電動汽車熱泵空調管理論文

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摘要：

介紹研制的電動汽車熱泵空調系統及其配用的雙工作腔滑片壓縮機的性能，依據測試樣式機的試驗結果分析了轉速對該空調系統制冷量、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，所產生的電能約為225W，可以使空調系統的制冷量增加8%左右，同時還能降低汽車空調冷負荷的峰值。

關鍵詞：汽車空調；熱泵；太陽能

0引言

現代流行的燃油汽車不僅消耗大量的石油資源，而且還嚴重污染大氣環境，危害人類健康。據統計排放到大氣的污染物中，汽車的廢氣（主要是氮氧化物、碳氧化物及碳氫化合物等）約占42%。鑒于此，許多國家政府通過立法逐步限制這種高污染產品。電動汽車具有無任何排泄物、不污染環境、低噪聲及節省石油資源等特點，再次引起全世界的廣泛關注。世界汽車工業發達國家都投入大量的人力、物力進行電動汽車開發和研制，取得了大量的成果，一批批先進的電動汽車不斷面市，有的已形成商業化規模生產。與燃油汽車一樣，電動汽車也要創造一個舒適的駕駛和乘座環境，即要配備相應的空調系統，提高其中舒適性和競爭力。在開發和研制電動汽車同時，也對配套的空調系統進行了開發與研制。熱電空調系統因效率太低而無法被電動汽車所接受[1]。采用直流電動機驅動蒸汽壓縮制冷系統的電動貨車空調系統的試驗結果表明，其性能與普通燃油汽車空調系統基本相當[2]。90年代初又對采用環保制冷劑的電動貨車空調系統進行了試驗研究[3]、[4]。

我國也制定了電動汽車的研究與開發計劃，并正在逐步實施。本課題組對電動汽車配套的空調系統進行研制，開悄磁直流無刷電機直接驅動旋轉壓縮機的電動汽車熱泵空調系統，本文介紹該系統及對其所進行的試驗研究。

將太陽電池布滿整個車頂可以起到兩個作用；一是給電動汽車空調系統提供部分能量，使其取自車載蓄電裝置的動力減少；二是可將電動汽車所需冷量的峰值減少40%[5]，從而使空調系統取自蓄電裝置的動力進一步減少。根據Sekurit公司太陽能蓋板的產品介紹，20組100mm×100mm單晶硅電太陽電池在完全曝曬時可產生25W的電能，對于小型轎車有1.81m2（19.5ft2）車頂面積[6]，這個空間安裝的光電池在完全曝曬時能產生大約225W的電能。這種方案非常適合電動汽車使用，因為它在不加大車載蓄電裝置容量的條件下，使電動車的有效行駛距離增加。本文也對太陽電池在電動汽車空調系統中的應用進行探討。

1電動汽車熱泵空調系統

電動汽車熱泵空調系統的工作原理如圖1所示，壓縮機由直流無刷電機通過皮帶驅動，空調系統的制熱/制冷運行方式由四通換向閥轉換，實線箭頭表示制冷運行方式，這時向車室內吹冷氣，使車內降溫冷卻；虛線箭頭表示制熱運行方式，這時向車內吹熱風使車內升溫加熱或對擋風玻璃除霧/霜。通過感受車室溫度，逆變器調制電動機電源的脈沖寬度來控制壓縮機轉速的大小，從而改變空調系統的冷（熱）量大小，以滿足各種環境條件下車室的舒適性及除霧/霜要求。從原理上講，該系統與普通的熱泵空調并無區別，但由于該空調系統是用于電動汽車這一特殊場合，該系統所用的主要部件都有其特殊性。為此，我們配套開發了雙工作腔滑片壓縮機，專門制作直流無刷電動機和逆變器控制系統。

1.壓縮機2.驅動電機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.軸流風閥

8.膨脹閥9.平等流換熱器（車內單元）10.離心風扇

11.制熱工作方式12.制冷式方式

圖1電動汽車熱泵空調系統

Fig.1Heatpumpairconditioningsystemforelectricvehicle

專門研制的雙工作腔滑片壓縮機的結構原理如圖2所示，圓形轉子同心地安裝在扁圓形氣缸內，五個滑片置于轉子上開設的槽中并能來回滑動，原動機驅動轉子轉動時，滑片靠離心力被甩出，緊貼在氣缸內表面上，在氣缸內腔分隔成若干個隨轉子轉角變化其容積的小空間（稱為基元），隨著轉子轉動，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。該壓縮機具有以下特點：

1.氣缸2.轉子3.滑片4.吸氣口5.排氣閥

圖2雙工作腔滑片壓縮機

Fig.2Schematicviewofvanecompressorwithdouble-actingchambers

1)結構簡單，零部件少，加工與裝配容易實現。

2)運轉平穩。由于無偏心轉動零部件，動力平衡性能好，尤其在高轉速運動時振動和噪聲很小。

3)起動沖擊小。滑片在起動時逐步伸出，靜摩擦轉矩小，因而起動轉矩緩慢上升，減少了起動沖擊。

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使用。

6)壓縮機每轉完成兩次吸、排氣，輸氣量大且脈動性小。

表1列出了所研制雙工作腔滑片壓縮機的主要尺寸，圖3為它與電裝（Denso）公司容量相同的汽車空調用渦旋壓縮機制COP[4]比較，從圖中可以看出：轉速低于2500r/min時，渦旋壓縮機的COP低于雙工作腔滑片壓縮機，這主要是由于渦旋壓縮機的內泄漏間隙比較長，低轉速時其內泄漏量較大的緣故；轉速高于2500r/min時，渦旋壓縮機的COP則高于雙工作腔滑片壓縮機，但高出的幅度并不很大，這主要是因為雙工作腔滑片壓縮機隨轉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、高轉速下的振動和噪聲很小、起動沖擊小等，雙工作腔滑片壓縮機是適合電動汽車空調系統使用的壓縮機。渦旋壓縮機雖然也有優良的性能，但對加工和裝配等的要求都比較高，國產設備還不能完全滿足其技術要求。

表1主要參數表

Table1MainParametersofvanecompressor

參數名稱單位數量

工作腔容積

轉子半徑

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

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2.渦旋壓縮機

圖3壓縮機COP的比較

Fig.3ComparisonofCOPbetweenvaneandscrollcompressor

驅動電動機采用專門制作的稀土永磁直流無刷機，它用電子電路取代傳統直流電動機的電刷及換向棒。電動機及電子設備一起構成了具有線性、高效的變轉速系統。換熱器采用具有90年代技術水平的平行流全鋁換熱器，換熱效率高，□□□□，堅固耐用。

2試驗裝置與測試條件

研制的電動汽車熱泵空調樣機在按照國際標準建造的全自動汽車空調系統試驗裝置上進行了測試，主測采用蒸發器側進出口空氣焓差法，輔測采用冷凝器側液體制冷劑流量計法。測試時，主輔測制冷量偏差應小于5%，并以主測數據為準。試驗方法及數據處理均依據中國汽車行業標準QC/T72.1-93《汽車空調制冷裝置性能要求》和QC/T72.2-93《汽車空調制冷裝置試驗方法》，所有測試所用儀表均符合QC/T72.2-93的規定。

由于壓縮機由直流電機直接驅動□□□電機的轉速就可連續改變壓縮機的轉速，□□□□廠商的測試工況，試驗中壓縮機轉速分別□□□1000、2000及3000r/min；工質采用□□□□□□條件為：蒸發器側干球溫度（27±0.5）□□□□□□□（19.5±0.5）℃,冷凝器側干球溫度（35±0.5）℃。樣機的試驗結果整理成如圖4～6所示的性能曲線，這些曲線未計入太陽電池所產生的能量。

1.制熱量2.制冷量

圖4制冷量/制熱量隨轉速的變化

Fig.4Variationofcoolingandheatingcapacitywithspeed

圖5輸入功率隨轉速的變化

Fig.5Variationofpowerinputwithspeed

1.電動汽車空調系統2.燃油汽車空調系統

圖6空調系統COP隨轉速的變化

Fig.6VariationofCOPairconditioningsystemwithspeed

3結果與討論

空調系統的制冷量/制熱量隨壓縮機轉速的變化如圖4所示，從圖中可以看出：對于給定的蒸發溫度，制冷量/制熱量隨轉速增加基本上呈線性增長，這是由于比工作腔壓縮機制容積壓縮比固定，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速的影響，而受其它因素的影響較弱。

圖5是空調系統的輸入功率隨轉速的變化，從圖中可以看出：壓縮機的輸入功率與轉速呈基本相同的正比關系，這是因為壓縮機功耗占汽車空調功耗的絕大部分，而在滑片壓縮機功耗中，摩擦功率基本上與轉速成正比而指示功率受轉速影響很小。

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

作者研制的電動汽車空調系統與目前正在使用的燃油汽車空調系統（用斜盤壓縮機）的性能比較如圖6所示。電動汽車空調系統的COP在轉速較低時（＜1500r/min）略低于燃油汽車空調系統，而在高轉速時（＞2000r/min）卻明顯于燃油汽車空調系統。這主要由于斜盤壓縮機工作腔的密封性能較好且幾乎不受轉速的影響，而滑片壓縮機的工作腔密封性能受轉速的影響較大，轉速升高可以明顯改善其工作腔密封性能。壓縮機由獨立電機驅動后，其轉速不再受汽車動力機的影響，可以恒定在較高的轉速下運轉。因此帶雙工作腔滑片壓縮機的熱泵空調系統的性能優于現有的燃油汽車空調系統，能夠滿足電動汽車空調的□□□□□□□□□□。

4太陽能的應用

將電動汽車整個車頂布滿太陽電池，所產生的電能使電動汽車空調系統制冷量增加的情況見表電能使電動汽車空調系統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生的電能乘以各轉速下空調系統COP所得的結果，相對增加量為制冷量增加量與不利用太陽能時空調系統制冷量的比值。從表中可以看出，利用太陽能可使空調系統制冷量增加200W以上，且轉速較高時的增幅較大，這是由于空調系統低轉速時的COP較低、高轉速時勢COP較高的緣故；制冷量的相對增加量為6%～27%，且COP越低（對應的轉速也低），增加的效果越明顯。電動汽車空調系統采用獨立電動機驅動后，壓縮機轉速不再受怠速的影響，可以穩定COP較高的轉速（約為2500r/min）下工作，這時，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空調系統的冷負荷最大，當車頂布滿光電池后，這時不僅能最大限度地產生電能，而且可以有效地阻止太陽輻射熱通過車頂進入車室內，使保持車室舒適所需的冷量大幅度降低，從而使空調系統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系統取自車載蓄電裝置的動力，增加電動汽車的有效行駛距離。

表2太陽電池用于電動汽車空調系統所產生的效益

Table2Capacityincrementofvehicleairconditioningpoweredbyphotovoltaiccells壓縮機轉速

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發展展望

車載蓄電池提供的直流電是電動汽車唯一的動力源且很有限，輔助設備消耗的電力減少了電動汽車的行駛蹁，開發高效的電動汽車空調系統乃是電動汽車在商業上能夠被接受的關鍵一步。壓縮機和電動機做成共用主軸的封閉結構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；直流電驅動又使壓縮機采用封閉結構成為可能，因此，高效節能將決定電動汽車空調未來的發展，采用封閉壓縮機是未來電動汽車空調不可逆轉的趨勢。我國目前□□□□□□□作為汽車空調的制冷工質，發達國家已于1996年1月1日全部采用對臭氧層安全的R-134a，但R-134a的溫室效應系數較大，在不久的將來還可能會被更符合環保要求的制冷工質所取代，不管制冷工質如何變化，電動汽車空調必須符合環保要求的這一發展趨勢將不會改變。采用人工智能技術開發先進的傳感-控制系統，使創造的車室環境更加符合人體皮膚的感覺，進一步提高舒適性，也是電動汽車空調未來的發展方向。隨著太陽電池效率提高和成本降低，其在電動汽車空調系統中的應用會成為可能，并且會逐步得到普及。

6結論

從以上分析可以看出，作者面向電動汽車開發的熱泵空調系統具有良好的性能，適合電動汽車使用。分析樣機試驗結果得出以下結論：

1)空調系統的制冷量/制熱量、輸入功率隨轉速增加基本呈線性增長關系；空調系統的COP在轉速較低時隨轉速增加有較快的增長，而在轉速較高時，則受轉速的影響較小。

2)所開發的雙工作腔滑片壓縮機，低轉速時的COP高于容量相同的渦旋壓縮機，而高轉速時的COP低于渦旋壓縮機，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是比較適合電動汽車空調系統使用的壓縮機。

3)與目前使用的燃油汽車空調系統相比，電動汽車空調系統的低速性能略差，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，所產生的電能約為225W，可以使空調系統的制冷量增加8%左右，同時還能降低汽車空調冷負荷的峰值。

致謝：廣東省電動汽車實驗專門為本項目研制驅動電機,并指導電控系統的設計；試驗得到廣州豪華汽車空調器有限公司質檢科的支持和配合，在此一并致謝。

參考文獻

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