压缩机转速对新能源汽车空调制冷性能的影响

武卫东，余强元，吴佳玮，栾忠骏

压缩机转速对新能源汽车空调制冷性能的影响

武卫东，余强元，吴佳玮，栾忠骏

（上海理工大学，上海 200093）

设计开发了一套新的新能源汽车热泵型空调试验系统，综合多项运行参数并通过试验分析了定转速时系统的最佳运行工况，研究了制冷模式下压缩机转速对系统运行时各关键参数的影响。结果表明：在定转速工况下，当冷凝器出口过冷度在5～8℃时，能获得较大的制冷量和COP；随着压缩机转速的增大，制冷量逐渐增大，蒸发器出风温度逐渐降低，而两者的变化速率均在下降，COP也在降低。综合蒸发器出风温度和制冷量及能效考虑，较高转速可达到快速降温目的，但不利于整体能效提高，因此压缩机转速不宜过分提高。

新能源汽车；电动压缩机；转速；空调系统；制冷性能

1 前言

随着我国经济持续快速发展和城镇化进程加速推进，未来相当长一段时间内汽车需求量仍保持强劲增长趋势，但由此引发的能源紧张和环境污染问题将更加突出，而新能源汽车是当前我国需要加快培育和发展的主要方向之一［1］。新能源汽车与传统汽车的系统构成存在较大差别，传统驱动方式的汽车空调系统不再适用，目前新能源汽车空调主要采用电动压缩机空调系统。新能源汽车的动力源主要是汽车自带的蓄电池输出的电功率，而蓄电池的容量是有限的，空调系统对电动汽车续驶里程影响却很大，因此开发出高效节能的热泵空调系统对新能源汽车开拓市场具有重要的意义［2］。

针对新能源汽车热泵型空调系统国内外相继有一些研究报道。HFC134a是目前汽车空调系统中广泛使用的一种制冷剂，日本电装公司采用HFC134a制冷剂开发了包含车外冷凝器、车内冷凝器和车内蒸发器3种换热器结构的电动汽车热泵空调系统，其中车内冷凝器和车内蒸发器布置于热泵系统的风道中［3］。该系统可通过四通换向阀的切换实现制冷、制热和除霜/除湿模式的运行。Hosoz和Direk对一台HFC134a热泵型汽车空调性能进行测试，结果显示：该系统运行制热模式时的COP较制冷模式更高，但该系统在室外温度较低时运行性能不佳［4］。谢卓等对比了传统内燃机汽车与电动汽车空调系统，提出了适合我国国情的电动汽车热泵空调系统的设计方法，并给出了开发高效率电动压缩机和全自动控制系统的发展建议［5］。史保新等设计搭建了一套电动汽车热泵空调系统，在压缩机分别在600，1000，2000和3000r/m in的转速工况下，与相应转速下燃油汽车空调系统的能耗和COP进行了对比分析，得出结论：电动车空调系统在较高转速下表现出较好的性能［6］。彭发展等在制热模式下，研究了不同的环境温度对车室内平均温度、高压侧内部工质的温度和压力、系统能效比等参数的影响，并对比分析了压缩机转速分别为1700r/m in和3400r/m in时各项运行参数，结果表明：当环境温度较低时，提高压缩机转速可以减少车室内达到舒适温度的时间［7］。Wang等通过测量制冷剂蒸气质量流量研究了汽车空调系统的性能，分析了压缩机转速在700～2000r/m in范围内变化对系统性能的影响，结果表明：系统COP随着压缩机转速的增大而减小［8］。巫江虹等在电动汽车热泵空调系统中采用涡旋式压缩机，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［9］。施骏业等通过试验对比研究了汽车空调平行流蒸发器与层叠式蒸发器的除湿性能，结果发现平行流蒸发器的排水性能更好，制冷量更大，除湿效率更高［10～13］。综上所述，尽管已有文献涉及有压缩机转速的研究，但是针对压缩机转速（特别是4000r/m in以上的高转速）对电动汽车热泵型空调系统制冷性能影响的研究还不够全面和深入，而且多数系统都是通过四通换向阀的切换实现各种模式的运行。

本文在前人基础上，设计一个新的新能源汽车热泵型空调系统，并搭建相应性能试验台架系统，试验研究压缩机转速对蒸发器出风温度、冷凝和蒸发压力、制冷量、压缩机功耗和COP的影响规律。为高效新能源汽车热泵型空调系统的开发及应用提供参考。

2 新能源汽车热泵型空调系统

图1为设计的新能源汽车热泵型空调系统。系统中压缩机采用电动变频涡旋压缩机，制冷剂采用HFC134a，节流阀采用电子膨胀阀（简称EXV），换热器包括车内蒸发器、车内冷凝器和车外换热器（由车外冷凝器和过冷器组成）共3个，均采用多流程微通道换热器。车内蒸发器和车内冷凝器布置在同一风道内，且车内蒸发器布置在车内冷凝器前端。该系统的特点是舍弃了四通阀部件，通过电磁阀和单向阀控制而实现制冷、制热、除湿和化霜功能。其中制冷工况循环为：循环工质经压缩机压缩后进入车外换热器冷凝，经电子膨胀阀1节流，并在车内蒸发器蒸发，最后经气液分离器后回到压缩机，完成循环。制热工况循环为：循环工质经压缩机压缩后进入车内冷凝器冷凝，经电子膨胀阀2节流，进入车外换热器（起蒸发器作用）蒸发，再经气液分离器后回到压缩机，完成循环。除湿工况循环为：工质经压缩机压缩后进入车内冷凝器冷凝，经电子膨胀阀2节流，进入车内蒸发器蒸发，最后经气液分离器后回到压缩机，完成循环。化霜工况为：当车外冷凝器结霜时，停止制热模式，切换至制冷模式，循环工质经压缩机压缩后直接进入车外冷凝器化霜，然后进入电子膨胀阀1节流，并在车内蒸发器蒸发，最后经气液分离器后回到压缩机，完成循环。

图1 新能源汽车热泵型空调试验系统

3 试验系统

3.1 焓差环境室

利用焓差法对所设计的空调系统进行性能试验，所搭建试验系统及焓差环境实验室如图2所示。

图2 焓差环境室原理示意

该焓差室可以同时模拟2个独立的环境工况，室内侧模拟车内环境，室外侧模拟车外环境；每个环境室中配2台制冷机组、前段和后端加热器、加湿器、循环风机、风洞装置以及相应的环境参数测量和控制系统等来满足试验所需环境参数的要求。其中，所用温度传感器测量精度为±0.1℃，干球温度控制范围为-20～50℃，控制精度为±0.5℃；相对湿度控制范围为20%～100%，控制精度为±2%。

3.2 系统测点布置及测控系统

所设计的空调系统电气控制部分主要包括涡旋压缩机控制器（用于控制压缩机转速）、电子膨胀阀脉冲信号控制器及电磁阀通断控制器。试验数据采集分两部分：空调系统测点数据采集和环境风侧数据采集。系统测点数据采集主要包括压缩机进出口、室外冷凝器进口、过冷器出口、电子膨胀阀进口、室内蒸发器出口和室内冷凝器进出口的温度和压力，电子膨胀阀后管道壁面温度以及制冷剂循环质量流量（测点布置如图1所示），另外还有压缩机电压、电流和功率。风侧数据采集主要有3个换热器出风（背风）面的温度、室内外换热器进风的风量、温度和湿度。这些传感器信号传入安捷伦数据采集仪中，然后通过数据线导入电脑中。控制信号通过PLC经网络导入电脑中，采用LabVIEW软件编制的集成采集控制程序，对风侧和系统的数据信号进行采集记录，并对相应的控制部件进行控制。

3.3 试验方法

基于上述试验系统，首先进行充注量优化试验，最终确定出该系统的制冷剂最佳充注量为1350g。限于篇幅，本文主要针对制冷模式下相应工况进行性能试验分析和总结，其他模式下性能在随后工作中再做详细总结报道。系统试验开始前，先启动环境室机组，根据设计的试验工况（如表1所示，在无特别说明情况下，都是按表中工况进行试验），设定环境室温度和湿度；待环境室工况稳定后，从低转速启动被测空调系统压缩机，在每个设计转速下，通过调节电子膨胀阀（即EXV）开度，寻找出该转速下的最佳运行工况（满足出风温度和制冷量需求下性能系数达到最优）。在不同压缩机转速下，每改变一次电子膨胀阀开度后，让系统稳定运行一段时间，当蒸发器（或热泵冷凝器）出风温度上下波动维持在0.5℃时，持续运行5m in，记录下相关性能运行参数，结束试验，整理数据。

表1 试验工况

4 试验结果与分析

4.1 最佳运行工况分析

在进行压缩机转速对系统性能影响试验之前，首先在上述环境工况下进行了系统最佳运行工况分析试验。图3示出了新能源汽车热泵型空调系统在压缩机转速为5000r/m in不同EXV开度下运行时的过冷度、出风温度及压缩机功耗变化情况。

图3 不同EXV开度下运行时过冷度、出风温度和功耗的变化（压缩机转速为5000r/m in）

由图3可见，当电子膨胀阀开度为320步和300步时，系统无过冷度，此时从视液镜中可观察到很多气泡，这时的制冷剂在经过冷凝器和过冷器后仍为气液两相状态，两相节流后的温度较高，导致系统中蒸发器的出风温度较高；当电子膨胀阀开度为280步时，系统过冷度为7.1℃，从视液镜中可观察到无色透明液体，这时的制冷剂在经过冷凝器和过冷器后为纯液状态，此时节流效果较好，蒸发器的出风温度也较低；当电子膨胀阀开度为270步时，系统过冷度为11.6℃，此时节流效果更好，蒸发器的出风温度也更低。当电子膨胀阀开度分别为280步和270步时，系统制冷量分别为5743.1，5667.6W，压缩机功耗分别为2424.8，2490.3W，系统COP分别为2.37，2.27。通过对比分析可得出：当系统无过冷度时，系统稳定性及性能均表现不佳；当系统具有一定过冷度时，性能表现优异；当系统过冷度过大时，制冷量和系统COP均有降低趋势。

进一步试验发现，当EXV开度过小（如压缩机转速为2000r/m in，EXV开度小于100步）时，会导致制冷剂循环流量过小，过冷度过大，节流后温度过低，导致蒸发器中第一个流程换热器表面出现结霜现象，而此时系统制冷量却较小，蒸发器出口压力也表现过低（低于0.26MPa），这种状态运行对系统稳定性及性能均产生不利影响。通过多组试验最后得出：当过冷度在5～8℃时，系统性能表现最佳，基于此，本文试验中以过冷度来简捷判断最佳运行工况和确定电子膨胀阀最佳开度。

系统中冷凝压力/温度和蒸发压力/温度是系统稳定运行的重要参数，可从另一个侧面反映出系统工况的优劣。图4为不同EXV开度下冷凝和蒸发温度/压力的变化情况。

图4 不同EXV开度下冷凝和蒸发温度/压力的变化（压缩机转速为 5000r/m in）

由图4可以看出，系统冷凝压力随着电子膨胀阀开度的增大而减小，蒸发压力随着电子膨胀阀开度的增大而增大；而系统冷凝和蒸发温度均随着电子膨胀阀开度的增大而增大。分析可知，在一定工况条件下，当电子膨胀阀开度较大时，冷凝负荷增大，制冷剂经过冷凝器不能被充分冷凝而仍处于两相状态，这不利于冷凝器温度或节流前温度以及节流后蒸发温度/压力的降低；而在一定范围内当电子膨胀阀开度较小时，制冷剂循环流量减小，在冷凝器可较充分换热而易转变为纯液态（处于饱和或过冷状态，节流前温度降低），进而使制冷剂节流后以及经蒸发器的温度和压力都较低，而较低的蒸发温度可使出风温度较低，增大了进出蒸发器的空气换热温差（进风温度和流量一定），故可使对应制冷量也增大。

4.2 压缩机转速对冷凝、蒸发压力的影响规律

图5示出了为不同压缩机转速下冷凝和蒸发压力的变化。图中不同压缩机转速下试验对应的是其最佳运行工况下的EXV开度。由图可见，冷凝压力随着压缩机转速的增大而增大，而蒸发压力随着压缩机转速的增大而降低。在室内外环境温度不变时，压缩机提高转速，增大了循环质量流量，并使低压更低，高压更高，压比增大，导致压缩机功耗和制冷量都有不同程度增加。

图5 不同压缩机转速下冷凝和蒸发压力的变化

4.3 压缩机转速对电子膨胀阀最佳开度和蒸发器出风温度的影响规律

图6示出了不同压缩机转速下的EXV最佳开度与蒸发器出风温度的变化。由图可见，当压缩机转速从2000r/m in增加到7000r/m in（以1000r/m in间隔增加），对应的电子膨胀阀最佳开度分别是：180，230，260，275，280，285步。可以看出，随着压缩机转速的增大，最佳电子膨胀阀开度逐渐增大，且其增大的速率在逐渐减小。这是由于压缩机转速在一定范围内增大，冷凝温度和压力会增大，在冷凝器进风温度和流量不变下，则其换热温差及换热量变大，如电子膨胀阀开度不变时会导致过冷度变大，因此当压缩机转速增大时要使过冷度保持在5～8℃之间（最佳工况标志），需要将电子膨胀阀开度在一定范围内调大。

图6不同压缩机转速下的EXV最佳开度与蒸发器出风温度的变化

图6 还显示，压缩机转速从2000r/m in增加到7000r/m in（以1000r/m in间隔增加）对应的蒸发器出风温度分别是：21.5，18.9，17.8，16.8，15.5，15.1℃。可以看出，随着压缩机转速的增大，蒸发器出风温度逐渐减小，且其出风温度降低速率在逐渐减小。这是由于随着压缩机转速的增高，制冷剂流量增大，导致通过电子膨胀阀及管路的循环阻力增大，表现为冷凝侧压力升高，节流后的蒸发压力降低，蒸发温度降低，在通过蒸发器风量不变的条件下，其出风温度降低。但同时因其循环阻力和流量的增大导致压缩机消耗功率增大，因此，为达到合适的出风温度，过分提高压缩机转速并不利于能效比的提高。

4.4 压缩机转速对制冷量、压缩机功耗和COP的影响规律

制冷量和COP是空调系统性能的重要评判依据。图7示出了不同压缩机转速对系统制冷量、功耗及COP的影响。由图可见，制冷量和压缩机功耗随着压缩机转速的增大均增大，而COP随着压缩机转速的增大表现为降低。其中制冷量曲线呈“上凸”型，这说明随着压缩机转速的增大，系统制冷量的增长速率在下降，而压缩机功耗曲线呈近似“直线”型，因此COP（制冷量与压缩机功耗之比）随着压缩机转速的增大而呈现降低趋势。由上述分析可知，高转速下可以获得较大制冷量，这有利于缩短车内降温时间，但不利于能效提高，故为提供一个高效节能的舒适环境，需多方面综合考虑。

图7 不同压缩机转速对系统制冷量、功耗及COP的影响

5 结论

（1）当系统过冷度在5～8℃时，能获得较大的制冷量和COP，系统性能表现最好。

（2）随着压缩机转速的增大，对应的最佳工况下的电子膨胀阀最佳开度逐渐增大，但增大的速率逐渐减小；而蒸发器出风温度逐渐降低且下降速率在逐渐减小。

（3）随着压缩机转速的增大，冷凝压力增大，蒸发压力降低，压缩机功耗和制冷量都会有不同程度增加，COP表现为降低。

（4）综合蒸发器出风温度、制冷量和压缩机功耗及能效考虑，较高转速可达到快速降温目的，但不利于整体能效提高，因此压缩机转速不宜过分提高。

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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

教育部留学回国人员科研启动基金项目（LXJJ2015005）；上海市自然科学基金项目(14ZR1429000)

武卫东（1973-），男，博士，教授，研究方向为汽车空调技术，通讯地址：200093上海市军工路516号上海理工大学能源与动力工程学院第一办公室317，E-m ail:usstww d@163.com。