摘要
电动汽车的发展对于我国汽车产业的转型升级与双碳目标的实现具有重要意义。随着《基加利修正案》在我国正式生效，汽车空调领域的制冷剂替代迫在眉睫，CO2因其环保特性和突出的制热性能备受电动汽车热泵行业的青睐。本文针对电动汽车跨临界CO2热泵系统存在的低温大压比下压缩机排气温度过高、排气流量较小以及高温制冷性能衰减严重的问题，开展了基于补气与喷射技术的热泵系统优化及运行特性研究，在二次节流闪发补气、CO2/R290混合工质以及喷射器引射升压对系统综合性能影响的实验研究与理论分析的基础上，提出了压缩-补气-引射耦合式CO2热泵新流程，为CO2工质在电动汽车热管理领域的应用发展提供了新思路。 (1)开展了二次节流闪发补气式CO2热泵系统在宽温区工况下的运行性能与调节特性研究。通过对电动汽车用闪发补气式CO2热泵实验系统的建立，研究了系统在-30～50℃宽温区工况下的制冷和制热性能。结果表明，闪发补气技术能有效增加压缩机的排气流量，降低排气温度以及蒸发器进口比焓，拓宽了系统运行压力可调节范围，显著提升了极寒环境大压比下的制热性能。车外-30℃/车内20℃极寒工况下，闪发补气式系统较基本回热式系统制热量和COP分别提升了74.1％和43.9％，制热COP能达到1.45。制冷模式下，补气系统与基本回热式系统的最佳制冷性能基本相当，50℃/27℃极热工况下，测得制冷COP为1.12。分析了闪发补气式系统一次节流阀与二次节流阀的调节特性，发现补气比与补气压比呈线性正相关，且蒸发压力主要由二次节流阀的开度决定。制冷模式下，最佳COP对应一次节流阀出口制冷剂刚好为饱和液，只调节二次节流阀开度，与最大补气压力相对应。制热模式下，最佳COP对应一次节流阀出口位于两相区，存在中压补气和最优排气压力。 (2)从实验研究、传热分析、安全等级三个层面，研究了CO2系统中添加R290工质的双组分配比变化对系统性能的影响特性。研究表明，R290充注比50％左右，制冷COP的提升效果最佳，35℃和45℃工况下，较纯CO2系统COP分别提升了28.4％和56.5％,但制冷量分别衰减了32.9％和26.8％。建立了补气系统循环组分浓度的计算模型，所得制冷量偏差可控制在±10％以内。分析了相变过程中组分迁移对传热性能的影响，发现形成的传质热阻抑制了低沸点CO2的蒸发，R290组分浓度为60％左右时，系统的传热性能恶化程度最大，补气系统蒸发过程的相对传热系数平均最大衰减了30.8％。基于爆炸极限和燃烧产热量，R290组分浓度低于10.86％,安全等级为A1;10.86％～41％范围内为A2;高于41％为A3。综合安全等级与添加R290造成的制冷量衰减等因素，系统较为合适的R290充注比为10.86％。 (3)开展了压缩-引射式CO2热泵系统的运行性能与膨胀功回收特性研究。针对车辆工况特点，基于气体动力学理论设计了喷射器，建立了压缩机与喷射器耦合CO2热泵系统实验台架，开展了-30～50℃的性能实验研究。结果表明，典型的45℃/27℃高温工况下，压缩-引射式系统的COP为1.52,较基本回热式系统COP提升了21.6％;分析了新风调节的影响，新风比在0～40％范围内制冷性能提升幅度较大，40％新风比下制冷COP能达到1.78。研究了固定尺寸喷射器的变工况衰减情况，结果表明，按照高温制冷工况设计喷射器，低温环境下制热性能大幅衰减，-30℃/20℃工况下，制热量和COP较基本回热循环分别衰减了46.73％和6.12％。分析了喷射器的膨胀功回收特性，研究表明，制冷工况下喷射器回收膨胀功占最大可回收膨胀功的16.7％～37.2％,制热工况下为9.9％～41.3％。探究了工作喷嘴尺寸同工作流体和引射流体压比的关系，受固定喷嘴压比的限制，喷嘴出口过膨胀造成激波能量损失，而欠膨胀状态下喷射器无引射效果。 (4)提出了压缩-补气-引射耦合式CO2热泵新架构，通过仿真建模预测了车辆工况下的系统性能，获得了喷射系数的限定调控范围。建立了双转子式补气压缩机及喷射器等关键部件的模型，经验证压缩机耗功的预测精度可控制在±7％以内，喷射系数和升压比的预测精度分别可控制在±8％和±5％以内。在此基础上建立了压缩-补气-引射耦合式CO2热泵系统模型，开展了-30～50℃下系统性能模拟与相对综合性能对比分析。结果表明，在喷射器引射升压作用下，蒸发流量增加使得制冷量显著提升，而不影响第一级压缩耗功，全面提高了电动汽车CO2热泵系统宽温区适应性及综合性能。45℃/27℃工况下，压缩-补气-引射耦合式系统较基本回热式系统的制冷量和COP分别提升了7.93％和14.93％;-30℃/20℃工况下，制热量和COP分别提升了70.45％和43.88％。通过对系统运行特性分析，发现喷射器出口制冷剂由两相变为饱和液时，制冷COP达到最大。为保证压缩-补气-引射耦合式系统的制冷COP高于闪发补气式系统，喷射器的喷射系数存在限定调控范围，喷射系数下限对应补气压力下饱和液比焓相等，喷射系数上限对应喷射器出口刚好由饱和液变为过冷。
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