太阳能辅助电动汽车热泵空调系统的研究

STUDY ON SOLAR-ASSISTED HEAT PUMP SYSTEM FOR 　　ELECTRIC VEHICLE AIR CONDITIONING

摘要： 　　介绍研制的电动汽车热泵空调系统及其配用的双工作腔滑片压缩机的性能，依据测试样式机的试验结果分析了转速对该空调系统制冷量、输入功率及COP等性能的影响。若轿车顶盖全部布满太阳电池，所产生的电能约为225W，可以使空调系统的制冷量增加8%左右，同时还能降低汽车空调冷负荷的峰值。 关键词：汽车空调；热泵；太阳能

0 引言 　　现代流行的燃油汽车不仅消耗大量的石油资源，而且还严重污染大气环境，危害人类健康。据统计排放到大气的污染物中，汽车的废气（主要是氮氧化物、碳氧化物及碳氢化合物等）约占42%。鉴于此，许多国家政府通过立法逐步限制这种高污染产品。电动汽车具有无任何排泄物、不污染环境、低噪声及节省石油资源等特点，再次引起全世界的广泛关注。世界汽车工业发达国家都投入大量的人力、物力进行电动汽车开发和研制，取得了大量的成果，一批批先进的电动汽车不断面市，有的已形成商业化规模生产。与燃油汽车一样，电动汽车也要创造一个舒适的驾驶和乘座环境，即要配备相应的空调系统，提高其中舒适性和竞争力。在开发和研制电动汽车同时，也对配套的空调系统进行了开发与研制。热电空调系统因效率太低而无法被电动汽车所接受[1]。采用直流电动机驱动蒸汽压缩制冷系统的电动货车空调系统的试验结果表明，其性能与普通燃油汽车空调系统基本相当[2]。90年代初又对采用环保制冷剂的电动货车空调系统进行了试验研究[3]、[4]。 　　我国也制定了电动汽车的研究与开发计划，并正在逐步实施。本课题组对电动汽车配套的空调系统进行研制，开悄磁直流无刷电机直接驱动旋转压缩机的电动汽车热泵空调系统，本文介绍该系统及对其所进行的试验研究。 　　将太阳电池布满整个车顶可以起到两个作用；一是给电动汽车空调系统提供部分能量，使其取自车载蓄电装置的动力减少；二是可将电动汽车所需冷量的峰值减少40%[5]，从而使空调系统取自蓄电装置的动力进一步减少。根据Sekurit公司太阳能盖板的产品介绍，20组100mm×100mm单晶硅电太阳电池在完全曝晒时可产生25W的电能，对于小型轿车有1.81m2（19.5ft2）车顶面积[6]，这个空间安装的光电池在完全曝晒时能产生大约225W的电能。这种方案非常适合电动汽车使用，因为它在不加大车载蓄电装置容量的条件下，使电动车的有效行驶距离增加。本文也对太阳电池在电动汽车空调系统中的应用进行探讨。 　　 1 电动汽车热泵空调系统 　　电动汽车热泵空调系统的工作原理如图1所示，压缩机由直流无刷电机通过皮带驱动，空调系统的制热/制冷运行方式由四通换向阀转换，实线箭头表示制冷运行方式，这时向车室内吹冷气，使车内降温冷却；虚线箭头表示制热运行方式，这时向车内吹热风使车内升温加热或对挡风玻璃除雾/霜。通过感受车室温度，逆变器调制电动机电源的脉冲宽度来控制压缩机转速的大小，从而改变空调系统的冷（热）量大小，以满足各种环境条件下车室的舒适性及除雾/霜要求。从原理上讲，该系统与普通的热泵空调并无区别，但由于该空调系统是用于电动汽车这一特殊场合，该系统所用的主要部件都有其特殊性。为此，我们配套开发了双工作腔滑片压缩机，专门制作直流无刷电动机和逆变器控制系统。 　　 　　　　　　 　　　 　　　　　　　1.压缩机 2.驱动电机 3.逆变器 4.车室温度传感器 　　　 　　　　　　　 5.平行流换热器（车外单元） 6.四通换向阀 7.轴流风阀 　　　 　　　　　 　　8.膨胀阀 9.平等流换热器（车内单元） 10.离心风扇 　　　 　　　　　　 11.制热工作方式 12.制冷式方式 　　　 　　　　　　　　图1 电动汽车热泵空调系统 　　　 　　　　　Fig.1 Heat pump air conditioning system for electric vehicle 　　 　　专门研制的双工作腔滑片压缩机的结构原理如图2所示，圆形转子同心地安装在扁圆形气缸内，五个滑片置于转子上开设的槽中并能来回滑动，原动机驱动转子转动时，滑片靠离心力被甩出，紧贴在气缸内表面上，在气缸内腔分隔成若干个随转子转角变化其容积的小空间（称为基元），随着转子转动，基元容积的大小周期性变化，从而完成了气体的吸入、压缩、排出等工作过程。该压缩机具有以下特点： 　　 　　　　　 　　 　　　 　　　　　　1.气缸 2.转子 3.滑片 4.吸气口 5.排气阀 　　　 　　　　　　图2 双工作腔滑片压缩机 　　　 　　Fig.2 Schematic view of vane compressor with double-acting chambers 　　 　　1) 结构简单，零部件少，加工与装配容易实现。 　　2) 运转平稳。由于无偏心转动零部件，动力平衡性能好，尤其在高转速运动时振动和噪声很小。 　　3) 起动冲击小。滑片在起动时逐步伸出，静摩擦转矩小，因而起动转矩缓慢上升，减少了起动冲击。 　　4) 效率高。由于没有吸气阀，余隙容积小且余隙膨胀不直接影响吸气基元，因而使吸气损失减少，容积效率提高。 　　5) 体积小，重量轻，便于狭窄空间安装，因而比较适合汽车空调使用。 　　6) 压缩机每转完成两次吸、排气，输气量大且脉动性小。 　　 　　 表1列出了所研制双工作腔滑片压缩机的主要尺寸，图3为它与电装（Denso）公司容量相同的汽车空调用涡旋压缩机制COP[4]比较，从图中可以看出：转速低于2500r/min时，涡旋压缩机的COP低于双工作腔滑片压缩机，这主要是由于涡旋压缩机的内泄漏间隙比较长，低转速时其内泄漏量较大的缘故；转速高于2500r/min时，涡旋压缩机的COP则高于双工作腔滑片压缩机，但高出的幅度并不很大， 这主要是因为双工作腔滑片压缩机随转速的升高摩擦功率增加比较快的缘故 。考虑到其它因素：如加工简单、高转速下的振动和噪声很小、起动冲击小等，双工作腔滑片压缩机是适合电动汽车空调系统使用的压缩机。涡旋压缩机虽然也有优良的性能，但对加工和装配等的要求都比较高，国产设备还不能完全满足其技术要求。 　 　　　　　　　　　　　　　表1 主要参数表 　　　　　　　　　Table 1 Main Parameters of vane compressor 参数名称 单位 数量 　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　1.滑片压缩机 2.涡旋压缩机 　　　　　　　　　　图3 压缩机COP的比较 　　　　　　Fig.3 Comparison of COP between vane and scroll compressor 　　驱动电动机采用专门制作的稀土永磁直流无刷机，它用电子电路取代传统直流电动机的电刷及换向棒。电动机及电子设备一起构成了具有线性、高效的变转速系统。换热器采用具有90年代技术水平的平行流全铝换热器，换热效率高，□□□□，坚固耐用。

2 试验装置与测试条件
　　研制的电动汽车热泵空调样机在按照国际标准建造的全自动汽车空调系统试验装置上进行了测试，主测采用蒸发器侧进出口空气焓差法，辅测采用冷凝器侧液体制冷剂流量计法。测试时，主辅测制冷量偏差应小于5%，并以主测数据为准。试验方法及数据处理均依据中国汽车行业标准QC/T72.1-93《汽车空调制冷装置性能要求》和QC/T72.2-93《汽车空调制冷装置试验方法》，所有测试所用仪表均符合QC/T72.2-93的规定。
　　由于压缩机由直流电机直接驱动□□□电机的转速就可连续改变压缩机的转速，□□□□厂商的测试工况，试验中压缩机转速分别□□□1000、2000及3000r/min；工质采用□□□□□□条件为：蒸发器侧干球温度（27±0.5）□□□□□□□（19.5±0.5）℃，冷凝器侧干球温度（35±0.5）℃。样机的试验结果整理成如图4～6所示的性能曲线，这些曲线未计入太阳电池所产生的能量。
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　1.制热量 2.制冷量　
　　　　　　　　 　　　图4 制冷量/制热量随转速的变化
　　　　　　Fig.4 Variation of cooling and heating capacity with speed
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　图5输入功率随转速的变化
　　　　　　　　　Fig.5 Variation of power input with speed
　　　　　　 　　
　　　　　　　　　1.电动汽车空调系统 2.燃油汽车空调系统
　　　　　　　　　　图6 空调系统COP随转速的变化
　　　　　　　Fig.6 Variation of COP air conditioning system with speed
　　
3 结果与讨论
　　空调系统的制冷量/制热量随压缩机转速的变化如图4所示，从图中可以看出：对于给定的蒸发温度，制冷量/制热量随转速增加基本上呈线性增长，这是由于比工作腔压缩机制容积压缩比固定，余隙容积很小，且余隙膨胀对气体的吸入量影响不大（余隙膨胀的气体先泄漏到压缩基元，然后才能再从压缩基元泄漏到吸气基元），因此其输气量主要受转速的影响，而受其它因素的影响较弱。
　　图5是空调系统的输入功率随转速的变化，从图中可以看出：压缩机的输入功率与转速呈基本相同的正比关系，这是因为压缩机功耗占汽车空调功耗的绝大部分，而在滑片压缩机功耗中，摩擦功率基本上与转速成正比而指示功率受转速影响很小。
　　图6示出了空调系统的COP随转速的变化，从图中可以看出；转速较低（＜1500r/min时，COP随转速的增加有较快地增长，当转速增长到一定程度（＞2000r/min）后，COP随转速增加而□□□□定不变，这说明低转速时，转速的增加可使压□□□□的密封效果得到很大改善，致使制冷量□□□□速度较快，高转速时，压缩机的内泄漏□□□再增加转速已使密封效果改善不大，所以□□□□□□长速度趋于稳定，而压缩机制输入功□□□□□□却一直比较稳定速度的增长。
　　作者研制的电动汽车空调系统与目前正在使用的燃油汽车空调系统（用斜盘压缩机）的性能比较如图6所示。电动汽车空调系统的COP在转速较低时（＜1500r/min）略低于燃油汽车空调系统，而在高转速时（＞2000r/min）却明显于燃油汽车空调系统。这主要由于斜盘压缩机工作腔的密封性能较好且几乎不受转速的影响，而滑片压缩机的工作腔密封性能受转速的影响较大，转速升高可以明显改善其工作腔密封性能。压缩机由独立电机驱动后，其转速不再受汽车动力机的影响，可以恒定在较高的转速下运转。因此带双工作腔滑片压缩机的热泵空调系统的性能优于现有的燃油汽车空调系统，能够满足电动汽车空调的□□□□□□□□□□。
　　
4 太阳能的应用
　　将电动汽车整个车顶布满太阳电池，所产生的电能使电动汽车空调系统制冷量增加的情况见表电能使电动汽车空调系统制冷量增加的情况见表2。 表2中制冷量增加量是用光电池产生的电能乘以各转速下空调系统COP所得的结果，相对增加量为制冷量增加量与不利用太阳能时空调系统制冷量的比值。从表中可以看出，利用太阳能可使空调系统制冷量增加200W以上，且转速较高时的增幅较大，这是由于空调系统低转速时的COP较低、高转速时势COP较高的缘故；制冷量的相对增加量为6%～27%，且COP越低（对应的转速也低），增加的效果越明显。电动汽车空调系统采用独立电动机驱动后，压缩机转速不再受怠速的影响，可以稳定COP较高的转速（约为2500r/min）下工作，这时，可以增加制冷量350W以上，相对增加量约为8%，大家知道，汽车在太阳下曝晒时空调系统的冷负荷最大，当车顶布满光电池后，这时不仅能最大限度地产生电能，而且可以有效地阻止太阳辐射热通过车顶进入车室内，使保持车室舒适所需的冷量大幅度降低，从而使空调系统消耗蓄电装置的电能降低。总之，利用太阳能可以有效地减少空调系统取自车载蓄电装置的动力，增加电动汽车的有效行驶距离。

　　　　　　　 　　表2 太阳电池用于电动汽车空调系统所产生的效益
　　　　Table 2 Capacity increment of vehicle air conditioning powered by photovoltaic cells

压缩机转速 r/min-1	制冷量增加量 W	相对增加量 %
600 1000 2000 3000	203 282 356 351	27 18 9 6

5 发展展望
　　车载蓄电池提供的直流电是电动汽车唯一的动力源且很有限，辅助设备消耗的电力减少了电动汽车的行驶蹁，开发高效的电动汽车空调系统乃是电动汽车在商业上能够被接受的关键一步。压缩机和电动机做成共用主轴的封闭结构后不仅能大幅度提高效率，而且还可以杜绝制冷剂的泄漏、安装更加灵活；直流电驱动又使压缩机采用封闭结构成为可能，因此，高效节能将决定电动汽车空调未来的发展，采用封闭压缩机是未来电动汽车空调不可逆转的趋势。我国目前□□□□□□□作为汽车空调的制冷工质，发达国家已于1996年1月1日全部采用对臭氧层安全的R-134a，但R-134a的温室效应系数较大，在不久的将来还可能会被更符合环保要求的制冷工质所取代，不管制冷工质如何变化，电动汽车空调必须符合环保要求的这一发展趋势将不会改变。采用人工智能技术开发先进的传感-控制系统，使创造的车室环境更加符合人体皮肤的感觉，进一步提高舒适性，也是电动汽车空调未来的发展方向。随着太阳电池效率提高和成本降低，其在电动汽车空调系统中的应用会成为可能，并且会逐步得到普及。
　　 　　
6 结论
　　从以上分析可以看出，作者面向电动汽车开发的热泵空调系统具有良好的性能，适合电动汽车使用。分析样机试验结果得出以下结论：
　　1) 空调系统的制冷量/制热量、输入功率随转速增加基本呈线性增长关系；空调系统的COP在转速较低时随转速增加有较快的增长，而在转速较高时，则受转速的影响较小。
　　2) 所开发的双工作腔滑片压缩机，低转速时的COP高于容量相同的涡旋压缩机，而高转速时的COP低于涡旋压缩机，但所低出的幅度并不很大。综合考虑性能、加工及安装等因素，双工作腔滑片压缩机是比较适合电动汽车空调系统使用的压缩机。
　　3) 与目前使用的燃油汽车空调系统相比，电动汽车空调系统的低速性能略差，但它却具有较好的高速性能。
　　4) 若轿车顶盖全部布满太阳电池，所产生的电能约为225W，可以使空调系统的制冷量增加8%左右，同时还能降低汽车空调冷负荷的峰值。 　　
　　
　　致谢：广东省电动汽车实验专门为本项目研制驱动电机，并指导电控系统的设计；试验得到广州豪华汽车空调器有限公司质检科的支持和配合，在此一并致谢。
　　
　　

参考文献

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　　[2] J Dieckmann， et al. Climate control for electric vehicles. SAE Technical Paper， No.910250
　　[3] J Dickmann， et al. Variable speed compressor， HFC-134a based air conditioning system for electric vehicles. SAE Technical Paper， No，920444.
　　[4] T Suzuki， et al. Electric vehicle air conditioning. Automotive Engineering， Engineering，1996，113-117
　　[5] J G Ingersoll. Integration of solar cells in automobiles as a means to reduce the air conditioner capacity and improve comfort. Proceedings of the Ninth E.C. Photovoltaic Solar Energy Conference， Kluwer Academic Publishers， dordrecht， The Netherlands， 1989.930-933
　　[5] D W Ruth. Simulation modelling of automobiles comfort cooling requirements. ASHRAE Journal，1975，17(5):53-55
　　[6] 马国远，郁永章.双工作腔滑片压缩机的结构分析.压缩机技术，1997，5：1-6

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