斜盘式及涡旋式压缩机对电动汽车热泵空调系统制热性能的影响

魏名山， 彭发展， 黄海圣， 王智兴， 张虹， 郝春思

(北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081)



斜盘式及涡旋式压缩机对电动汽车热泵空调系统制热性能的影响

魏名山， 彭发展， 黄海圣， 王智兴， 张虹， 郝春思

(北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081)

设计了用于电动汽车的热泵空调试验平台，利用步入式低温环境试验舱，研究了不同环境温度下涡旋式压缩机和斜盘式变排量压缩机对热泵空调系统性能和车室内平均温度的影响. 试验结果表明：采用涡旋式压缩机的热泵空调系统，车室内平均温度随时间以近似开口向上的抛物线规律增加；而采用斜盘式变排量压缩机的系统，车室内平均温度随时间以开口向右的抛物线规律增加. 高压管路内工质的温度和压力变化趋势与车室内平均温度变化趋势类似. 在一定的环境温度下，随着压缩机转速的增加，车室内达到舒适温度的时间变短.

涡旋式压缩机；斜盘式变排量压缩机；电动汽车热泵空调；制热性能；试验研究

面对日益严峻的环境污染和能源危机，现代社会在选择交通工具时会越来越倾向于行驶过程中零排放、效率高、噪音低、不受环境限制等优点的电动汽车. 然而，环境温度较低时，电机冷却液提供的余热无法满足电动汽车室内取暖的要求，所以无法采用与燃油汽车相同的取暖系统. 目前，电动汽车大多采用能耗较高的电加热等传统方法来提高车室内温度，因此会导致续航里程的严重减少. 相关研究表明，空调系统作为电动汽车能耗最大的辅助子系统，在冬季制热时能耗占整车耗能的33%左右，导致续航里程减少18%～30%.

热泵是利用少量高品位能源使热量由低温热源流向高温热源的节能装置. 在电动汽车的车室内取暖热负荷一定的情况下，如果利用热泵空调系统为车室内供暖，能以较少的电能满足取暖的要求，从而为延长电动汽车的续航里程提供技术保障. 陈观生等[1]在电动汽车热泵空调系统中采用了滑片式压缩机，以试验的方法研究了制冷模式下压缩机转速对制冷量、耗电量、容积效率及COP等参数的影响. 谢卓等[2]对比分析了内燃机汽车与电动汽车的空调系统之间的差异，比较了采用不同工质和压缩机的电动汽车热泵空调系统的性能，同时提出了开发高效节能电动汽车热泵空调系统的设计方法. Chung-Won Cho等[3]设计了利用电机冷却液余热的电动汽车热泵空调系统，以试验的方法研究了环境温度、冷却液体积流量等参数对系统的制热量、压缩机功耗和COP的影响. 李丽等[4]设计了针对电动汽车使用的热泵空调试验系统，研究了斜盘式压缩机在固定转速下环境温度对系统制热性能的影响. 巫江虹等[5]在电动汽车热泵空调系统中采用了涡旋式压缩机，分别研究了管翅式换热器和多流程微通道换热器在制冷/制热模式下对系统的制冷量/制热量和制冷系数/制热性能系数的影响.

文中设计了适用于电动汽车取暖用的热泵空调试验平台，利用步入式低温环境舱，分别研究了采用涡旋式压缩机和斜盘式变排量压缩机的电动汽车热泵空调系统在不同的转速和环境温度下对系统性能及车室内平均温度的影响.

1 电动汽车热泵空调系统

电动汽车热泵空调系统处于制热模式时，四通换向阀内部D-E，C-S口相通，管道内部工质的流动方向如图1所示. 首先车室外换热器中低温低压的气态工质经四通换向阀的C-S口被吸入压缩机中，经压缩后变为高温高压的气态经四通换向阀的D-E口排入车室内换热器，工质在其中冷凝放热变为中温高压液态，从而提高车室内温度；接着工质经过单向阀、节流机构后变为低温低压的气液混合物；最后工质进入车室外换热器中蒸发吸热变为低温低压的气态. 在压缩机的作用下，管道内部工质处于循环流动状态，从而实现了连续制热.

2 试验设备及数据采集系统

2.1 试验设备

针对某型号的电动汽车，设计了适用于取暖用的热泵空调试验平台，该平台主要由热泵空调系统、数据采集系统和模拟车身部分组成. 热泵空调系统为该试验平台的核心部分，各构件按图1所示的顺序用铜管连接. 模拟车身部分与该车型的车室内空间相当，除风挡玻璃外，内部均用保温材料覆盖. 在热泵空调系统中，分别采用斜盘式变排量压缩机和涡旋式压缩机进行试验，二者均用三相异步电动机驱动，其主要参数如表1所示.

表1 压缩机主要参数

斜盘式变排量压缩机通过改变活塞的行程来改变排量，与斜盘式定排量压缩机相比，具有吸气压力、排气压力、工作扭矩波动较小，平均功耗低，且在低负荷时噪音低等优点. 而涡旋式压缩机依靠固定涡旋体和可动涡旋体之间的相对运动，使密闭空间中的体积发生变化，从而排出高压气体. 与传统往复式压缩机相比，涡旋式压缩机具有体积小、重量轻、效率高、噪声低等优点.

在热泵空调系统中，车室内采用管翅式换热器，车室外采用平行流换热器. 为模拟电动汽车行驶过程中车室外换热器表面产生的迎面风速，因此在换热器上安装转速可调的低压直流风扇.

2.2 数据采集系统

在热泵空调系统管道中的关键点处(车室内换热器和车室外换热器的进、出口处)分别安装温度传感器和压力传感器，用于监测系统运行时工质的温度值和压力值，同时在车室内距前后挡风玻璃15 cm处分别放置两个温度传感器，监测车室内温度随系统运行时间的变化关系. 利用Simulink搭建了数据采集系统，用于记录热泵空调系统运行时监测点处工质的状态参数.

2.3 步入式环境舱系统

在试验时，利用北京理工大学电动车辆国家工程实验室的步入式环境舱系统，用于模拟环境温度、湿度、风速等环境因子. 使用环境舱系统不仅能够复现各种自然条件，同时还能针对特定的工况设置所需的环境参数，因此能实现相同环境参数下的多次重复试验. 步入式环境舱的主要参数如表2所示.

表2 环境舱的主要参数

3 试验过程

将热泵空调试验平台放置于步入式环境舱内，根据表3所示的5种工况设定相应的环境参数. 试验开始前，要保证热泵空调试验平台内所有监测点处的温度值与环境舱内的温度值近似相等. 当系统运行时间超过2 000 s或者车室内平均温度超过30 ℃时，热泵空调系统停止工作.

表3 试验工况

4 试验结果

4.1 车室内平均温度的变化规律

车室内平均温度达到舒适温度(18 ℃)所需要的时间是衡量热泵空调系统性能的重要参数之一，图2为5种工况下车室内平均温度随系统运行时间的变化关系. 其中，θin为车室内平均温度，t为系统运行时间.

由图2可知，当压缩机转速为3 400 r·min-1时，在环境温度为0 ℃的情况下，采用斜盘式压缩机和涡旋式压缩机的系统θin达到18 ℃分别需要500 s和800 s左右，达到30 ℃时分别需要1 420 s和1 040 s左右；当系统运行到920 s时，采用涡旋式压缩机的系统车室内平均温度超过斜盘式压缩机的系统. 在环境温度为-10 ℃的情况下，当热泵空调系统运行到2 000 s时，采用斜盘式压缩机和涡旋式压缩机的系统θin分别达到17.8 ℃和14.5 ℃，虽然未超过舒适温度，但是从上升的趋势来看将会很快超过18 ℃. 在系统运行时间内，对于采用涡旋式压缩机的热泵空调系统，车室内平均温度以近似开口向上的抛物线规律增加，而采用斜盘式压缩机的系统则以近似开口向右的抛物线规律增加.

4.2 车室内换热器参数变化规律

高温高压的气态工质通过车室内换热器时发生相变，放出大量的热能，从而提高车室内的温度，因此该换热器进出口处工质的状态参数对车室内平均温度有直接的影响. 车室内换热器进出口处工质的温度随系统运行时间的变化关系如图3所示，其中，θin-inlet为车室内换热器进口处工质的温度，θin-outlet为车室内换热器出口处工质的温度.

当压缩机转速为3 400 r·min-1时，在环境温度为0 ℃的情况下，系统运行的开始阶段，采用涡旋式压缩机的系统θin-inlet较低，当系统运行到730 s时，θin-inlet超过斜盘式压缩机系统；在环境温度为-10 ℃的情况下，系统运行到1 500 s左右时，采用涡旋式压缩机的系统θin-inlet超过斜盘式压缩机系统，如图3(a)所示. 由于车室内换热器的几何参数、迎面风速等参数保持不变，因此对同一工况而言，θin-inlet与θin-outlet具有相同的变化趋势. 当压缩机转速为3 400 r·min-1，环境温度为0 ℃时，采用涡旋式压缩机的系统θin-outlet超过斜盘式压缩机系统需要880 s，环境温度为-10 ℃时需要的时间要大于2 000 s. 由图3可知，在压缩机转速相同的情况下，环境温度越高，θin-inlet与θin-outlet的温度值越高.

在热泵空调系统运行的初始时刻，车室内换热器进口处工质的压力出现了波动，随后缓慢增加，且环境温度越高，车室内换热器进出口处工质的压力越大，如图4所示，其中，pin-inlet为车室内换热器进口处工质的压力，pin-outlet为车室内换热器出口处工质的压力.

当压缩机转速为3 400 r·min-1，环境温度为0 ℃时，采用涡旋式压缩机的系统在开始运行时pin-inlet较低，当系统运行到900 s时，pin-inlet超过斜盘式压缩机的系统，如图4(a)所示. 当环境温度降低到-10 ℃时，与0 ℃下采用相同压缩机的系统相比，pin-inlet值要低. 由于工质在车室内换热器中近似等压冷凝，因此，在不同工况下pin-inlet与pin-outlet的变化趋势相同，如图4(b)所示.

4.3 车室外换热器参数变化规律

制热模式下，工质经节流降压后进入车室外换热器中，因此车室外换热器进出口处属于热泵空调系统的低压管路部分. 车室外换热器进出口处工质的温度随系统运行时间的变化关系如图5所示，其中，θout-inlet为车室外换热器进口处工质的温度，θout-outlet为车室外换热器出口处工质的温度.

在系统开始运行时刻，θout-inlet急剧下降，然后快速上升，到一定值后继续下降，如图5(a)所示. 在压缩机的转速、环境温度分别相等的情况下，在系统运行的初始阶段，θout-inlet的温度近似相等，随着系统运行时间的增加，采用涡旋式压缩机的系统θout-inlet较低. 不同工况下，热泵空调系统在运行的最初阶段，θout-outlet迅速降低，随后增加，如图5(b)所示.

图6为车室外换热器进出口处工质的压力随系统运行时间的变化关系，其中，pout-inlet为车室外换热器进口处工质的压力，pout-outlet为车室外换热器出口处工质的压力.

由图可知，在系统运行的初始阶段，pout-inlet迅速减小，随后缓慢增加，如图6(a)所示. 当压缩机转速为3 400 r/min、环境温度为0 ℃时，采用涡旋式压缩机的系统在开始运行时，pout-inlet值较低，当系统运行到950 s左右时，该处工质压力值将超过采用斜盘式压缩机的系统. 在压缩机的类型及转速相等的情况下，环境温度越低，pout-inlet越低. 由于工质在车室外换热器中近似等压蒸发，因此，pout-inlet与pin-inlet具有相同的变化趋势，如图6(b)所示.

4.4 压缩机转速对系统性能的影响

当环境温度为0 ℃时，斜盘式变排量压缩机的转速分别在1 700 r/min和3 400 r/min的情况下，车室内平均温度达到18 ℃分别需要900 s和500 s，如图2所示. 这主要是因为：压缩机转速越高，单位时间内压缩机对工质做的功越多，同时管道内部工质的质量流量也变大，在车室内换热器几何参数及其迎面风速不变的情况下，则意味着单位时间内工质与车室内空气的换热量变大，因此压缩机转速越高，车室内平均温度上升得越快. 当环境温度为0 ℃时，高压管路中工质的温度和压力随斜盘式变排量压缩机转速的增加而升高，分别如图3、图4所示；在低压管路中，车室外换热器进口处工质的温度相差不大，如图5(a)所示，而车室外换热器进口处工质的压力，车室外换热器出口处工质的温度和压力随压缩机转速的增加而升高，分别如图6(a)、图5(b)和图6(b)所示.

5 结 论

以试验的方法，研究了两种类型的压缩机在不同环境温度下对电动汽车热泵空调系统性能的影响. 得到以下结论：

① 对于采用涡旋式压缩机和斜盘式压缩机的电动汽车热泵空调系统而言，高压管道内部工质温度值和压力值随运行时间的变化趋势与车室内平均温度的变化趋势相同.

② 采用涡旋式压缩机的热泵空调系统，车室内平均温度以近似开口向上的抛物线规律增加，采用斜盘式压缩机的系统，车室内平均温度以近似开口向右的抛物线规律增加.

③ 在一定的环境温度和压缩机排量下，压缩机转速越高，车室内平均温度达到18 ℃的时间变短，同时系统高压管道内部工质的温度值和压力值越大.

[1] 陈观生,史保新,马国远.电动汽车空调压缩机的试验研究[J].广东工业大学学报,2000,17(2):11-14.

Chen Guansheng, Shi Baoxin, Ma Guoyuan, et al. The simulating test of vane compressor with double working cavity[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2000,17(2):11-14.(in Chinese)

[2] 谢卓,陈江平,陈芝久.电动车热泵空调系统的设计分析[J].汽车工程,2006,28(8):763-765.

Xie Zhuo, Chen Jiangping, Chen Zhijiu. On the design of heat pump air conditioning system for electric vehicles[J]. Automotive Engineering , 2006,28(8):763-765. (in Chinese)

[3] Cho Chungwon, Lee Hoseong, Won Jongphil, et al. Measurement and evaluation of heating performance of heat pump systems using wasted heat from electric devices for an electric bus[J]. Energies, 2012(5):658-669.

[4] 李丽,魏名山,彭发展,等.电动汽车用热泵空调系统设计与实验[J].制冷学报,2013,34(3):60-63.

Li Li, Wei Mingshan, Peng Fazhan, et al. Design and experiment of a heat pump air-conditioning system for electric vehicle[J]. Journal of Refrigerant, 2013,34(3):60-63. (in Chinese)

[5] 巫江虹,谢方,刘超鹏,等.电动汽车热泵空调系统微通道换热器适应性研究[J].机械工程学报,2012,48(14):141-147.

Wu Jianghong, Xie Fang, Liu Chaopeng, et al. Adaptability research on micro-channel heat exchanger applied to heat pump air conditioning system for electrical vehicle[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2012,48(14):141-147. (in Chinese)

(责任编辑：孙竹凤)

Heating Performance of Heat Pump Air Conditioning System with Scroll and Swash Plate Compressor

WEI Ming-shan， PENG Fa-zhan， HUANG Hai-sheng，WANG Zhi-xing， ZHANG Hong， HAO Chun-si

(School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081, China)

The effects of the scroll compressor and the variable displacement swash plate compressor on the average temperature in the electric vehicle cabin and the performance of the heat pump air conditioning system were studied under different environment temperature. The experiments were carried out on an experiment platform designed for the heat pump air conditioning system of electric vehicle. The research results show that the average temperature in the cabin increases with time along the rightwards parabolic curve when the heat pump air conditioning system makes use of the variable displacement swash plate compressor, and the temperature increases with time along the upwards parabolic curve when the heat pump air conditioning system makes use of the scroll compressor. At the constant ambient temperature, the cabin comfortable temperature achieves in less time with the increasing of the compressor rotation speed.

scroll compressor; variable displacement swash plate compressor; heat pump air conditioning system; electric vehicle; heating performance; experimental study

2014-04-09

国家自然科学基金资助项目(51375048)

魏名山(1975—)男，教授，博士生导师，E-mail:mswei@bit.edu.cn.

TM 925

A

1001-0645(2016)01-0013-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.01.003