电动汽车用热泵空调系统的设计与研究*

徐 磊 林用满 宋文吉 冯自平

（1.中国科学院广州能源研究所；2.中国科学院大学）

1 前言

为了保障电动汽车的驾驶安全性及乘坐舒适性，有必要发展适用于电动汽车的空调系统。电动汽车空调系统与普通燃油汽车空调系统有以下两个不同[1]:第一，普通燃油汽车空调压缩机由发动机通过皮带带动，而电动汽车空调压缩机由电池直接驱动，与发动机无关；第二，普通燃油汽车空调可利用发动机的燃烧余热来制热或除霜，而电动汽车空调没有发动机余热可以利用，因此制热运行困难。

在研究提高车载电池容量、开发高效蓄能电池之余，更为重要的是降低电动汽车附属设备的能耗。车载空调是除发动机之外最大的汽车能耗设备，而降低汽车空调能耗的关键是开发轻巧、高效的压缩机[2]。此外，现有电动汽车空调还面临不能制热或制热效率低等问题。针对这些问题，本文对封闭式低压直流无刷压缩机应用于热泵型电动汽车空调系统进行了研究。

2 电动汽车空调系统

2.1 空调系统工作原理

针对电动汽车的特点与使用需求，本文设计并搭建了一套热泵型电动汽车空调系统，系统运行原理如图1所示，系统分为制冷和制热两个工作模式。在制冷模式下，四通阀断电，高压端入口D与车外侧换热器入口C连通，工质从压缩机出来后，先进入到车外侧换热器（冷凝器）放热冷凝；由于止回阀的存在，从车外侧换热器中出来后工质只能进入到电子膨胀阀中节流膨胀，之后进入车内侧换热器吸收车内热量，最后回到压缩机。在制热模式下，四通阀通电，高压端入口D与车内侧换热器入口E连通，从压缩机出口出来的高温高压气体经过四通阀后，先进入到车内侧换热器，在其中放热冷凝；由于止回阀的存在，冷凝后的工质只能通过膨胀阀节流，之后再进入到车外侧换热器，最后通过四通阀回到压缩机，完成整个制热循环。图中实心箭头为制冷循环方向，空心箭头为热泵循环方向。

2.2 涡旋压缩机

本系统采用的涡旋压缩机主要由静涡旋盘、动涡旋盘、机架、十字滑环和曲轴等部分组成，基本结构如图2所示。动、静涡旋盘偏心一定距离安装，啮合之后形成一系列互不相通的月牙形容积，随着动涡旋盘的回转平动，这些月牙形的封闭容积发生周期性变化，实现吸气、压缩和排气过程[3]。当压缩机工作时，每一个容积内气体都沿涡旋型线进行压缩。常见的涡旋型线有圆渐开线、阿基米德螺旋线、变截面涡旋型线等，其中圆渐开线由于容易加工并且具有良好的工作性能，目前应用最广[4]。此外，考虑到压缩机的工作性能受转速影响较大[5]，本文采用可调速封闭式涡旋压缩机，可根据热负荷动态调节转速，具有容积效率高、结构紧凑、质量轻、运行噪声小等优点。

压缩机的速度调节通过低压直流调速控制器实现，采用电机直流变频技术，不需要逆变环节，较之于交流变频技术更加节能[6]；此外，直流电机的转子是永磁的，省却了三相交流异步电机的转子电流消耗，因此，从电网电源到电动机这一段的功率因数要比交流调频调速方式高，节省了一定能量[7]。此外，压缩机能利用车载电池的24 V/48 V直流电源直接驱动，省去了逆变与变压环节，既降低了系统复杂度与能耗，又提高了使用安全性。

车内、外侧换热器均采用高效平行流换热器，具有换热效率高、结构紧凑、质量轻等优点。此外，系统采用H型膨胀阀，能通过微调其阀门开度来调整节流温度和压力，匹配负荷要求。系统采用的所有零配件均已量产化，保证了其未来的规模化生产和成本可控。

3 试验系统和测试条件

试验测试采用进出口空气焓差法，在标准焓差实验室中进行，温度控制精度为±0.2℃。测试过程中，室内侧与室外侧换热器的通风量稳定在220 m3/h与2000 m3/h，工质采用R134a，考虑到系统性能受不同外界条件的影响，并参考QC/T657-2000《汽车空调制冷装置试验方法》、QCT656-2000《汽车空调制冷装置性能要求》以及GB7725-2004《房间空气调节器》等行业标准，本文采用的测试工况如表1所示。在每一室外工况温度下，将压缩机转速按1800～3600 r/min依次变化，每递增300 r/min设置一个测点。待焓差实验室温度达到平衡后，测试此时的制冷/制热量、系统性能系数（COP）、室内侧换热器进出风温差等参数如表1所列，并以此绘制结果曲线。

表1 热泵型汽车空调性能测试工况 °C

4 试验结果分析

图3、图4分别给出了压缩机输入功率、系统制冷量随压缩机转速的变化曲线。由图4可以看出，系统制冷量随着压缩机转速升高而增加；在同一压缩机转速下，随着室外侧温度升高，系统制冷量减小。

图5显示制冷COP随压缩机转速的变化。由图5可以看出，系统制冷COP随压缩机转速增大而增大，这是因为随着压缩机转速增大，换热器内部工质流速增大、紊流增强，换热效果得到强化，因此虽然输入功率增大了，但系统换热量增大得更多，因而整体COP提升。

图6显示本系统与采用滑片压缩机的系统[8]性能比较。

从图6中可以看出，在曲线的前半段，当压缩机转速较低时，涡旋压缩机的COP比滑片压缩机的略低，不过相差不多，且随着转速增大这一差距逐渐缩小；当转速达到2600r/min左右时，两者的COP相等；当转速继续增大时，滑片压缩机COP的增长趋势逐渐趋于平坦并最终保持不变，而涡旋压缩机的COP则继续保持线性增长。分析曲线变化的原因，主要是由压缩机自身结构特点导致的:涡旋压缩机动、静涡旋盘之间的泄漏间隙较大，低转速工作时气体压缩时间长，内部泄漏较多，随着转速升高气体的压缩时间缩短，内泄漏减小，因而效率升高；而滑片压缩机在低速运行时性能较好，但当转速增大时，滑片与内壁间的摩擦急剧增加，当转速大到一定程度时，所增加的输入功率主要转化为摩擦热，不但不能提升系统性能，甚至导致压缩机散热恶化而不能正常工作。

图7、图8分别给出了制热工况下系统制热量与制热COP随压缩机转速的变化曲线。由图7、图8可以看到，制热量和制热COP均有一个先上升后下降的过程，当压缩机转速高于2400 r/min时，系统制热量与制热COP均剧烈下降。这是因为工质节流后的温度随压缩机转速升高而降低，在制热工况下，车外侧换热器作蒸发器，当压缩机转速过大时，蒸发器内温度过低，蒸发器表面开始结霜。在曲线末端，系统制热量和制热COP随转速变化仅有微小变化，并最终大致维持在定值。这是因为当霜层形成之后，蒸发器的换热主要受霜层热阻所限，这时压缩机转速增大对系统换热贡献不大。

由图8可以看出，当压缩机转速大于2400r/min时，系统出现结霜，但即使在结霜条件下，系统的COP仍能维持在1以上，说明该系统比直接电加热正温度系数电热管（PTC）制热方式能耗更低。由于电动汽车空调系统压缩机采用电池直接驱动，转速可以单独控制，与车速无关，因此可将转速控制在最优水平，既满足制热量要求，又避免了严重结霜。

5 结束语

采用封闭式涡旋压缩机与平行流换热器搭建了一套热泵型电动汽车空调系统，利用低压直流调速控制器对压缩机进行变频控制，试验研究了在不同室外温度下该系统运行性能随压缩机转速的变化，结论如下:

a.所搭建的空调系统能取得较好的制冷效果，且制冷COP随着压缩机转速升高而增大，在室外侧温度为30℃/20℃、转速为3600 r/min时，制冷COP达到2.1，比文献值高出30%。

b.在热泵运行工况下，当压缩机转速过大时，该系统车外侧换热器出现结霜，但系统制热COP仍然高于1，说明该热泵空调系统比目前广泛采用的直接电加热PTC制热方式能取得更好的节能效果。

c.本文所采用的封闭式涡旋压缩机COP随转速线性增长。虽然在低转速时其性能略低于滑片压缩机，但当转速高于2600 r/min时，其COP高于滑片压缩机，且这一差距随转速升高而继续增大。考虑到电动汽车空调压缩机不受车速限制可以独立控制转速，因此涡旋式压缩机在电动汽车空调系统中有更大的应用前景。

在电动汽车热泵空调系统中，平行流换热器做冷凝器能取得较好的性能，但当它做蒸发器时容易出现结霜。如何在保证系统COP的同时提高汽车热泵空调系统的抗结霜能力是未来的研究重点。为缓解系统结霜问题，可在本文研究基础上进行改进研究，如增设除霜运行回路、改变车外侧换热器结构以便于凝结水的排出、研究翅片防结霜涂层材料等。在压缩机控制方面，采用直流变频技术，研制智能传感控制系统，使压缩机转速能够随车内热负荷而动态变化，也是电动汽车空调未来的发展趋势。此外，还可进一步开展压缩机与换热器的匹配性研究，将压缩机的能效发挥到最大化。

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2 M.Hegar，M.Kolda，M.Kopecka，et al.Bus HVAC energy consumption test method based on HVAC unit behavior.International Journal of Refrigeration，In Press，Accepted Manuscript，Available online 12 November 2012.

3 李超，余洋，赵嫚.涡旋压缩机的虚拟建模与运动仿真.流体机械，2012，40（1）:17～21.

4 彭斌，孙迎，张力.变截面涡旋压缩机几何模型及摩擦损失模型.兰州理工大学学报，2012，38（3）:34～38.

5 Youn Cheol Park，Yongchan Kim，Honghyun Cho.Thermody namic analysis on the performance of a variable speed scroll compressor with refrigerant injection.International Journal of Refrigeration，2002，25（8）:1072～1082.

6 闵海涛，王晓丹，曾小华，等.电动汽车空调系统参数匹配与计算研究.汽车技术，2009，6（1）:19～22.

7 R.Saidur，S.Mekhilef，M.B.Ali，et al.Applications of variable speeddrive（VSD）inelectricalmotorsenergysavings.Renewable andSustainableEnergyReviews，2012，16（1）:543～550.

8 B.S.K.K.Ibrahim，N.Aziah.M.A，S.Ahmad，et al.Fuzzy-based Temperature and Humidity Control for HVAC of Electric Vehicle.International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors 2012 （IRIS 2012），Procedia Engineering，2012，41:904～910.