电动汽车空调系统性能系数及压缩机性能分析

杨仕稼

（同济大学汽车学院，上海 201804）

0 引言

近年来新能源汽车呈现高速发展趋势，2017年中国电动车汽车销量约为91万辆，同比增长54.7%，位列世界第一。与传统燃料发动机汽车相似，电动汽车具有空调控制系统，包括制冷、制热、通风、除湿及净化功能。但是由于车辆驱动方式的改变，结构上也发生了变化。电动汽车由电能提供动力，而非传统汽车的热能，因此不再需要发动机，一贯使用的离合器式压缩机显然不适用于电动汽车，电动压缩机作为替代品成为研究的重点[1-7]。近年来， 经过陈江平等[8-9]的研究分析，电动压缩机主要研发方向集中于涡旋压缩机[10]。王立存等[11]根据通用涡旋型线的特性建立了切向角系数参数化模型，通过运动仿真获得准确的运动学参数曲线。顾文等[12]通过使用ADAMS中的优化模块，实现在不同平衡块质量下偏心轮质量的寻优，计算结果与RP原数据结果接近，为涡旋压缩机动平衡设计提供有效方法。在研发电动汽车空调系统时，对比电动压缩机的匹配测试工作将耗费大量时间，朱国梅等[13]对于独立式压缩机进行配置研究，对实车进行环境模拟验证。本文对选型设计及制冷效能测试实验进行研究，通过测试结果来验证匹配实验的可行性。

1 电动汽车空调系统型式及工作参数匹配

电动汽车与燃油汽车最根本的区别是驱动能源的不同，这对汽车空调系统也有着明显影响，动力源的变化导致空调压缩机驱动方式发生改变。

1.1 电动汽车空调系统压缩机型式

汽车空调系统压缩机主要分为机械压缩机和电动压缩机两种，传统燃油汽车通常采用内燃机联动机械压缩机的结构。电动压缩机通常分为两种类型：混合驱动压缩机和全电动压缩机[14]。混合驱动主要由蓄电池加压缩机电机系统和机械压缩机构成，通过压缩机电机系统先将电能转化为机械能，再驱动压缩机工作。全电动压缩机通过脉宽调制对压缩机实现控制，相较于传统机械压缩机及混合驱动压缩机，无论在体积质量、安装布置还是可靠性上都优于前者，是电动汽车空调系统理想的压缩机型式。

1.2 工作参数匹配

确认压缩机型式后，开始进行工作参数的匹配，主要过程在以下几节内容中展开。

1.2.1 整车热负荷计算

由于外界温度高于车内温度[15]，在阳光辐射的作用下，大量的热量会通过车身、底盘、车门间隙、车窗玻璃等位置传导入车内，车内温度升高，如图1所示。内部的乘员数量、体温、汗腺等因素导致车内的温度上升。

一般计算方式可分为如下两类。

1）经验估算

根据车型结构或者乘员数量用类比法估算出车辆所需的制冷量，优点是方法简单，可以根据以往数据估算得到所用于开发新型车辆的数据，应用十分广泛，缺点也显而易见，精度较差，对实际调试时无法提供有效数据支撑。

2）理论计算

由于影响车内热负荷的因素很多，可以采用热平衡方程式来计算车内热负荷[16]。

式中：

Qe——车辆总热负荷，J；

Qb——车身传导热量（包含底盘），J；

Qg——玻璃传导热量，J；

Qw——新风热量，J；

Qp——车内乘员热量，J；

Qc——车辆零部件散热量，J；

Qd——车辆电子设备散热量，J；

α——制冷系数；

Q ——空调系统制冷量，W。

通过该方法能够精确计算，但是计算前必须得到关于车辆结构、尺寸及材料等相关参数的数据，过程繁琐，计算工作量也较大，实用性比较局限。

图1 外界环境对车内温度影响因素

1.2.2 循环参数确定

测定空调系统制冷量的标准环境条件通常称为空调系统的额定工况，在规定实验条件进行的压缩机实验工况称为测试工况。对于电动压缩机选型计算而言，必须要掌握以上两种工况，以及压缩机在各个工况下的性能参数。制冷工程学中，常采用压焓图来分析计算制冷循环，纵坐标为绝对压力p（MPa），横坐标为比焓值h（kJ/kg）。测试工况循环与额定工况循环各状态点压焓值如图2[17]所示，根据空调系统及制冷剂特性参数，可以确定两个循环状态点的参数值，如表1所示。

空调系统测试工况循环：1′-2′-4-5-1′。

空调系统额定工况循环：1″-2″-4′-5′-1″。

图2 空调系统压焓图

表1 各循环状态点参数表

1.2.3 额定工况压缩机制冷量计算

式中：

qes——额定工况空调系统所需单位质量的制冷量，W；

qec——额定工况压缩机所需单位质量的制冷量，W。

1.2.4 测试工况压缩机制冷量计算

式中：

λc、λt——额定工况与测试工况下压缩机的输气系数；

qet——测试工况下压缩机所需单位质量的制冷量，W。

1.2.5 测试工况压缩机轴功率及排量计算

区别于传统发动机汽车压缩机的转速选择，电动汽车压缩机的转速是可调的，在其允许范围内可以自由调节，只与电机的调速范围有关，因此选取的转速为压缩机转速的最大值nmax。

测试工况压缩机轴功率计算为式（8）。

式中：

ηit——测试工况下压缩机的指示效率；

Pmt——测试工况下压缩机的摩擦功率，W。

压缩机排量计算：

2 制冷效能测试实验方法及电动压缩机选型

根据上述计算所得压缩机轴功率，电动汽车母线电压以及压缩机最高转速排量，参照产品规格参数选择最适合的压缩机型号。所选电动压缩机由蓄电池直接驱动，通过调节脉宽可以对压缩机的转速进行控制，进而对制冷量进行控制。

2.1 测试方法

测试方法采用制冷剂液体流量计法，运用焓差风洞对电动压缩机进行制冷效能测试[18]。焓差风洞可以控制辅助蒸发器部分的换热量，对电动压缩机吸气压力、吸气温度进行控制。该选型压缩机使用制冷剂为R134a，压缩机冷冻油型号：SP-10。

2.2 主要测试参数

测试允许参数偏差值范围，见表2。

表2 测试参数允许偏差值范围

2.3 测试系统

图3所示为测试系统的结构。测试装置系统包括高压直流电源、压缩机舱、冷冻油管路油水分离装置、冷冻油流量调节阀、流量计、蒸发器、蒸发器焓差风洞、冷凝器（水冷式）、过冷器（具有电加热功能）、制冷剂质量流量计、膨胀阀、气液分离装置以及储液罐。

制冷剂采用质量作为计量单位，因此用质量流量计来测量制冷循环中的制冷剂质量流量。其安装在膨胀阀与过冷器之间，为了确保测量的精确度，还需要其他设备配合使用。

注意事项：1）过冷器装在流量计前端部分，可以防止制冷剂在流量计中汽化，可由冷却水进行过冷；2）在流量计位置处安装玻璃视镜，可以观察制冷剂中是否含有气泡；3）在流量计与过冷器之间可安装温度测量计，用于测量制冷剂温度，在流量计与膨胀阀之间可以安装压力计，用于观测制冷剂压力状况。

将图3中的蒸发器用保温材料固定在工装板上，然后将其安装到焓差风洞内部，如图4所示。

取样器用于测量气体的温湿度，静压箱用于测量内部静压以及内部空气取样，辅助风机用于控制空气流量，压力传感器用于配合喷嘴计算流量。

图3 测试系统的结构

图4 焓差风洞结构原理

整套系统采用PLC控制策略，通过CAN总线与计算机进行联结通讯，并通过软件实现对测试参数的设定。

2.4 测试系统控制策略

整套测试系统的复杂性相对较高，参数值波动对于系统稳定性及测量都会有一定程度的影响，为取得理想的测量值，基于控制参数的数量，本测试对主要测试参数进行独立控制，每一个测试参数会由单个或者单组设备分别独立控制，以确保系统运行的稳定性、参数的抗干扰性及有效性。

采用下列策略对测试进行控制：

1）电动压缩机转速，通过脉宽调制来调节电动压缩机的转速控制装置；

2）电动压缩机油量控制，调节回油阀的开度；

3）电动压缩机环境温度，调节电动压缩机安装舱的电加热装置的输出功率；

4）制冷剂温度（膨胀阀与流量计之间），通过调节过冷器的电加热装置输出功率或者过冷器的冷却水流量；

5）电动压缩机吸气温度，控制风洞环境温度或者调节风洞辅助风机的转速；

6）电动压缩机吸气压力，调节膨胀阀的开度；

7）电动压缩机排气压力，调节冷凝器水量控制阀的开度。

2.5 电动压缩机基本参数及选型匹配

电动压缩机单元从结构上可分为全封闭式或者半封闭式，是由电动机与涡轮式压缩机组成[19]。驱动控制单元与电动汽车的主电源形成联结，通过控制系统来调节与电机之间的能量传输变化和转换。一般由电机控制电路、功率驱动电路、控制信号接口电路以及保护电路组成。电动压缩机主要依靠车载电源提供能量，常规电源额定等级为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 电动压缩机的基本参数

电动压缩机总成应符合货架标准的规定，并按经规定程序批准的图样和技术文件（或用户和制造厂的协议）制造，基本参数详见表3～表5。

表3 电动压缩机总成的能效比

表4 电动压缩机总成的噪声限值

表5 电动压缩机总成基本参数

2.5.2 电动压缩机选型设计

电动压缩机的匹配过程与机械式压缩机基本一致，所不同的是转速及排量的选择。传统机械式压缩机的转速与发动机转速成固定比例关系，因此转速是由发动机的怠速转速以及发动机与压缩机之间的传动比所决定[20]，电动压缩机的转速在可调范围内，可以自由调整，选择依据应为压缩机转速的最大值nmax。

3 电动压缩机制冷量计算

电动压缩机制冷量由测试结果得到的电动压缩机吸气口的制冷剂气态比焓与排气口压力露点温度（相对应饱和温度）条件下液态比焓的差值乘以制冷剂质量流量。

式中：

Qe——电动压缩机制冷量，W；

Vga——进入电动压缩机的制冷剂蒸汽的实际比容，m3/kg；

Vgl——规定基准测试工况下吸入工况时制冷剂蒸汽的比容，m3/kg；

q——制冷剂质量流量，kg/h；

q′——冷冻油质量流量，kg/h；

X——制冷剂含油量，%；

hgl——进入电动压缩机的制冷剂气态比焓，kJ/kg；

hfl——电动压缩机排气压力对应露点温度下的制冷剂液态比焓，kJ/kg；

C0——冷冻油比热容，J/(kg⋅K)；

tf——电动压缩机排气压力对应露点温度，K；

tg——电动压缩机吸气温度，K。

采用上述测试系统进行实验，对选定的电动压缩机进行一定工况测试获得的制冷量实验结果，并与原厂数据进行比对，实验结果见表6，各项偏差均不超过±1%，因此该测试方法确认有效。

表6 测试结果对比

4 结论

本文研究了电动汽车空调系统制冷量的计算及电动压缩机选型设计，并通过实验测试验证，得到如下结论：

1）电动汽车根据车型、底盘结构、布局类型的不同，空调系统选取压缩机的驱动型式也不同，以实际使用的环境、用途等进行具体的数值分析；

2）现阶段针对电动汽车空调系统，全电动压缩机的优势明显，在效率、能耗和调节方式上表现出色，如能在成本控制方面有所突破，会加速车用空调领域的重新洗牌；

3）电动汽车空调系统性能系数的计算和传统汽车空调压缩机性能系数的计算不同，在系统匹配时应注意区分细节。