電動汽車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計與研究*

徐 磊 林用滿 宋文吉 馮自平

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所；2.中國科學(xué)院大學(xué)）

1 前言

為了保障電動汽車的駕駛安全性及乘坐舒適性，有必要發(fā)展適用于電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)。電動汽車空調(diào)系統(tǒng)與普通燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)有以下兩個不同[1]:第一，普通燃油汽車空調(diào)壓縮機由發(fā)動機通過皮帶帶動，而電動汽車空調(diào)壓縮機由電池直接驅(qū)動，與發(fā)動機無關(guān)；第二，普通燃油汽車空調(diào)可利用發(fā)動機的燃燒余熱來制熱或除霜，而電動汽車空調(diào)沒有發(fā)動機余熱可以利用，因此制熱運行困難。

在研究提高車載電池容量、開發(fā)高效蓄能電池之余，更為重要的是降低電動汽車附屬設(shè)備的能耗。車載空調(diào)是除發(fā)動機之外最大的汽車能耗設(shè)備，而降低汽車空調(diào)能耗的關(guān)鍵是開發(fā)輕巧、高效的壓縮機[2]。此外，現(xiàn)有電動汽車空調(diào)還面臨不能制熱或制熱效率低等問題。針對這些問題，本文對封閉式低壓直流無刷壓縮機應(yīng)用于熱泵型電動汽車空調(diào)系統(tǒng)進行了研究。

2 電動汽車空調(diào)系統(tǒng)

2.1 空調(diào)系統(tǒng)工作原理

針對電動汽車的特點與使用需求，本文設(shè)計并搭建了一套熱泵型電動汽車空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)運行原理如圖1所示，系統(tǒng)分為制冷和制熱兩個工作模式。在制冷模式下，四通閥斷電，高壓端入口D與車外側(cè)換熱器入口C連通，工質(zhì)從壓縮機出來后，先進入到車外側(cè)換熱器（冷凝器）放熱冷凝；由于止回閥的存在，從車外側(cè)換熱器中出來后工質(zhì)只能進入到電子膨脹閥中節(jié)流膨脹，之后進入車內(nèi)側(cè)換熱器吸收車內(nèi)熱量，最后回到壓縮機。在制熱模式下，四通閥通電，高壓端入口D與車內(nèi)側(cè)換熱器入口E連通，從壓縮機出口出來的高溫高壓氣體經(jīng)過四通閥后，先進入到車內(nèi)側(cè)換熱器，在其中放熱冷凝；由于止回閥的存在，冷凝后的工質(zhì)只能通過膨脹閥節(jié)流，之后再進入到車外側(cè)換熱器，最后通過四通閥回到壓縮機，完成整個制熱循環(huán)。圖中實心箭頭為制冷循環(huán)方向，空心箭頭為熱泵循環(huán)方向。

2.2 渦旋壓縮機

本系統(tǒng)采用的渦旋壓縮機主要由靜渦旋盤、動渦旋盤、機架、十字滑環(huán)和曲軸等部分組成，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。動、靜渦旋盤偏心一定距離安裝，嚙合之后形成一系列互不相通的月牙形容積，隨著動渦旋盤的回轉(zhuǎn)平動，這些月牙形的封閉容積發(fā)生周期性變化，實現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣過程[3]。當(dāng)壓縮機工作時，每一個容積內(nèi)氣體都沿渦旋型線進行壓縮。常見的渦旋型線有圓漸開線、阿基米德螺旋線、變截面渦旋型線等，其中圓漸開線由于容易加工并且具有良好的工作性能，目前應(yīng)用最廣[4]。此外，考慮到壓縮機的工作性能受轉(zhuǎn)速影響較大[5]，本文采用可調(diào)速封閉式渦旋壓縮機，可根據(jù)熱負(fù)荷動態(tài)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，具有容積效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、運行噪聲小等優(yōu)點。

壓縮機的速度調(diào)節(jié)通過低壓直流調(diào)速控制器實現(xiàn)，采用電機直流變頻技術(shù)，不需要逆變環(huán)節(jié)，較之于交流變頻技術(shù)更加節(jié)能[6]；此外，直流電機的轉(zhuǎn)子是永磁的，省卻了三相交流異步電機的轉(zhuǎn)子電流消耗，因此，從電網(wǎng)電源到電動機這一段的功率因數(shù)要比交流調(diào)頻調(diào)速方式高，節(jié)省了一定能量[7]。此外，壓縮機能利用車載電池的24 V/48 V直流電源直接驅(qū)動，省去了逆變與變壓環(huán)節(jié)，既降低了系統(tǒng)復(fù)雜度與能耗，又提高了使用安全性。

車內(nèi)、外側(cè)換熱器均采用高效平行流換熱器，具有換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕等優(yōu)點。此外，系統(tǒng)采用H型膨脹閥，能通過微調(diào)其閥門開度來調(diào)整節(jié)流溫度和壓力，匹配負(fù)荷要求。系統(tǒng)采用的所有零配件均已量產(chǎn)化，保證了其未來的規(guī)?；a(chǎn)和成本可控。

3 試驗系統(tǒng)和測試條件

試驗測試采用進出口空氣焓差法，在標(biāo)準(zhǔn)焓差實驗室中進行，溫度控制精度為±0.2℃。測試過程中，室內(nèi)側(cè)與室外側(cè)換熱器的通風(fēng)量穩(wěn)定在220 m3/h與2000 m3/h，工質(zhì)采用R134a，考慮到系統(tǒng)性能受不同外界條件的影響，并參考QC/T657-2000《汽車空調(diào)制冷裝置試驗方法》、QCT656-2000《汽車空調(diào)制冷裝置性能要求》以及GB7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本文采用的測試工況如表1所示。在每一室外工況溫度下，將壓縮機轉(zhuǎn)速按1800～3600 r/min依次變化，每遞增300 r/min設(shè)置一個測點。待焓差實驗室溫度達到平衡后，測試此時的制冷/制熱量、系統(tǒng)性能系數(shù)（COP）、室內(nèi)側(cè)換熱器進出風(fēng)溫差等參數(shù)如表1所列，并以此繪制結(jié)果曲線。

表1 熱泵型汽車空調(diào)性能測試工況 °C

4 試驗結(jié)果分析

圖3、圖4分別給出了壓縮機輸入功率、系統(tǒng)制冷量隨壓縮機轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖4可以看出，系統(tǒng)制冷量隨著壓縮機轉(zhuǎn)速升高而增加；在同一壓縮機轉(zhuǎn)速下，隨著室外側(cè)溫度升高，系統(tǒng)制冷量減小。

圖5顯示制冷COP隨壓縮機轉(zhuǎn)速的變化。由圖5可以看出，系統(tǒng)制冷COP隨壓縮機轉(zhuǎn)速增大而增大，這是因為隨著壓縮機轉(zhuǎn)速增大，換熱器內(nèi)部工質(zhì)流速增大、紊流增強，換熱效果得到強化，因此雖然輸入功率增大了，但系統(tǒng)換熱量增大得更多，因而整體COP提升。

圖6顯示本系統(tǒng)與采用滑片壓縮機的系統(tǒng)[8]性能比較。

從圖6中可以看出，在曲線的前半段，當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速較低時，渦旋壓縮機的COP比滑片壓縮機的略低，不過相差不多，且隨著轉(zhuǎn)速增大這一差距逐漸縮??；當(dāng)轉(zhuǎn)速達到2600r/min左右時，兩者的COP相等；當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大時，滑片壓縮機COP的增長趨勢逐漸趨于平坦并最終保持不變，而渦旋壓縮機的COP則繼續(xù)保持線性增長。分析曲線變化的原因，主要是由壓縮機自身結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致的:渦旋壓縮機動、靜渦旋盤之間的泄漏間隙較大，低轉(zhuǎn)速工作時氣體壓縮時間長，內(nèi)部泄漏較多，隨著轉(zhuǎn)速升高氣體的壓縮時間縮短，內(nèi)泄漏減小，因而效率升高；而滑片壓縮機在低速運行時性能較好，但當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時，滑片與內(nèi)壁間的摩擦急劇增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速大到一定程度時，所增加的輸入功率主要轉(zhuǎn)化為摩擦熱，不但不能提升系統(tǒng)性能，甚至導(dǎo)致壓縮機散熱惡化而不能正常工作。

圖7、圖8分別給出了制熱工況下系統(tǒng)制熱量與制熱COP隨壓縮機轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖7、圖8可以看到，制熱量和制熱COP均有一個先上升后下降的過程，當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速高于2400 r/min時，系統(tǒng)制熱量與制熱COP均劇烈下降。這是因為工質(zhì)節(jié)流后的溫度隨壓縮機轉(zhuǎn)速升高而降低，在制熱工況下，車外側(cè)換熱器作蒸發(fā)器，當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速過大時，蒸發(fā)器內(nèi)溫度過低，蒸發(fā)器表面開始結(jié)霜。在曲線末端，系統(tǒng)制熱量和制熱COP隨轉(zhuǎn)速變化僅有微小變化，并最終大致維持在定值。這是因為當(dāng)霜層形成之后，蒸發(fā)器的換熱主要受霜層熱阻所限，這時壓縮機轉(zhuǎn)速增大對系統(tǒng)換熱貢獻不大。

由圖8可以看出，當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速大于2400r/min時，系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)霜，但即使在結(jié)霜條件下，系統(tǒng)的COP仍能維持在1以上，說明該系統(tǒng)比直接電加熱正溫度系數(shù)電熱管（PTC）制熱方式能耗更低。由于電動汽車空調(diào)系統(tǒng)壓縮機采用電池直接驅(qū)動，轉(zhuǎn)速可以單獨控制，與車速無關(guān)，因此可將轉(zhuǎn)速控制在最優(yōu)水平，既滿足制熱量要求，又避免了嚴(yán)重結(jié)霜。

5 結(jié)束語

采用封閉式渦旋壓縮機與平行流換熱器搭建了一套熱泵型電動汽車空調(diào)系統(tǒng)，利用低壓直流調(diào)速控制器對壓縮機進行變頻控制，試驗研究了在不同室外溫度下該系統(tǒng)運行性能隨壓縮機轉(zhuǎn)速的變化，結(jié)論如下:

a.所搭建的空調(diào)系統(tǒng)能取得較好的制冷效果，且制冷COP隨著壓縮機轉(zhuǎn)速升高而增大，在室外側(cè)溫度為30℃/20℃、轉(zhuǎn)速為3600 r/min時，制冷COP達到2.1，比文獻值高出30%。

b.在熱泵運行工況下，當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速過大時，該系統(tǒng)車外側(cè)換熱器出現(xiàn)結(jié)霜，但系統(tǒng)制熱COP仍然高于1，說明該熱泵空調(diào)系統(tǒng)比目前廣泛采用的直接電加熱PTC制熱方式能取得更好的節(jié)能效果。

c.本文所采用的封閉式渦旋壓縮機COP隨轉(zhuǎn)速線性增長。雖然在低轉(zhuǎn)速時其性能略低于滑片壓縮機，但當(dāng)轉(zhuǎn)速高于2600 r/min時，其COP高于滑片壓縮機，且這一差距隨轉(zhuǎn)速升高而繼續(xù)增大。考慮到電動汽車空調(diào)壓縮機不受車速限制可以獨立控制轉(zhuǎn)速，因此渦旋式壓縮機在電動汽車空調(diào)系統(tǒng)中有更大的應(yīng)用前景。

在電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，平行流換熱器做冷凝器能取得較好的性能，但當(dāng)它做蒸發(fā)器時容易出現(xiàn)結(jié)霜。如何在保證系統(tǒng)COP的同時提高汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的抗結(jié)霜能力是未來的研究重點。為緩解系統(tǒng)結(jié)霜問題，可在本文研究基礎(chǔ)上進行改進研究，如增設(shè)除霜運行回路、改變車外側(cè)換熱器結(jié)構(gòu)以便于凝結(jié)水的排出、研究翅片防結(jié)霜涂層材料等。在壓縮機控制方面，采用直流變頻技術(shù)，研制智能傳感控制系統(tǒng)，使壓縮機轉(zhuǎn)速能夠隨車內(nèi)熱負(fù)荷而動態(tài)變化，也是電動汽車空調(diào)未來的發(fā)展趨勢。此外，還可進一步開展壓縮機與換熱器的匹配性研究，將壓縮機的能效發(fā)揮到最大化。

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