武衛(wèi)東，余強元，吳佳瑋，欒忠駿

壓縮機轉速對新能源汽車空調制冷性能的影響

武衛(wèi)東，余強元，吳佳瑋，欒忠駿

（上海理工大學，上海 200093）

設計開發(fā)了一套新的新能源汽車熱泵型空調試驗系統(tǒng)，綜合多項運行參數(shù)并通過試驗分析了定轉速時系統(tǒng)的最佳運行工況，研究了制冷模式下壓縮機轉速對系統(tǒng)運行時各關鍵參數(shù)的影響。結果表明：在定轉速工況下，當冷凝器出口過冷度在5～8℃時，能獲得較大的制冷量和COP；隨著壓縮機轉速的增大，制冷量逐漸增大，蒸發(fā)器出風溫度逐漸降低，而兩者的變化速率均在下降，COP也在降低。綜合蒸發(fā)器出風溫度和制冷量及能效考慮，較高轉速可達到快速降溫目的，但不利于整體能效提高，因此壓縮機轉速不宜過分提高。

新能源汽車；電動壓縮機；轉速；空調系統(tǒng)；制冷性能

1 前言

隨著我國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程加速推進，未來相當長一段時間內汽車需求量仍保持強勁增長趨勢，但由此引發(fā)的能源緊張和環(huán)境污染問題將更加突出，而新能源汽車是當前我國需要加快培育和發(fā)展的主要方向之一［1］。新能源汽車與傳統(tǒng)汽車的系統(tǒng)構成存在較大差別，傳統(tǒng)驅動方式的汽車空調系統(tǒng)不再適用，目前新能源汽車空調主要采用電動壓縮機空調系統(tǒng)。新能源汽車的動力源主要是汽車自帶的蓄電池輸出的電功率，而蓄電池的容量是有限的，空調系統(tǒng)對電動汽車續(xù)駛里程影響卻很大，因此開發(fā)出高效節(jié)能的熱泵空調系統(tǒng)對新能源汽車開拓市場具有重要的意義［2］。

針對新能源汽車熱泵型空調系統(tǒng)國內外相繼有一些研究報道。HFC134a是目前汽車空調系統(tǒng)中廣泛使用的一種制冷劑，日本電裝公司采用HFC134a制冷劑開發(fā)了包含車外冷凝器、車內冷凝器和車內蒸發(fā)器3種換熱器結構的電動汽車熱泵空調系統(tǒng)，其中車內冷凝器和車內蒸發(fā)器布置于熱泵系統(tǒng)的風道中［3］。該系統(tǒng)可通過四通換向閥的切換實現(xiàn)制冷、制熱和除霜/除濕模式的運行。Hosoz和Direk對一臺HFC134a熱泵型汽車空調性能進行測試，結果顯示：該系統(tǒng)運行制熱模式時的COP較制冷模式更高，但該系統(tǒng)在室外溫度較低時運行性能不佳［4］。謝卓等對比了傳統(tǒng)內燃機汽車與電動汽車空調系統(tǒng)，提出了適合我國國情的電動汽車熱泵空調系統(tǒng)的設計方法，并給出了開發(fā)高效率電動壓縮機和全自動控制系統(tǒng)的發(fā)展建議［5］。史保新等設計搭建了一套電動汽車熱泵空調系統(tǒng)，在壓縮機分別在600，1000，2000和3000r/m in的轉速工況下，與相應轉速下燃油汽車空調系統(tǒng)的能耗和COP進行了對比分析，得出結論：電動車空調系統(tǒng)在較高轉速下表現(xiàn)出較好的性能［6］。彭發(fā)展等在制熱模式下，研究了不同的環(huán)境溫度對車室內平均溫度、高壓側內部工質的溫度和壓力、系統(tǒng)能效比等參數(shù)的影響，并對比分析了壓縮機轉速分別為1700r/m in和3400r/m in時各項運行參數(shù)，結果表明：當環(huán)境溫度較低時，提高壓縮機轉速可以減少車室內達到舒適溫度的時間［7］。Wang等通過測量制冷劑蒸氣質量流量研究了汽車空調系統(tǒng)的性能，分析了壓縮機轉速在700～2000r/m in范圍內變化對系統(tǒng)性能的影響，結果表明：系統(tǒng)COP隨著壓縮機轉速的增大而減?。?］。巫江虹等在電動汽車熱泵空調系統(tǒng)中采用渦旋式壓縮機，分別研究了管翅式換熱器和多流程微通道換熱器在制冷、制熱模式下對系統(tǒng)的制冷量、制熱量和制冷系數(shù)、制熱性能系數(shù)的影響［9］。施駿業(yè)等通過試驗對比研究了汽車空調平行流蒸發(fā)器與層疊式蒸發(fā)器的除濕性能，結果發(fā)現(xiàn)平行流蒸發(fā)器的排水性能更好，制冷量更大，除濕效率更高［10～13］。綜上所述，盡管已有文獻涉及有壓縮機轉速的研究，但是針對壓縮機轉速（特別是4000r/m in以上的高轉速）對電動汽車熱泵型空調系統(tǒng)制冷性能影響的研究還不夠全面和深入，而且多數(shù)系統(tǒng)都是通過四通換向閥的切換實現(xiàn)各種模式的運行。

本文在前人基礎上，設計一個新的新能源汽車熱泵型空調系統(tǒng)，并搭建相應性能試驗臺架系統(tǒng)，試驗研究壓縮機轉速對蒸發(fā)器出風溫度、冷凝和蒸發(fā)壓力、制冷量、壓縮機功耗和COP的影響規(guī)律。為高效新能源汽車熱泵型空調系統(tǒng)的開發(fā)及應用提供參考。

2 新能源汽車熱泵型空調系統(tǒng)

圖1為設計的新能源汽車熱泵型空調系統(tǒng)。系統(tǒng)中壓縮機采用電動變頻渦旋壓縮機，制冷劑采用HFC134a，節(jié)流閥采用電子膨脹閥（簡稱EXV），換熱器包括車內蒸發(fā)器、車內冷凝器和車外換熱器（由車外冷凝器和過冷器組成）共3個，均采用多流程微通道換熱器。車內蒸發(fā)器和車內冷凝器布置在同一風道內，且車內蒸發(fā)器布置在車內冷凝器前端。該系統(tǒng)的特點是舍棄了四通閥部件，通過電磁閥和單向閥控制而實現(xiàn)制冷、制熱、除濕和化霜功能。其中制冷工況循環(huán)為：循環(huán)工質經(jīng)壓縮機壓縮后進入車外換熱器冷凝，經(jīng)電子膨脹閥1節(jié)流，并在車內蒸發(fā)器蒸發(fā)，最后經(jīng)氣液分離器后回到壓縮機，完成循環(huán)。制熱工況循環(huán)為：循環(huán)工質經(jīng)壓縮機壓縮后進入車內冷凝器冷凝，經(jīng)電子膨脹閥2節(jié)流，進入車外換熱器（起蒸發(fā)器作用）蒸發(fā)，再經(jīng)氣液分離器后回到壓縮機，完成循環(huán)。除濕工況循環(huán)為：工質經(jīng)壓縮機壓縮后進入車內冷凝器冷凝，經(jīng)電子膨脹閥2節(jié)流，進入車內蒸發(fā)器蒸發(fā)，最后經(jīng)氣液分離器后回到壓縮機，完成循環(huán)。化霜工況為：當車外冷凝器結霜時，停止制熱模式，切換至制冷模式，循環(huán)工質經(jīng)壓縮機壓縮后直接進入車外冷凝器化霜，然后進入電子膨脹閥1節(jié)流，并在車內蒸發(fā)器蒸發(fā)，最后經(jīng)氣液分離器后回到壓縮機，完成循環(huán)。

圖1 新能源汽車熱泵型空調試驗系統(tǒng)

3 試驗系統(tǒng)

3.1 焓差環(huán)境室

利用焓差法對所設計的空調系統(tǒng)進行性能試驗，所搭建試驗系統(tǒng)及焓差環(huán)境實驗室如圖2所示。

圖2 焓差環(huán)境室原理示意

該焓差室可以同時模擬2個獨立的環(huán)境工況，室內側模擬車內環(huán)境，室外側模擬車外環(huán)境；每個環(huán)境室中配2臺制冷機組、前段和后端加熱器、加濕器、循環(huán)風機、風洞裝置以及相應的環(huán)境參數(shù)測量和控制系統(tǒng)等來滿足試驗所需環(huán)境參數(shù)的要求。其中，所用溫度傳感器測量精度為±0.1℃，干球溫度控制范圍為-20～50℃，控制精度為±0.5℃；相對濕度控制范圍為20%～100%，控制精度為±2%。

3.2 系統(tǒng)測點布置及測控系統(tǒng)

所設計的空調系統(tǒng)電氣控制部分主要包括渦旋壓縮機控制器（用于控制壓縮機轉速）、電子膨脹閥脈沖信號控制器及電磁閥通斷控制器。試驗數(shù)據(jù)采集分兩部分：空調系統(tǒng)測點數(shù)據(jù)采集和環(huán)境風側數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)測點數(shù)據(jù)采集主要包括壓縮機進出口、室外冷凝器進口、過冷器出口、電子膨脹閥進口、室內蒸發(fā)器出口和室內冷凝器進出口的溫度和壓力，電子膨脹閥后管道壁面溫度以及制冷劑循環(huán)質量流量（測點布置如圖1所示），另外還有壓縮機電壓、電流和功率。風側數(shù)據(jù)采集主要有3個換熱器出風（背風）面的溫度、室內外換熱器進風的風量、溫度和濕度。這些傳感器信號傳入安捷倫數(shù)據(jù)采集儀中，然后通過數(shù)據(jù)線導入電腦中?？刂菩盘柾ㄟ^PLC經(jīng)網(wǎng)絡導入電腦中，采用LabVIEW軟件編制的集成采集控制程序，對風側和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號進行采集記錄，并對相應的控制部件進行控制。

3.3 試驗方法

基于上述試驗系統(tǒng)，首先進行充注量優(yōu)化試驗，最終確定出該系統(tǒng)的制冷劑最佳充注量為1350g。限于篇幅，本文主要針對制冷模式下相應工況進行性能試驗分析和總結，其他模式下性能在隨后工作中再做詳細總結報道。系統(tǒng)試驗開始前，先啟動環(huán)境室機組，根據(jù)設計的試驗工況（如表1所示，在無特別說明情況下，都是按表中工況進行試驗），設定環(huán)境室溫度和濕度；待環(huán)境室工況穩(wěn)定后，從低轉速啟動被測空調系統(tǒng)壓縮機，在每個設計轉速下，通過調節(jié)電子膨脹閥（即EXV）開度，尋找出該轉速下的最佳運行工況（滿足出風溫度和制冷量需求下性能系數(shù)達到最優(yōu)）。在不同壓縮機轉速下，每改變一次電子膨脹閥開度后，讓系統(tǒng)穩(wěn)定運行一段時間，當蒸發(fā)器（或熱泵冷凝器）出風溫度上下波動維持在0.5℃時，持續(xù)運行5m in，記錄下相關性能運行參數(shù)，結束試驗，整理數(shù)據(jù)。

表1 試驗工況

4 試驗結果與分析

4.1 最佳運行工況分析

在進行壓縮機轉速對系統(tǒng)性能影響試驗之前，首先在上述環(huán)境工況下進行了系統(tǒng)最佳運行工況分析試驗。圖3示出了新能源汽車熱泵型空調系統(tǒng)在壓縮機轉速為5000r/m in不同EXV開度下運行時的過冷度、出風溫度及壓縮機功耗變化情況。

圖3 不同EXV開度下運行時過冷度、出風溫度和功耗的變化（壓縮機轉速為5000r/m in）

由圖3可見，當電子膨脹閥開度為320步和300步時，系統(tǒng)無過冷度，此時從視液鏡中可觀察到很多氣泡，這時的制冷劑在經(jīng)過冷凝器和過冷器后仍為氣液兩相狀態(tài)，兩相節(jié)流后的溫度較高，導致系統(tǒng)中蒸發(fā)器的出風溫度較高；當電子膨脹閥開度為280步時，系統(tǒng)過冷度為7.1℃，從視液鏡中可觀察到無色透明液體，這時的制冷劑在經(jīng)過冷凝器和過冷器后為純液狀態(tài)，此時節(jié)流效果較好，蒸發(fā)器的出風溫度也較低；當電子膨脹閥開度為270步時，系統(tǒng)過冷度為11.6℃，此時節(jié)流效果更好，蒸發(fā)器的出風溫度也更低。當電子膨脹閥開度分別為280步和270步時，系統(tǒng)制冷量分別為5743.1，5667.6W，壓縮機功耗分別為2424.8，2490.3W，系統(tǒng)COP分別為2.37，2.27。通過對比分析可得出：當系統(tǒng)無過冷度時，系統(tǒng)穩(wěn)定性及性能均表現(xiàn)不佳；當系統(tǒng)具有一定過冷度時，性能表現(xiàn)優(yōu)異；當系統(tǒng)過冷度過大時，制冷量和系統(tǒng)COP均有降低趨勢。

進一步試驗發(fā)現(xiàn)，當EXV開度過小（如壓縮機轉速為2000r/m in，EXV開度小于100步）時，會導致制冷劑循環(huán)流量過小，過冷度過大，節(jié)流后溫度過低，導致蒸發(fā)器中第一個流程換熱器表面出現(xiàn)結霜現(xiàn)象，而此時系統(tǒng)制冷量卻較小，蒸發(fā)器出口壓力也表現(xiàn)過低（低于0.26MPa），這種狀態(tài)運行對系統(tǒng)穩(wěn)定性及性能均產(chǎn)生不利影響。通過多組試驗最后得出：當過冷度在5～8℃時，系統(tǒng)性能表現(xiàn)最佳，基于此，本文試驗中以過冷度來簡捷判斷最佳運行工況和確定電子膨脹閥最佳開度。

系統(tǒng)中冷凝壓力/溫度和蒸發(fā)壓力/溫度是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要參數(shù)，可從另一個側面反映出系統(tǒng)工況的優(yōu)劣。圖4為不同EXV開度下冷凝和蒸發(fā)溫度/壓力的變化情況。

圖4 不同EXV開度下冷凝和蒸發(fā)溫度/壓力的變化（壓縮機轉速為 5000r/m in）

由圖4可以看出，系統(tǒng)冷凝壓力隨著電子膨脹閥開度的增大而減小，蒸發(fā)壓力隨著電子膨脹閥開度的增大而增大；而系統(tǒng)冷凝和蒸發(fā)溫度均隨著電子膨脹閥開度的增大而增大。分析可知，在一定工況條件下，當電子膨脹閥開度較大時，冷凝負荷增大，制冷劑經(jīng)過冷凝器不能被充分冷凝而仍處于兩相狀態(tài)，這不利于冷凝器溫度或節(jié)流前溫度以及節(jié)流后蒸發(fā)溫度/壓力的降低；而在一定范圍內當電子膨脹閥開度較小時，制冷劑循環(huán)流量減小，在冷凝器可較充分換熱而易轉變?yōu)榧円簯B(tài)（處于飽和或過冷狀態(tài)，節(jié)流前溫度降低），進而使制冷劑節(jié)流后以及經(jīng)蒸發(fā)器的溫度和壓力都較低，而較低的蒸發(fā)溫度可使出風溫度較低，增大了進出蒸發(fā)器的空氣換熱溫差（進風溫度和流量一定），故可使對應制冷量也增大。

4.2 壓縮機轉速對冷凝、蒸發(fā)壓力的影響規(guī)律

圖5示出了為不同壓縮機轉速下冷凝和蒸發(fā)壓力的變化。圖中不同壓縮機轉速下試驗對應的是其最佳運行工況下的EXV開度。由圖可見，冷凝壓力隨著壓縮機轉速的增大而增大，而蒸發(fā)壓力隨著壓縮機轉速的增大而降低。在室內外環(huán)境溫度不變時，壓縮機提高轉速，增大了循環(huán)質量流量，并使低壓更低，高壓更高，壓比增大，導致壓縮機功耗和制冷量都有不同程度增加。

圖5 不同壓縮機轉速下冷凝和蒸發(fā)壓力的變化

4.3 壓縮機轉速對電子膨脹閥最佳開度和蒸發(fā)器出風溫度的影響規(guī)律

圖6示出了不同壓縮機轉速下的EXV最佳開度與蒸發(fā)器出風溫度的變化。由圖可見，當壓縮機轉速從2000r/m in增加到7000r/m in（以1000r/m in間隔增加），對應的電子膨脹閥最佳開度分別是：180，230，260，275，280，285步?？梢钥闯?，隨著壓縮機轉速的增大，最佳電子膨脹閥開度逐漸增大，且其增大的速率在逐漸減小。這是由于壓縮機轉速在一定范圍內增大，冷凝溫度和壓力會增大，在冷凝器進風溫度和流量不變下，則其換熱溫差及換熱量變大，如電子膨脹閥開度不變時會導致過冷度變大，因此當壓縮機轉速增大時要使過冷度保持在5～8℃之間（最佳工況標志），需要將電子膨脹閥開度在一定范圍內調大。

圖6不同壓縮機轉速下的EXV最佳開度與蒸發(fā)器出風溫度的變化

圖6 還顯示，壓縮機轉速從2000r/m in增加到7000r/m in（以1000r/m in間隔增加）對應的蒸發(fā)器出風溫度分別是：21.5，18.9，17.8，16.8，15.5，15.1℃?？梢钥闯?，隨著壓縮機轉速的增大，蒸發(fā)器出風溫度逐漸減小，且其出風溫度降低速率在逐漸減小。這是由于隨著壓縮機轉速的增高，制冷劑流量增大，導致通過電子膨脹閥及管路的循環(huán)阻力增大，表現(xiàn)為冷凝側壓力升高，節(jié)流后的蒸發(fā)壓力降低，蒸發(fā)溫度降低，在通過蒸發(fā)器風量不變的條件下，其出風溫度降低。但同時因其循環(huán)阻力和流量的增大導致壓縮機消耗功率增大，因此，為達到合適的出風溫度，過分提高壓縮機轉速并不利于能效比的提高。

4.4 壓縮機轉速對制冷量、壓縮機功耗和COP的影響規(guī)律

制冷量和COP是空調系統(tǒng)性能的重要評判依據(jù)。圖7示出了不同壓縮機轉速對系統(tǒng)制冷量、功耗及COP的影響。由圖可見，制冷量和壓縮機功耗隨著壓縮機轉速的增大均增大，而COP隨著壓縮機轉速的增大表現(xiàn)為降低。其中制冷量曲線呈“上凸”型，這說明隨著壓縮機轉速的增大，系統(tǒng)制冷量的增長速率在下降，而壓縮機功耗曲線呈近似“直線”型，因此COP（制冷量與壓縮機功耗之比）隨著壓縮機轉速的增大而呈現(xiàn)降低趨勢。由上述分析可知，高轉速下可以獲得較大制冷量，這有利于縮短車內降溫時間，但不利于能效提高，故為提供一個高效節(jié)能的舒適環(huán)境，需多方面綜合考慮。

圖7 不同壓縮機轉速對系統(tǒng)制冷量、功耗及COP的影響

5 結論

（1）當系統(tǒng)過冷度在5～8℃時，能獲得較大的制冷量和COP，系統(tǒng)性能表現(xiàn)最好。

（2）隨著壓縮機轉速的增大，對應的最佳工況下的電子膨脹閥最佳開度逐漸增大，但增大的速率逐漸減?。欢舭l(fā)器出風溫度逐漸降低且下降速率在逐漸減小。

（3）隨著壓縮機轉速的增大，冷凝壓力增大，蒸發(fā)壓力降低，壓縮機功耗和制冷量都會有不同程度增加，COP表現(xiàn)為降低。

（4）綜合蒸發(fā)器出風溫度、制冷量和壓縮機功耗及能效考慮，較高轉速可達到快速降溫目的，但不利于整體能效提高，因此壓縮機轉速不宜過分提高。

［1］鴻雁.國務院辦公廳印發(fā)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》［J］.商用汽車，2012（14）：88-88.

［2］佟麗蕊，張振迎，王興國.電動汽車空調系統(tǒng)研究進展［J］.制冷，2015（1）：61-67.

［3］歐陽光.熱泵型電動汽車空調系統(tǒng)性能實驗研究［D］.廣州：華南理工大學，2011.

［4］ Hosoz M，Direk M. Performance evaluation of an integrated automotive air conditioning and he at pump system ［J］. Energy Conversion and Management，20 06，47（5）：545-559.

［5］謝卓，陳江平，陳芝久.電動車熱泵空調系統(tǒng)的設計分析［J］.汽車工程，2006，28（8）：763-765.

［6］史保新，馬國遠，陳觀生.電動車用空調裝置的研究［J］.流體機械，2002，30（4）：48-50.

［7］彭發(fā)展，魏名山，黃海圣，等.環(huán)境溫度對電動汽車熱泵空調系統(tǒng)性能的影響［J］.北京航空航天大學學報，2014，40（12）：1741-1746.

［8］WangS，GuJ，DicksonT，etal.Vaporqualityandperformanceofanautomotiveairconditioningsystem［J］.ExperimentalThermal&FluidScience，2005，30（1）：59-66.

［9］巫江虹，謝方，劉超鵬，等.電動汽車熱泵空調系統(tǒng)微通道換熱器適應性研究［J］.機械工程學報，2012，48（14）：141-147.

［10］譚蔚，晉文娟，吳皓，等.剛性管對正方形排布管束流體彈性不穩(wěn)性的影響研究［J］.壓力容器，2016，33（6）：1-7.

［11］葛玖浩，李偉，陳國明，等.基于EN13445直接法的深海外壓容器穩(wěn)定性研究和影響因素分析［J］.壓力容器，2015，32（2）：21-26.

［12］程哲銘，歐陽新萍，雷蓉.渦旋式壓縮機渦旋型線的研究綜述與前景［J］.流體機械，2015，43（1）：51-56.

［13］施駿業(yè)，瞿曉華，祁照崗，等.新型車用空調平行流蒸發(fā)器濕工況性能的研究［J］.汽車工程，2011，33（1）：74-78.

Influence of Compressor Speed on Air Conditioning Performance of New Energy Vehicle

WU Wei-dong，YU Qiang-yuan，WU Jia-wei，LUAN Zhong-jun
（University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

A new set of new energy vehicle heat pump air conditioning experimental system was designed and developed. The optimal operating conditions of the system at fixed speed were analyzed co nsidering multiple operating parameters. The influence of the compressor speed on the key parameters of the system during the cooling mode was studied. The results showed that when under fixed speed conditions and 5～8 ℃ of the condenser outlet subcooling degree，the system could get a larger cooling capacity and COP. With the increase of the compressor speed，the cooling capacity increased and the evaporator outlet temperature decreased，but their changing rates were declining and COP were also reduced. Based on overall consideration of evaporator outlet temperature and the cooling capacity and energy efficiency，a higher compressor speed could achieve the purpose of fast cooling，but did not make for the improvement of overall energy efficiency，therefore the compressor speed should not be increased too much.

new energy vehicles；electric compressor；rotating speed；air conditioning system；cooling performance

TH12

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.11.0102

1005-0329（2017）11-0066-05

2017-04-26

2017-06-01

教育部留學回國人員科研啟動基金項目（LXJJ2015005）；上海市自然科學基金項目(14ZR1429000)

武衛(wèi)東（1973-），男，博士，教授，研究方向為汽車空調技術，通訊地址：200093上海市軍工路516號上海理工大學能源與動力工程學院第一辦公室317，E-m ail:usstww d@163.com。