電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)管理論文

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摘要：

介紹研制的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)及其配用的雙工作腔滑片壓縮機(jī)的性能，依據(jù)測試樣式機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果分析了轉(zhuǎn)速對該空調(diào)系統(tǒng)制冷量、輸入功率及COP等性能的影響。若轎車頂蓋全部布滿太陽電池，所產(chǎn)生的電能約為225W，可以使空調(diào)系統(tǒng)的制冷量增加8%左右，同時(shí)還能降低汽車空調(diào)冷負(fù)荷的峰值。

關(guān)鍵詞：汽車空調(diào)；熱泵；太陽能

0引言

現(xiàn)代流行的燃油汽車不僅消耗大量的石油資源，而且還嚴(yán)重污染大氣環(huán)境，危害人類健康。據(jù)統(tǒng)計(jì)排放到大氣的污染物中，汽車的廢氣（主要是氮氧化物、碳氧化物及碳?xì)浠衔锏龋┘s占42%。鑒于此，許多國家政府通過立法逐步限制這種高污染產(chǎn)品。電動(dòng)汽車具有無任何排泄物、不污染環(huán)境、低噪聲及節(jié)省石油資源等特點(diǎn)，再次引起全世界的廣泛關(guān)注。世界汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家都投入大量的人力、物力進(jìn)行電動(dòng)汽車開發(fā)和研制，取得了大量的成果，一批批先進(jìn)的電動(dòng)汽車不斷面市，有的已形成商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。與燃油汽車一樣，電動(dòng)汽車也要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)舒適的駕駛和乘座環(huán)境，即要配備相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)，提高其中舒適性和競爭力。在開發(fā)和研制電動(dòng)汽車同時(shí)，也對配套的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)與研制。熱電空調(diào)系統(tǒng)因效率太低而無法被電動(dòng)汽車所接受[1]。采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的電動(dòng)貨車空調(diào)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果表明，其性能與普通燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)基本相當(dāng)[2]。90年代初又對采用環(huán)保制冷劑的電動(dòng)貨車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究[3]、[4]。

我國也制定了電動(dòng)汽車的研究與開發(fā)計(jì)劃，并正在逐步實(shí)施。本課題組對電動(dòng)汽車配套的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研制，開悄磁直流無刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，本文介紹該系統(tǒng)及對其所進(jìn)行的試驗(yàn)研究。

將太陽電池布滿整個(gè)車頂可以起到兩個(gè)作用；一是給電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)提供部分能量，使其取自車載蓄電裝置的動(dòng)力減少；二是可將電動(dòng)汽車所需冷量的峰值減少40%[5]，從而使空調(diào)系統(tǒng)取自蓄電裝置的動(dòng)力進(jìn)一步減少。根據(jù)Sekurit公司太陽能蓋板的產(chǎn)品介紹，20組100mm×100mm單晶硅電太陽電池在完全曝曬時(shí)可產(chǎn)生25W的電能，對于小型轎車有1.81m2（19.5ft2）車頂面積[6]，這個(gè)空間安裝的光電池在完全曝曬時(shí)能產(chǎn)生大約225W的電能。這種方案非常適合電動(dòng)汽車使用，因?yàn)樗诓患哟筌囕d蓄電裝置容量的條件下，使電動(dòng)車的有效行駛距離增加。本文也對太陽電池在電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，壓縮機(jī)由直流無刷電機(jī)通過皮帶驅(qū)動(dòng)，空調(diào)系統(tǒng)的制熱/制冷運(yùn)行方式由四通換向閥轉(zhuǎn)換，實(shí)線箭頭表示制冷運(yùn)行方式，這時(shí)向車室內(nèi)吹冷氣，使車內(nèi)降溫冷卻；虛線箭頭表示制熱運(yùn)行方式，這時(shí)向車內(nèi)吹熱風(fēng)使車內(nèi)升溫加熱或?qū)躏L(fēng)玻璃除霧/霜。通過感受車室溫度，逆變器調(diào)制電動(dòng)機(jī)電源的脈沖寬度來控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，從而改變空調(diào)系統(tǒng)的冷（熱）量大小，以滿足各種環(huán)境條件下車室的舒適性及除霧/霜要求。從原理上講，該系統(tǒng)與普通的熱泵空調(diào)并無區(qū)別，但由于該空調(diào)系統(tǒng)是用于電動(dòng)汽車這一特殊場合，該系統(tǒng)所用的主要部件都有其特殊性。為此，我們配套開發(fā)了雙工作腔滑片壓縮機(jī)，專門制作直流無刷電動(dòng)機(jī)和逆變器控制系統(tǒng)。

1.壓縮機(jī)2.驅(qū)動(dòng)電機(jī)3.逆變器4.車室溫度傳感器

5.平行流換熱器（車外單元）6.四通換向閥7.軸流風(fēng)閥

8.膨脹閥9.平等流換熱器（車內(nèi)單元）10.離心風(fēng)扇

11.制熱工作方式12.制冷式方式

圖1電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

Fig.1Heatpumpairconditioningsystemforelectricvehicle

專門研制的雙工作腔滑片壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，圓形轉(zhuǎn)子同心地安裝在扁圓形氣缸內(nèi)，五個(gè)滑片置于轉(zhuǎn)子上開設(shè)的槽中并能來回滑動(dòng)，原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑片靠離心力被甩出，緊貼在氣缸內(nèi)表面上，在氣缸內(nèi)腔分隔成若干個(gè)隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化其容積的小空間（稱為基元），隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，基元容積的大小周期性變化，從而完成了氣體的吸入、壓縮、排出等工作過程。該壓縮機(jī)具有以下特點(diǎn)：

1.氣缸2.轉(zhuǎn)子3.滑片4.吸氣口5.排氣閥

圖2雙工作腔滑片壓縮機(jī)

Fig.2Schematicviewofvanecompressorwithdouble-actingchambers

1)結(jié)構(gòu)簡單，零部件少，加工與裝配容易實(shí)現(xiàn)。

2)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。由于無偏心轉(zhuǎn)動(dòng)零部件，動(dòng)力平衡性能好，尤其在高轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲很小。

3)起動(dòng)沖擊小。滑片在起動(dòng)時(shí)逐步伸出，靜摩擦轉(zhuǎn)矩小，因而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩緩慢上升，減少了起動(dòng)沖擊。

4)效率高。由于沒有吸氣閥，余隙容積小且余隙膨脹不直接影響吸氣基元，因而使吸氣損失減少，容積效率提高。

5)體積小，重量輕，便于狹窄空間安裝，因而比較適合汽車空調(diào)使用。

6)壓縮機(jī)每轉(zhuǎn)完成兩次吸、排氣，輸氣量大且脈動(dòng)性小。

表1列出了所研制雙工作腔滑片壓縮機(jī)的主要尺寸，圖3為它與電裝（Denso）公司容量相同的汽車空調(diào)用渦旋壓縮機(jī)制COP[4]比較，從圖中可以看出：轉(zhuǎn)速低于2500r/min時(shí)，渦旋壓縮機(jī)的COP低于雙工作腔滑片壓縮機(jī)，這主要是由于渦旋壓縮機(jī)的內(nèi)泄漏間隙比較長，低轉(zhuǎn)速時(shí)其內(nèi)泄漏量較大的緣故；轉(zhuǎn)速高于2500r/min時(shí)，渦旋壓縮機(jī)的COP則高于雙工作腔滑片壓縮機(jī)，但高出的幅度并不很大，這主要是因?yàn)殡p工作腔滑片壓縮機(jī)隨轉(zhuǎn)速的升高摩擦功率增加比較快的緣故。考慮到其它因素：如加工簡單、高轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)和噪聲很小、起動(dòng)沖擊小等，雙工作腔滑片壓縮機(jī)是適合電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)使用的壓縮機(jī)。渦旋壓縮機(jī)雖然也有優(yōu)良的性能，但對加工和裝配等的要求都比較高，國產(chǎn)設(shè)備還不能完全滿足其技術(shù)要求。

表1主要參數(shù)表

Table1MainParametersofvanecompressor

參數(shù)名稱單位數(shù)量

工作腔容積

轉(zhuǎn)子半徑

氣缸矢徑升程

氣缸矢徑

滑片徑向高度

滑片軸向長度

滑片厚度

滑片數(shù)

滑片端部半徑

滑片前傾角度

密封弧間隙

cm3

mm

mm

mm

mm

mm

mm

mm

deg

μm

36.64

28

8.5

28+8.5sina2Φ

17

44

4

5

5

5°

15

1.滑片壓縮機(jī)2.渦旋壓縮機(jī)

圖3壓縮機(jī)COP的比較

Fig.3ComparisonofCOPbetweenvaneandscrollcompressor

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用專門制作的稀土永磁直流無刷機(jī)，它用電子電路取代傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的電刷及換向棒。電動(dòng)機(jī)及電子設(shè)備一起構(gòu)成了具有線性、高效的變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。換熱器采用具有90年代技術(shù)水平的平行流全鋁換熱器，換熱效率高，□□□□，堅(jiān)固耐用。

2試驗(yàn)裝置與測試條件

研制的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)樣機(jī)在按照國際標(biāo)準(zhǔn)建造的全自動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了測試，主測采用蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)出口空氣焓差法，輔測采用冷凝器側(cè)液體制冷劑流量計(jì)法。測試時(shí)，主輔測制冷量偏差應(yīng)小于5%，并以主測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理均依據(jù)中國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T72.1-93《汽車空調(diào)制冷裝置性能要求》和QC/T72.2-93《汽車空調(diào)制冷裝置試驗(yàn)方法》，所有測試所用儀表均符合QC/T72.2-93的規(guī)定。

由于壓縮機(jī)由直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)□□□電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可連續(xù)改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，□□□□廠商的測試工況，試驗(yàn)中壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速分別□□□1000、2000及3000r/min；工質(zhì)采用□□□□□□條件為：蒸發(fā)器側(cè)干球溫度（27±0.5）□□□□□□□（19.5±0.5）℃,冷凝器側(cè)干球溫度（35±0.5）℃。樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果整理成如圖4～6所示的性能曲線，這些曲線未計(jì)入太陽電池所產(chǎn)生的能量。

1.制熱量2.制冷量

圖4制冷量/制熱量隨轉(zhuǎn)速的變化

Fig.4Variationofcoolingandheatingcapacitywithspeed

圖5輸入功率隨轉(zhuǎn)速的變化

Fig.5Variationofpowerinputwithspeed

1.電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)2.燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)

圖6空調(diào)系統(tǒng)COP隨轉(zhuǎn)速的變化

Fig.6VariationofCOPairconditioningsystemwithspeed

3結(jié)果與討論

空調(diào)系統(tǒng)的制冷量/制熱量隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化如圖4所示，從圖中可以看出：對于給定的蒸發(fā)溫度，制冷量/制熱量隨轉(zhuǎn)速增加基本上呈線性增長，這是由于比工作腔壓縮機(jī)制容積壓縮比固定，余隙容積很小，且余隙膨脹對氣體的吸入量影響不大（余隙膨脹的氣體先泄漏到壓縮基元，然后才能再從壓縮基元泄漏到吸氣基元），因此其輸氣量主要受轉(zhuǎn)速的影響，而受其它因素的影響較弱。

圖5是空調(diào)系統(tǒng)的輸入功率隨轉(zhuǎn)速的變化，從圖中可以看出：壓縮機(jī)的輸入功率與轉(zhuǎn)速呈基本相同的正比關(guān)系，這是因?yàn)閴嚎s機(jī)功耗占汽車空調(diào)功耗的絕大部分，而在滑片壓縮機(jī)功耗中，摩擦功率基本上與轉(zhuǎn)速成正比而指示功率受轉(zhuǎn)速影響很小。

圖6示出了空調(diào)系統(tǒng)的COP隨轉(zhuǎn)速的變化，從圖中可以看出；轉(zhuǎn)速較低（＜1500r/min時(shí)，COP隨轉(zhuǎn)速的增加有較快地增長，當(dāng)轉(zhuǎn)速增長到一定程度（＞2000r/min）后，COP隨轉(zhuǎn)速增加而□□□□定不變，這說明低轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速的增加可使壓□□□□的密封效果得到很大改善，致使制冷量□□□□速度較快，高轉(zhuǎn)速時(shí)，壓縮機(jī)的內(nèi)泄漏□□□再增加轉(zhuǎn)速已使密封效果改善不大，所以□□□□□□長速度趨于穩(wěn)定，而壓縮機(jī)制輸入功□□□□□□卻一直比較穩(wěn)定速度的增長。

作者研制的電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)與目前正在使用的燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)（用斜盤壓縮機(jī)）的性能比較如圖6所示。電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的COP在轉(zhuǎn)速較低時(shí)（＜1500r/min）略低于燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)，而在高轉(zhuǎn)速時(shí)（＞2000r/min）卻明顯于燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)。這主要由于斜盤壓縮機(jī)工作腔的密封性能較好且?guī)缀醪皇苻D(zhuǎn)速的影響，而滑片壓縮機(jī)的工作腔密封性能受轉(zhuǎn)速的影響較大，轉(zhuǎn)速升高可以明顯改善其工作腔密封性能。壓縮機(jī)由獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)后，其轉(zhuǎn)速不再受汽車動(dòng)力機(jī)的影響，可以恒定在較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。因此帶雙工作腔滑片壓縮機(jī)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能優(yōu)于現(xiàn)有的燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)，能夠滿足電動(dòng)汽車空調(diào)的□□□□□□□□□□。

4太陽能的應(yīng)用

將電動(dòng)汽車整個(gè)車頂布滿太陽電池，所產(chǎn)生的電能使電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷量增加的情況見表電能使電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷量增加的情況見表2。表2中制冷量增加量是用光電池產(chǎn)生的電能乘以各轉(zhuǎn)速下空調(diào)系統(tǒng)COP所得的結(jié)果，相對增加量為制冷量增加量與不利用太陽能時(shí)空調(diào)系統(tǒng)制冷量的比值。從表中可以看出，利用太陽能可使空調(diào)系統(tǒng)制冷量增加200W以上，且轉(zhuǎn)速較高時(shí)的增幅較大，這是由于空調(diào)系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速時(shí)的COP較低、高轉(zhuǎn)速時(shí)勢COP較高的緣故；制冷量的相對增加量為6%～27%，且COP越低（對應(yīng)的轉(zhuǎn)速也低），增加的效果越明顯。電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)采用獨(dú)立電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)后，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不再受怠速的影響，可以穩(wěn)定COP較高的轉(zhuǎn)速（約為2500r/min）下工作，這時(shí)，可以增加制冷量350W以上，相對增加量約為8%，大家知道，汽車在太陽下曝曬時(shí)空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷最大，當(dāng)車頂布滿光電池后，這時(shí)不僅能最大限度地產(chǎn)生電能，而且可以有效地阻止太陽輻射熱通過車頂進(jìn)入車室內(nèi)，使保持車室舒適所需的冷量大幅度降低，從而使空調(diào)系統(tǒng)消耗蓄電裝置的電能降低。總之，利用太陽能可以有效地減少空調(diào)系統(tǒng)取自車載蓄電裝置的動(dòng)力，增加電動(dòng)汽車的有效行駛距離。

表2太陽電池用于電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)所產(chǎn)生的效益

Table2Capacityincrementofvehicleairconditioningpoweredbyphotovoltaiccells壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速

r/min-1制冷量增加量

W相對增加量

%

600

1000

2000

3000203

282

356

35127

18

9

6

5發(fā)展展望

車載蓄電池提供的直流電是電動(dòng)汽車唯一的動(dòng)力源且很有限，輔助設(shè)備消耗的電力減少了電動(dòng)汽車的行駛蹁，開發(fā)高效的電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)乃是電動(dòng)汽車在商業(yè)上能夠被接受的關(guān)鍵一步。壓縮機(jī)和電動(dòng)機(jī)做成共用主軸的封閉結(jié)構(gòu)后不僅能大幅度提高效率，而且還可以杜絕制冷劑的泄漏、安裝更加靈活；直流電驅(qū)動(dòng)又使壓縮機(jī)采用封閉結(jié)構(gòu)成為可能，因此，高效節(jié)能將決定電動(dòng)汽車空調(diào)未來的發(fā)展，采用封閉壓縮機(jī)是未來電動(dòng)汽車空調(diào)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。我國目前□□□□□□□作為汽車空調(diào)的制冷工質(zhì)，發(fā)達(dá)國家已于1996年1月1日全部采用對臭氧層安全的R-134a，但R-134a的溫室效應(yīng)系數(shù)較大，在不久的將來還可能會(huì)被更符合環(huán)保要求的制冷工質(zhì)所取代，不管制冷工質(zhì)如何變化，電動(dòng)汽車空調(diào)必須符合環(huán)保要求的這一發(fā)展趨勢將不會(huì)改變。采用人工智能技術(shù)開發(fā)先進(jìn)的傳感-控制系統(tǒng)，使創(chuàng)造的車室環(huán)境更加符合人體皮膚的感覺，進(jìn)一步提高舒適性，也是電動(dòng)汽車空調(diào)未來的發(fā)展方向。隨著太陽電池效率提高和成本降低，其在電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用會(huì)成為可能，并且會(huì)逐步得到普及。

6結(jié)論

從以上分析可以看出，作者面向電動(dòng)汽車開發(fā)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有良好的性能，適合電動(dòng)汽車使用。分析樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

1)空調(diào)系統(tǒng)的制冷量/制熱量、輸入功率隨轉(zhuǎn)速增加基本呈線性增長關(guān)系；空調(diào)系統(tǒng)的COP在轉(zhuǎn)速較低時(shí)隨轉(zhuǎn)速增加有較快的增長，而在轉(zhuǎn)速較高時(shí)，則受轉(zhuǎn)速的影響較小。

2)所開發(fā)的雙工作腔滑片壓縮機(jī)，低轉(zhuǎn)速時(shí)的COP高于容量相同的渦旋壓縮機(jī)，而高轉(zhuǎn)速時(shí)的COP低于渦旋壓縮機(jī)，但所低出的幅度并不很大。綜合考慮性能、加工及安裝等因素，雙工作腔滑片壓縮機(jī)是比較適合電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)使用的壓縮機(jī)。

3)與目前使用的燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)相比，電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的低速性能略差，但它卻具有較好的高速性能。

4)若轎車頂蓋全部布滿太陽電池，所產(chǎn)生的電能約為225W，可以使空調(diào)系統(tǒng)的制冷量增加8%左右，同時(shí)還能降低汽車空調(diào)冷負(fù)荷的峰值。

致謝：廣東省電動(dòng)汽車實(shí)驗(yàn)專門為本項(xiàng)目研制驅(qū)動(dòng)電機(jī),并指導(dǎo)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；試驗(yàn)得到廣州豪華汽車空調(diào)器有限公司質(zhì)檢科的支持和配合，在此一并致謝。

參考文獻(xiàn)

[1]VCMei.etal.Studyofsolar-assistedthermoelectrictechnologyforautomobileairconditioning.JournalofSolarEnergyEngineering.TransactionsoftheASME,1993,115:200-205.

[2]JDieckmann,etal.Climatecontrolforelectricvehicles.SAETechnicalPaper,No.910250

[3]JDickmann,etal.Variablespeedcompressor,HFC-134abasedairconditioningsystemforelectricvehicles.SAETechnicalPaper,No,920444.

[4]TSuzuki,etal.Electricvehicleairconditioning.AutomotiveEngineering,Engineering,1996,113-117

[5]JGIngersoll.Integrationofsolarcellsinautomobilesasameanstoreducetheairconditionercapacityandimprovecomfort.ProceedingsoftheNinthE.C.PhotovoltaicSolarEnergyConference,KluwerAcademicPublishers,dordrecht,TheNetherlands,1989.930-933

[5]DWRuth.Simulationmodellingofautomobilescomfortcoolingrequirements.ASHRAEJournal,1975,17(5):53-55

[6]馬國遠(yuǎn)，郁永章.雙工作腔滑片壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)分析.壓縮機(jī)技術(shù)，1997，5：1-6