霜过程总能耗为505.93kJ。
对于低压热气除霜模式整个除霜过程，汽车运动状态(M)压缩机功耗略大于汽车静止状态(S)，这是因为在汽车运动状态(M)下，因有风机的强制对流作用，一部分已被除霜的换热器表面与空气的换热增强，带走一部分本来用于除霜的热量，使后续除霜过程更加漫长，功耗有所增加。从图中还可以看到:虽然逆循环除霜模式压缩机功率维持在一个较高的水平，但由于其除霜时间大大缩短，故在整个除霜过程中压缩机能耗远远小于低压热气除霜模式，仅为140.57kJ；而高压热气除霜模式因压缩机的功率较小，除霜时间又短，故能耗更小(86.83kJ)，仅约为逆循环除霜模式能耗的60%。
图4 压缩机功率随除霜时间变化图
上述4种除霜模式各性能参数及其优缺点总结于表3。
表3 4种除霜模式性能参数
为进一步了解不同除霜模式的效率情况，利用压焓图分析各种除霜模式热力循环过程，见图5。图中:低压热气除霜模式循环流程为气体由点1经压缩机后达到点2，而后经过电子膨胀阀降压到点3’，再进入车外换热器冷却放热回到点1完成循环；而高压热气和逆循环除霜模式循环均为气体由点1经压缩机后达到点2，而后进入车外换热器冷凝放热至点3，随后经电子膨胀阀降压到点4，最后进入过冷器或车内蒸发器吸热至点1完成循环。
低压热气除霜模式循环实际运行过程中仅有压缩机产生的热量用于除霜(压缩机相当于电加热)，而高压热气和逆循环模式除霜循环为相同吸气和排气压力与温度下运行的“制冷循环”，除压缩机的产热量外还有从低温环境吸收的热量用于除霜。正是由于这样不同的循环形式，导致在相同压缩机转速(即相同循环制冷剂流量和压缩机功耗)下，低压热气模式放热量远小于高压热气和逆循环除霜模式放热量，能效比较低，故要获得相同的除霜效果，其除霜时间远大于高压热气和逆循环除霜模式。因此，从能效比的角度看，高压热气除霜模式也是最佳选择。
图5 3种除霜模式循环流程压焓图
综上分析，在纯电动汽车空调系统除霜循环设计中，利用压缩机排出的高压热气直接除霜可以大大缩短除霜时间，且设法利用“制冷循环”原理，是实现除霜节能的有效途径；同时避免除霜循环中吸热部件(蒸发器)置于车内(实车中为乘员室)，有利于提高除霜过程中车内乘坐舒适度。
结论
针对纯电动汽车热泵型空调冬季制热循环易出现的车外换热器结霜问题，提出了两种除霜循环，并进行了相应除霜性能实验研究。
(1)高压热气除霜模式在本文中所研究各种除霜模式中最为理想；其除霜时间仅2min，为逆循环除霜模式的2/3，压缩机能耗为86.83kJ，为逆循环除霜模式的60%；且采用高压热气除霜模式，不会对车内温度产生影响，提高了冬季纯电动汽车的乘坐舒适度。
(2)高压热气除霜模式除霜过程中，车外过冷器会出现结霜现象，但由于其除霜时间很短，且除霜完成系统切回制热循环时，车外过冷器不在制热循环内，对后期车内采暖并无影响。
(3)根据低压热气除霜实验结果，减小车外风机风量可有效缩短融霜时间，因此建议运行除霜模式时关闭车外风机并关闭汽车进气栅。
本文参考《电动汽车热泵型空调除霜实验研究》，武卫东，吴佳玮，余强元