電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)及壓縮機(jī)性能分析

楊仕稼

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804）

0 引言

近年來(lái)新能源汽車呈現(xiàn)高速發(fā)展趨勢(shì)，2017年中國(guó)電動(dòng)車汽車銷量約為91萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)54.7%，位列世界第一。與傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽車相似，電動(dòng)汽車具有空調(diào)控制系統(tǒng)，包括制冷、制熱、通風(fēng)、除濕及凈化功能。但是由于車輛驅(qū)動(dòng)方式的改變，結(jié)構(gòu)上也發(fā)生了變化。電動(dòng)汽車由電能提供動(dòng)力，而非傳統(tǒng)汽車的熱能，因此不再需要發(fā)動(dòng)機(jī)，一貫使用的離合器式壓縮機(jī)顯然不適用于電動(dòng)汽車，電動(dòng)壓縮機(jī)作為替代品成為研究的重點(diǎn)[1-7]。近年來(lái)， 經(jīng)過(guò)陳江平等[8-9]的研究分析，電動(dòng)壓縮機(jī)主要研發(fā)方向集中于渦旋壓縮機(jī)[10]。王立存等[11]根據(jù)通用渦旋型線的特性建立了切向角系數(shù)參數(shù)化模型，通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真獲得準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)曲線。顧文等[12]通過(guò)使用ADAMS中的優(yōu)化模塊，實(shí)現(xiàn)在不同平衡塊質(zhì)量下偏心輪質(zhì)量的尋優(yōu)，計(jì)算結(jié)果與RP原數(shù)據(jù)結(jié)果接近，為渦旋壓縮機(jī)動(dòng)平衡設(shè)計(jì)提供有效方法。在研發(fā)電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，對(duì)比電動(dòng)壓縮機(jī)的匹配測(cè)試工作將耗費(fèi)大量時(shí)間，朱國(guó)梅等[13]對(duì)于獨(dú)立式壓縮機(jī)進(jìn)行配置研究，對(duì)實(shí)車進(jìn)行環(huán)境模擬驗(yàn)證。本文對(duì)選型設(shè)計(jì)及制冷效能測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，通過(guò)測(cè)試結(jié)果來(lái)驗(yàn)證匹配實(shí)驗(yàn)的可行性。

1 電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)型式及工作參數(shù)匹配

電動(dòng)汽車與燃油汽車最根本的區(qū)別是驅(qū)動(dòng)能源的不同，這對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)也有著明顯影響，動(dòng)力源的變化導(dǎo)致空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式發(fā)生改變。

1.1 電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)型式

汽車空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)主要分為機(jī)械壓縮機(jī)和電動(dòng)壓縮機(jī)兩種，傳統(tǒng)燃油汽車通常采用內(nèi)燃機(jī)聯(lián)動(dòng)機(jī)械壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)。電動(dòng)壓縮機(jī)通常分為兩種類型：混合驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)和全電動(dòng)壓縮機(jī)[14]。混合驅(qū)動(dòng)主要由蓄電池加壓縮機(jī)電機(jī)系統(tǒng)和機(jī)械壓縮機(jī)構(gòu)成，通過(guò)壓縮機(jī)電機(jī)系統(tǒng)先將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作。全電動(dòng)壓縮機(jī)通過(guò)脈寬調(diào)制對(duì)壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，相較于傳統(tǒng)機(jī)械壓縮機(jī)及混合驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，無(wú)論在體積質(zhì)量、安裝布置還是可靠性上都優(yōu)于前者，是電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)理想的壓縮機(jī)型式。

1.2 工作參數(shù)匹配

確認(rèn)壓縮機(jī)型式后，開始進(jìn)行工作參數(shù)的匹配，主要過(guò)程在以下幾節(jié)內(nèi)容中展開。

1.2.1 整車熱負(fù)荷計(jì)算

由于外界溫度高于車內(nèi)溫度[15]，在陽(yáng)光輻射的作用下，大量的熱量會(huì)通過(guò)車身、底盤、車門間隙、車窗玻璃等位置傳導(dǎo)入車內(nèi)，車內(nèi)溫度升高，如圖1所示。內(nèi)部的乘員數(shù)量、體溫、汗腺等因素導(dǎo)致車內(nèi)的溫度上升。

一般計(jì)算方式可分為如下兩類。

1）經(jīng)驗(yàn)估算

根據(jù)車型結(jié)構(gòu)或者乘員數(shù)量用類比法估算出車輛所需的制冷量，優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，可以根據(jù)以往數(shù)據(jù)估算得到所用于開發(fā)新型車輛的數(shù)據(jù)，應(yīng)用十分廣泛，缺點(diǎn)也顯而易見，精度較差，對(duì)實(shí)際調(diào)試時(shí)無(wú)法提供有效數(shù)據(jù)支撐。

2）理論計(jì)算

由于影響車內(nèi)熱負(fù)荷的因素很多，可以采用熱平衡方程式來(lái)計(jì)算車內(nèi)熱負(fù)荷[16]。

式中：

Qe——車輛總熱負(fù)荷，J；

Qb——車身傳導(dǎo)熱量（包含底盤），J；

Qg——玻璃傳導(dǎo)熱量，J；

Qw——新風(fēng)熱量，J；

Qp——車內(nèi)乘員熱量，J；

Qc——車輛零部件散熱量，J；

Qd——車輛電子設(shè)備散熱量，J；

α——制冷系數(shù)；

Q ——空調(diào)系統(tǒng)制冷量，W。

通過(guò)該方法能夠精確計(jì)算，但是計(jì)算前必須得到關(guān)于車輛結(jié)構(gòu)、尺寸及材料等相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)，過(guò)程繁瑣，計(jì)算工作量也較大，實(shí)用性比較局限。

圖1 外界環(huán)境對(duì)車內(nèi)溫度影響因素

1.2.2 循環(huán)參數(shù)確定

測(cè)定空調(diào)系統(tǒng)制冷量的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件通常稱為空調(diào)系統(tǒng)的額定工況，在規(guī)定實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行的壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)工況稱為測(cè)試工況。對(duì)于電動(dòng)壓縮機(jī)選型計(jì)算而言，必須要掌握以上兩種工況，以及壓縮機(jī)在各個(gè)工況下的性能參數(shù)。制冷工程學(xué)中，常采用壓焓圖來(lái)分析計(jì)算制冷循環(huán)，縱坐標(biāo)為絕對(duì)壓力p（MPa），橫坐標(biāo)為比焓值h（kJ/kg）。測(cè)試工況循環(huán)與額定工況循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)壓焓值如圖2[17]所示，根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)及制冷劑特性參數(shù)，可以確定兩個(gè)循環(huán)狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)值，如表1所示。

空調(diào)系統(tǒng)測(cè)試工況循環(huán)：1′-2′-4-5-1′。

空調(diào)系統(tǒng)額定工況循環(huán)：1″-2″-4′-5′-1″。

圖2 空調(diào)系統(tǒng)壓焓圖

表1 各循環(huán)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)表

1.2.3 額定工況壓縮機(jī)制冷量計(jì)算

式中：

qes——額定工況空調(diào)系統(tǒng)所需單位質(zhì)量的制冷量，W；

qec——額定工況壓縮機(jī)所需單位質(zhì)量的制冷量，W。

1.2.4 測(cè)試工況壓縮機(jī)制冷量計(jì)算

式中：

λc、λt——額定工況與測(cè)試工況下壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)；

qet——測(cè)試工況下壓縮機(jī)所需單位質(zhì)量的制冷量，W。

1.2.5 測(cè)試工況壓縮機(jī)軸功率及排量計(jì)算

區(qū)別于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)汽車壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速選擇，電動(dòng)汽車壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速是可調(diào)的，在其允許范圍內(nèi)可以自由調(diào)節(jié)，只與電機(jī)的調(diào)速范圍有關(guān)，因此選取的轉(zhuǎn)速為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的最大值nmax。

測(cè)試工況壓縮機(jī)軸功率計(jì)算為式（8）。

式中：

ηit——測(cè)試工況下壓縮機(jī)的指示效率；

Pmt——測(cè)試工況下壓縮機(jī)的摩擦功率，W。

壓縮機(jī)排量計(jì)算：

2 制冷效能測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法及電動(dòng)壓縮機(jī)選型

根據(jù)上述計(jì)算所得壓縮機(jī)軸功率，電動(dòng)汽車母線電壓以及壓縮機(jī)最高轉(zhuǎn)速排量，參照產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)選擇最適合的壓縮機(jī)型號(hào)。所選電動(dòng)壓縮機(jī)由蓄電池直接驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)脈寬可以對(duì)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，進(jìn)而對(duì)制冷量進(jìn)行控制。

2.1 測(cè)試方法

測(cè)試方法采用制冷劑液體流量計(jì)法，運(yùn)用焓差風(fēng)洞對(duì)電動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行制冷效能測(cè)試[18]。焓差風(fēng)洞可以控制輔助蒸發(fā)器部分的換熱量，對(duì)電動(dòng)壓縮機(jī)吸氣壓力、吸氣溫度進(jìn)行控制。該選型壓縮機(jī)使用制冷劑為R134a，壓縮機(jī)冷凍油型號(hào)：SP-10。

2.2 主要測(cè)試參數(shù)

測(cè)試允許參數(shù)偏差值范圍，見表2。

表2 測(cè)試參數(shù)允許偏差值范圍

2.3 測(cè)試系統(tǒng)

圖3所示為測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。測(cè)試裝置系統(tǒng)包括高壓直流電源、壓縮機(jī)艙、冷凍油管路油水分離裝置、冷凍油流量調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、蒸發(fā)器、蒸發(fā)器焓差風(fēng)洞、冷凝器（水冷式）、過(guò)冷器（具有電加熱功能）、制冷劑質(zhì)量流量計(jì)、膨脹閥、氣液分離裝置以及儲(chǔ)液罐。

制冷劑采用質(zhì)量作為計(jì)量單位，因此用質(zhì)量流量計(jì)來(lái)測(cè)量制冷循環(huán)中的制冷劑質(zhì)量流量。其安裝在膨脹閥與過(guò)冷器之間，為了確保測(cè)量的精確度，還需要其他設(shè)備配合使用。

注意事項(xiàng)：1）過(guò)冷器裝在流量計(jì)前端部分，可以防止制冷劑在流量計(jì)中汽化，可由冷卻水進(jìn)行過(guò)冷；2）在流量計(jì)位置處安裝玻璃視鏡，可以觀察制冷劑中是否含有氣泡；3）在流量計(jì)與過(guò)冷器之間可安裝溫度測(cè)量計(jì)，用于測(cè)量制冷劑溫度，在流量計(jì)與膨脹閥之間可以安裝壓力計(jì)，用于觀測(cè)制冷劑壓力狀況。

將圖3中的蒸發(fā)器用保溫材料固定在工裝板上，然后將其安裝到焓差風(fēng)洞內(nèi)部，如圖4所示。

取樣器用于測(cè)量氣體的溫濕度，靜壓箱用于測(cè)量?jī)?nèi)部靜壓以及內(nèi)部空氣取樣，輔助風(fēng)機(jī)用于控制空氣流量，壓力傳感器用于配合噴嘴計(jì)算流量。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖4 焓差風(fēng)洞結(jié)構(gòu)原理

整套系統(tǒng)采用PLC控制策略，通過(guò)CAN總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)結(jié)通訊，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試參數(shù)的設(shè)定。

2.4 測(cè)試系統(tǒng)控制策略

整套測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜性相對(duì)較高，參數(shù)值波動(dòng)對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性及測(cè)量都會(huì)有一定程度的影響，為取得理想的測(cè)量值，基于控制參數(shù)的數(shù)量，本測(cè)試對(duì)主要測(cè)試參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立控制，每一個(gè)測(cè)試參數(shù)會(huì)由單個(gè)或者單組設(shè)備分別獨(dú)立控制，以確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、參數(shù)的抗干擾性及有效性。

采用下列策略對(duì)測(cè)試進(jìn)行控制：

1）電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)脈寬調(diào)制來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速控制裝置；

2）電動(dòng)壓縮機(jī)油量控制，調(diào)節(jié)回油閥的開度；

3）電動(dòng)壓縮機(jī)環(huán)境溫度，調(diào)節(jié)電動(dòng)壓縮機(jī)安裝艙的電加熱裝置的輸出功率；

4）制冷劑溫度（膨脹閥與流量計(jì)之間），通過(guò)調(diào)節(jié)過(guò)冷器的電加熱裝置輸出功率或者過(guò)冷器的冷卻水流量；

5）電動(dòng)壓縮機(jī)吸氣溫度，控制風(fēng)洞環(huán)境溫度或者調(diào)節(jié)風(fēng)洞輔助風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；

6）電動(dòng)壓縮機(jī)吸氣壓力，調(diào)節(jié)膨脹閥的開度；

7）電動(dòng)壓縮機(jī)排氣壓力，調(diào)節(jié)冷凝器水量控制閥的開度。

2.5 電動(dòng)壓縮機(jī)基本參數(shù)及選型匹配

電動(dòng)壓縮機(jī)單元從結(jié)構(gòu)上可分為全封閉式或者半封閉式，是由電動(dòng)機(jī)與渦輪式壓縮機(jī)組成[19]。驅(qū)動(dòng)控制單元與電動(dòng)汽車的主電源形成聯(lián)結(jié)，通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)與電機(jī)之間的能量傳輸變化和轉(zhuǎn)換。一般由電機(jī)控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、控制信號(hào)接口電路以及保護(hù)電路組成。電動(dòng)壓縮機(jī)主要依靠車載電源提供能量，常規(guī)電源額定等級(jí)為12、24、36、42、48、120、144、168、192、216、240、264、288、312、336、360、384、408、540、600和800 V。

2.5.1 電動(dòng)壓縮機(jī)的基本參數(shù)

電動(dòng)壓縮機(jī)總成應(yīng)符合貨架標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并按經(jīng)規(guī)定程序批準(zhǔn)的圖樣和技術(shù)文件（或用戶和制造廠的協(xié)議）制造，基本參數(shù)詳見表3～表5。

表3 電動(dòng)壓縮機(jī)總成的能效比

表4 電動(dòng)壓縮機(jī)總成的噪聲限值

表5 電動(dòng)壓縮機(jī)總成基本參數(shù)

2.5.2 電動(dòng)壓縮機(jī)選型設(shè)計(jì)

電動(dòng)壓縮機(jī)的匹配過(guò)程與機(jī)械式壓縮機(jī)基本一致，所不同的是轉(zhuǎn)速及排量的選擇。傳統(tǒng)機(jī)械式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成固定比例關(guān)系，因此轉(zhuǎn)速是由發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速以及發(fā)動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)之間的傳動(dòng)比所決定[20]，電動(dòng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速在可調(diào)范圍內(nèi)，可以自由調(diào)整，選擇依據(jù)應(yīng)為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的最大值nmax。

3 電動(dòng)壓縮機(jī)制冷量計(jì)算

電動(dòng)壓縮機(jī)制冷量由測(cè)試結(jié)果得到的電動(dòng)壓縮機(jī)吸氣口的制冷劑氣態(tài)比焓與排氣口壓力露點(diǎn)溫度（相對(duì)應(yīng)飽和溫度）條件下液態(tài)比焓的差值乘以制冷劑質(zhì)量流量。

式中：

Qe——電動(dòng)壓縮機(jī)制冷量，W；

Vga——進(jìn)入電動(dòng)壓縮機(jī)的制冷劑蒸汽的實(shí)際比容，m3/kg；

Vgl——規(guī)定基準(zhǔn)測(cè)試工況下吸入工況時(shí)制冷劑蒸汽的比容，m3/kg；

q——制冷劑質(zhì)量流量，kg/h；

q′——冷凍油質(zhì)量流量，kg/h；

X——制冷劑含油量，%；

hgl——進(jìn)入電動(dòng)壓縮機(jī)的制冷劑氣態(tài)比焓，kJ/kg；

hfl——電動(dòng)壓縮機(jī)排氣壓力對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度下的制冷劑液態(tài)比焓，kJ/kg；

C0——冷凍油比熱容，J/(kg?K)；

tf——電動(dòng)壓縮機(jī)排氣壓力對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度，K；

tg——電動(dòng)壓縮機(jī)吸氣溫度，K。

采用上述測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)選定的電動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行一定工況測(cè)試獲得的制冷量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并與原廠數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6，各項(xiàng)偏差均不超過(guò)±1%，因此該測(cè)試方法確認(rèn)有效。

表6 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

本文研究了電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷量的計(jì)算及電動(dòng)壓縮機(jī)選型設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1）電動(dòng)汽車根據(jù)車型、底盤結(jié)構(gòu)、布局類型的不同，空調(diào)系統(tǒng)選取壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)型式也不同，以實(shí)際使用的環(huán)境、用途等進(jìn)行具體的數(shù)值分析；

2）現(xiàn)階段針對(duì)電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)，全電動(dòng)壓縮機(jī)的優(yōu)勢(shì)明顯，在效率、能耗和調(diào)節(jié)方式上表現(xiàn)出色，如能在成本控制方面有所突破，會(huì)加速車用空調(diào)領(lǐng)域的重新洗牌；

3）電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)的計(jì)算和傳統(tǒng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)性能系數(shù)的計(jì)算不同，在系統(tǒng)匹配時(shí)應(yīng)注意區(qū)分細(xì)節(jié)。