油循環率對電動汽車CO2熱泵系統性能的影響

鄒慧明 湯鑫斌 唐坐航 唐明生 田長青

（1 中國科學院理化技術研究所 空間功熱轉換技術重點實驗室 北京 100190；2 中國科學院大學 北京 100049）

相比于傳統燃油汽車，電動汽車缺少發動機冷卻液用于解決冬季工況下車艙的采暖需求，常規R134a和R1234yf熱泵系統存在溫室效應和低溫適應性等問題[1-2]，直接采用PTC （positive temperature coefficient）電加熱元件又會極大縮短電動汽車續航里程。CO2熱泵技術憑借優異的環保性、寬溫區適應性及與車輛系統的兼容性已經成為相關行業的研究熱點，CO2熱泵空調系統將是未來電動汽車熱泵空調領域的重要發展方向[3]。

電動汽車CO2熱泵系統能量傳遞過程包括做功和傳熱，系統有用功的輸入主要通過壓縮機部件，而熱量的傳遞主要通過換熱器。對于系統部件的做功過程和換熱過程，潤滑油對于各部件運行的可靠性和高效性起著至關重要的作用。對于熱泵系統做功部分的壓縮機部件而言，潤滑油在壓縮機運行時起到對運動副的潤滑及配合面的密封作用，同時，潤滑油能及時帶走壓縮過程因機械和電磁損耗產生的廢熱，有效改善壓縮過程[4-6]。

通常電動汽車CO2熱泵系統無專門的油分離裝置，意味著潤滑油參與包括蒸發器和氣冷器在內的所有換熱部件的換熱過程。由于潤滑油與CO2工質的黏度和傳熱特性等物性差異較大，潤滑油會影響系統循環中的傳熱過程，尤其蒸發器處于低溫狀態時，潤滑油黏性變大，導致制冷劑與潤滑油混合物流動阻力增加，甚至部分潤滑油會附著于傳熱管內壁，進而影響換熱器傳熱效率和系統整體能效[7-9]。

目前，電動汽車空調用壓縮機主要以渦旋壓縮機為主，在高CO2運行壓力工況下，渦旋壓縮機的動靜渦盤在大壓差作用下導致泄漏增加，如何有效解決其泄漏問題，同時保證運行時動靜渦盤的可靠潤滑是提升壓縮性能的關鍵。方金湘等[10-12]通過理論和實驗研究指出采用合適的油循環率是保證渦旋壓縮機運行可靠和高效的關鍵。田俊義等[13]建立渦旋壓縮機滑動軸承流體潤滑模型，計算制冷劑含油率對滑動軸承摩擦功耗的影響，指出當含油率在5%～12%時，滑動軸承功耗相應從50.0 W降至40.6 W。陶宏等[14]搭建了電動汽車空調壓縮機性能實驗臺，研究潤滑油循環率對電動汽車空調渦旋壓縮機性能的影響，實驗結果表明：壓縮機容積效率和電效率與油循環率呈正相關性（油循環率范圍：1%～10%），潤滑油循環率還會影響壓縮機排氣溫度和殼體溫度，系統適度的油循環率為5%。

微通道換熱器由于具有結構緊湊和換熱高效的優勢已在車用空調行業得到廣泛應用[15]，了解制冷劑和潤滑油混合物在微小尺寸結構內的流動和傳熱特性，對于提升系統性能具有至關重要的作用[16]。朱國梅等[17]指出影響潤滑油與CO2制冷劑互溶的因素主要有介電常數、密度、擴散系數和添加劑等，而介電常數的表征是極性，CO2在超臨界狀態下表現出非極性溶劑的性質，因而超臨界狀態CO2對于非極性潤滑油的溶解能力高于亞臨界狀態下的CO2。秦紅[18]搭建了實車管路空調系統的實驗臺架，研究油循環率對空調系統換熱量的影響，通過不同工況的實驗研究，油循環率在4.72%～7.87%范圍內時制冷系統換熱量變化率在5%之內，當油循環率從4.72%增至19.63%時，換熱量衰減了21.28%。

本文搭建了一套帶油循環率測試裝置的電動汽車CO2熱泵系統實驗臺架，重點研究分析典型車輛工況下熱泵系統油循環率對壓縮機和換熱器運行狀態及整體系統性能的影響特性。

1 電動汽車CO2熱泵系統及油循環測試裝置

1.1 實驗裝置

為研究油循環率對電動汽車CO2熱泵系統性能的影響，本文搭建了如圖1（a）所示的測試平臺。系統采用三換熱器結構形式，換熱器均為微通道平行流換熱器；車內空調箱HVAC（heating ventilation air conditioning）包括兩個并排布置的車內氣冷器和車內蒸發器，空氣側氣流先流經車內蒸發器，然后流過車內氣冷器；壓縮機采用5.3 cm3/r的CO2渦旋壓縮機；車外換熱器布置于車頭。為模擬車輛工況，熱泵系統布置于汽車空調環境實驗室。該焓差室由室內側和室外側兩個獨立的環境控制室組成，可同時模擬車內外溫濕度工況。具體臺架布置情況如圖1（b）所示。

圖1 實驗臺架Fig.1 Test bench

該熱泵系統通過三組三通閥通斷實現制冷和制熱模式的切換，制冷模式測量系統潤滑油循環率 （oil circulation rate，OCR） 時，將OCR測量儀布置于回熱器和電子膨脹閥之間，制熱模式測量系統OCR時，OCR則布置于電子膨脹閥和車內蒸發器之間，以保證熱泵系統處于不同模式工作，OCR測點位置潤滑油和CO2制冷劑混合物溫壓狀態滿足OCR測量儀要求。

測試過程中，通過調節壓縮機注油量調整系統中潤滑油的循環率，潤滑油循環率利用布置的OCR測量儀進行測量記錄。系統中OCR測量儀采用耐高壓的密度傳感器，該密度傳感器基于U型振蕩管的原理測量潤滑油和CO2混合物的密度，通過混合物密度與潤滑油濃度、介質溫度和壓力關系計算并實時采集記錄系統OCR。焓差室空氣側干濕球溫度采用高精度鉑電阻測量，測溫精度為 ±0.01 ℃；壓縮機輸入電功采用功率計8920測量，測量精度為 ±0.5%。結合科氏質量流量計和油循環率測量值計算確定系統中循環的制冷劑質量流量。制冷劑側主要測量儀器參數如表1所示。

表1 主要測量儀器參數Tab.1 Parameters of principal measuring instruments

1.2 實驗工況

基于電動汽車熱泵系統典型運行工況，開展不同OCR條件下熱泵系統性能測試，測試工況如表 2所示。為了對比分析不同OCR對系統性能的影響，實驗采用控制變量法，制冷工況設定壓縮機轉速n為4 500 r/min，電子膨脹閥相對開度為32%；制熱工況設定壓縮機轉速n為4 800 r/min，電子膨脹閥相對開度為20%；為提高CO2熱泵系統制熱模式下高壓側的換熱能力，本文制熱工況測試時通過三通閥通斷將室內蒸發器和室內氣冷器串聯，熱泵系統制冷劑充注量為590 g，制冷劑采用高純CO2（體積分數≥99.999%），壓縮機潤滑油采用ACC HV冷凍油。

表2 測試工況Tab.2 Testing conditions

1.3 數據處理

熱泵系統HVAC通過風管與焓差室受風箱連接，利用焓差室受風箱和空氣取樣器測量HVAC進出口空氣的干濕球溫度及風量，系統制冷量和制熱量Q為：

（1）

式中：q為被測空調器室內側測點風量，m3/h；ha1、ha2分別為空調器室內側進、出風空氣焓值，kJ/kg；v′a為噴嘴前空氣比容，m3/kg；Wa為噴嘴前空氣含濕量，g/（kg干空氣）。

系統性能系數COP：

（2）

式中：W為壓縮機功耗，W。

壓縮機等熵效率ηs和容積效率ηv分別為：

（3）

（4）

式中：hd為壓縮機等熵壓縮排氣比焓，hs為吸氣比焓，h′d為實際排氣比焓，單位均為kJ/kg；qm為系統質量流量，kg/h；ρs為吸氣密度，kg/m3；n為壓縮機轉速，r/min；Vs為壓縮機排量，m3/r。

換熱器兩側換熱比ηevap和ηHVAC分別為：

（5）

（6）

式中：Qair-c、Qr-c分別為室內蒸發器空氣側制冷量和制冷劑側制冷量，W；Qair-h、Qr-h分別為HVAC空氣側制熱量和制冷劑側制熱量，W。

2 實驗結果分析

2.1 壓縮機效率與運行特性

圖 2 （a）所示為制冷工況下OCR對壓縮機排氣溫度和等熵效率的影響。OCR在1.17%～3.83%范圍內變化時，壓縮機排氣溫度和等熵效率變化不超過0.5%，但當OCR增至5.26%時，由于潤滑油冷卻作用的增強，壓縮機排氣溫度相比于OCR為1.17%時降低3.4 ℃，等熵效率提高13.6%。

圖 2 （b） 所示為制熱工況下OCR對排氣溫度和等熵效率的影響。相比于制冷工況，壓縮機排氣溫度在制熱工況下整體顯著升高，且等熵效率整體更低。在低OCR情況下潤滑油對壓縮機排氣溫度影響顯著，當OCR為1.51%時，壓縮機排氣溫度升至155.5 ℃，隨著OCR的增加，由于潤滑油對壓縮過程的冷卻作用及運動副之間的潤滑作用增強，OCR由1.51%增至6.68%時，壓縮機等熵效率提升15.7%。

圖2 OCR對排氣溫度和等熵效率的影響Fig.2 Effects of OCR on exhaust temperature and isentropic efficiency

圖 3 所示為OCR對吸氣密度和容積效率的影響。可知，在低油循環率條件下，OCR變化對壓縮機吸氣密度影響較小，制冷工況下OCR達到5.26%和制熱工況OCR為6.68%時，壓縮機吸氣密度明顯衰減。同時，隨著OCR的增加，由于潤滑油對渦旋壓縮機動靜渦盤配合面的密封效果增強，熱泵系統容積效率均有所增加，且制熱模式下，當OCR為1.51%時，較差的冷卻和潤滑作用導致壓縮機在壓縮過程由于不可逆損失產生的熱量增加，壓縮機排氣和殼體溫度整體升高，吸氣過程的溫升使得在較低OCR條件下，制熱工況時壓縮機的容積效率降低，相比于OCR為3.59%的情況，容積效率衰減3.94%。

圖3 OCR對吸氣密度和容積效率的影響Fig.3 Effects of OCR on suction density and volumetric efficiency

圖4 換熱器流阻和換熱比隨OCR的變化Fig.4 Flow resistance and heat transfer ratio of heat exchanger varies with OCR

2.2 換熱器流動與傳熱特性

圖 4 所示為換熱器流動阻力和換熱比隨OCR的變化，圖中ΔpH表示高溫段氣冷器和HVAC壓降，ΔpL表示低溫段蒸發器和車外蒸發器壓降。可以看出，對于處于-8～5 ℃溫度狀態下的蒸發器而言，由于低溫對潤滑油黏度的影響，導致潤滑油和CO2制冷劑混合物在蒸發器內的流動阻力顯著增加，具體表現為制冷和制熱工況下，對于所有OCR運行條件，低溫段蒸發器壓降均大于高溫段氣冷器壓降。由于制熱工況蒸發器蒸發溫度在-8 ℃附近，黏性阻力作用相比于制冷工況更為明顯，具體的，制熱工況下，潤滑油和CO2制冷劑混合物在流經HVAC內部雙換熱器的情況下，流動阻力損失仍僅為低溫側蒸發器流阻的28%。

換熱器潤滑油和制冷劑混合物與空氣兩側的換熱比在0.64～0.72之間，兩側熱平衡的差值一部分來源于換熱器和焓差室受風箱測量系統漏熱量的影響，另一部分則是換熱器本身的傳熱效率，而潤滑油循環率是影響換熱器傳熱效率的關鍵性因素，即對于制冷工況下蒸發器和制熱工況下HVAC制冷劑側及空氣側的換熱比而言，潤滑油對兩側換熱比的影響主要取決于黏度和濃度。由于制熱工況HVAC屬于高溫段，潤滑油溫度較高，工質流動性較好，較少的潤滑油黏附于傳熱管內表面，只有當OCR較高時 （OCR=6.68%），潤滑油濃度對傳熱的影響增強，此時制熱工況下HVAC兩側換熱比才有所衰減。對于制冷工況，OCR范圍在1.17%～3.83%時，潤滑油的黏附作用增加了換熱器的熱阻，此時潤滑油對蒸發器兩側換熱比的影響由黏度起主導作用，因此兩側換熱比基本不隨OCR變化。當OCR達到5.26%時，參與沸騰傳熱的制冷劑流量的減少，導致蒸發器兩側換熱比衰減了6.15%。

2.3 熱泵系統性能

圖 5所示為OCR對壓縮機功耗和熱泵系統性能的影響。對于制冷工況，與上述OCR對換熱器流動和傳熱特性影響的分析一致，當OCR為5.26%情況下，由于潤滑油對換熱器換熱的影響增強，導致系統制冷量由2 678.5 W降至2 534.7 W，衰減了5%，使得該OCR條件下系統制冷COP迅速降低。對于制熱工況，在1.51%的低OCR條件下，由于壓縮機等熵效率和容積效率的降低，壓縮機整體性能變差，功耗相比于較高OCR運行條件增加約2%，使得低OCR運行條件制熱COP明顯降低。

對于所測試的OCR范圍內，制冷工況下，系統最佳制冷COP對應的OCR為3.83%，制熱工況下，最佳制熱COP對應的OCR為3.59%。綜上，對于所開展的測試工況，當系統OCR在4%附近時，熱泵系統具有較佳的綜合性能。

圖5 OCR對壓縮機功耗和熱泵系統性能的影響Fig.5 Effects of OCR on compressor power consumption and heat pump system performance

3 結論

本文搭建了帶油循環率測試裝置的電動汽車CO2熱泵系統實驗臺，在典型車輛工況下，開展了OCR對熱泵系統性能影響的實驗研究，得到結論如下：

1）對于表征壓縮機運行特性和性能參數的排氣溫度、吸氣密度、容積效率及等熵效率而言，制冷工況下，OCR范圍在1.17%～3.83%內時，以上參數受OCR變化的影響較小，當OCR增至5.26%時，由于潤滑油冷卻作用的增強，壓縮機排氣溫度相比于OCR為1.17%時降低3.4 ℃，等熵效率和容積效率分別提高13.6%和5.6%。對于制熱工況，壓縮機運行狀態隨OCR的變化更為敏感，當OCR由1.51%增至6.68%時，容積效率和等熵效率分別增加7.2%和15.7%，當OCR低至1.51%時，壓縮機排氣溫度達到155.5 ℃。

2）相比于高溫段的氣冷器，處于低溫狀態的蒸發器的流阻和換熱比受OCR變化的影響更大。潤滑油和制冷劑混合物流經HVAC內部雙換熱器的流阻仍僅為室外側蒸發器流阻的28%。低OCR范圍，潤滑油對換熱器換熱影響是黏度起主導作用，高OCR范圍時則是混合物中潤滑油的濃度起主導作用。

3）對于本文測試工況，制冷模式系統最佳COP對應的OCR為3.83%，制熱模式最佳制熱COP對應的OCR為3.59%，該熱泵系統OCR在4%附近時具有較佳的綜合性能。