電動汽車空調(diào)壓縮機(jī)帶液制冷特性研究

谷荀，卓澤銘，黃凱琦，楊兆鋒，鄭柏然，黃慶明

（1.威凱檢測技術(shù)有限公司，廣州 510700； 2.中國電器科學(xué)研究院股份有限公司，廣州 510000）

引言

隨著新能源汽車行業(yè)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)汽車零部件正逐步向電子和電氣化方向轉(zhuǎn)型，以達(dá)到智能控制、節(jié)約能耗的目的。在傳統(tǒng)燃油車中，動力系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)相對獨(dú)立，空調(diào)系統(tǒng)只需維持駕駛艙熱環(huán)境舒適性，采用以發(fā)動機(jī)皮帶驅(qū)動的機(jī)械式壓縮機(jī)制冷，結(jié)構(gòu)和制冷模式相對簡單，其中乘用車多使用斜盤式和旋葉式壓縮機(jī)。相較而言，電動汽車取消了內(nèi)燃機(jī)，直接以動力電池驅(qū)動空調(diào)壓縮機(jī)，在行業(yè)內(nèi)帶來了革命性的變化[1]。結(jié)構(gòu)上，電動壓縮機(jī)取消了前端驅(qū)動輪，改為驅(qū)動電機(jī)和集成控制模塊，將控制器、電機(jī)和壓縮機(jī)結(jié)合成有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，極大提升了空調(diào)系統(tǒng)控制效率。當(dāng)前主流的新能源汽車電動壓縮機(jī)為渦旋式電動壓縮機(jī)，具有密封性能及可靠性強(qiáng)、噪聲小、高能效比等優(yōu)點(diǎn)[2]。由于減小了輸入功耗的限制，同時為適應(yīng)汽車運(yùn)行過程中復(fù)雜多變的外界環(huán)境，新能源汽車電動壓縮機(jī)往往設(shè)計(jì)有更大的轉(zhuǎn)速及制冷、制熱量范圍，并可在極端環(huán)境下維持正常運(yùn)行。在汽車空調(diào)實(shí)際應(yīng)用場景中，壓縮機(jī)有一定概率在不良工況下運(yùn)行，承受液擊的風(fēng)險(xiǎn)，這對壓縮機(jī)自身的可靠性提出了更高要求。基于當(dāng)前電動汽車空調(diào)壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢，本文在吸氣帶液工況下，對不同轉(zhuǎn)速和長時間帶液耐久試驗(yàn)過程的電動渦旋壓縮機(jī)制冷性能特性進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 新能源汽車電動壓縮機(jī)性能試驗(yàn)臺架

試驗(yàn)臺架主要依據(jù)GB /T 5773—2016《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法》中定義的制冷劑氣體冷卻法設(shè)計(jì)[3]，其大致構(gòu)造原理如圖1。

圖1 制冷劑氣體冷卻法

圖2 系統(tǒng)油分離回路

如圖1 所示，從壓縮機(jī)排氣端出口的高溫高壓氣態(tài)制冷劑在主路經(jīng)油分離器后進(jìn)行一次節(jié)流，部分制冷劑氣體在冷凝器中與設(shè)定溫度的超純水進(jìn)行換熱，被冷卻為高壓的具有一定過冷度的液態(tài)制冷劑，通過膨脹閥前的液體流量計(jì)和溫度壓力傳感器測得并計(jì)算出相應(yīng)液路質(zhì)量流量與膨脹閥入口處冷媒焓值。液態(tài)制冷劑經(jīng)過膨脹閥降壓后進(jìn)入氣體冷卻器，與氣路中被二次節(jié)流的低壓制冷劑充分混合，汽化為混合較為均勻的低溫低壓氣體并再次進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣端完成循環(huán)。在理想絕熱狀態(tài)下，流入氣體冷卻器中的液態(tài)制冷劑與氣態(tài)制冷劑質(zhì)量比為這二者在氣體冷卻器中比焓變化之比的倒數(shù)。

1.2 油分離式OCR 控制回路

為減少不良油循環(huán)對壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響，試驗(yàn)中需對系統(tǒng)油循環(huán)率（oil circulation rate，OCR）進(jìn)行控制。如上圖所示，從壓縮機(jī)排氣端排出的含油制冷劑氣體先進(jìn)入油分離器（Temprite 925R），油分離器通常由電加熱器加熱至100 ℃，以降低冷凍機(jī)油在制冷劑中的溶解度，便于油和制冷劑的高效分離。被分離出的冷凍機(jī)油流入油分離器下方的儲油罐，并在回油管路中經(jīng)過油流量計(jì)和回油調(diào)節(jié)閥，進(jìn)入油冷卻器中被冷卻為和吸氣端制冷劑氣體近似的溫度，重新流回壓縮機(jī)腔內(nèi)。這一過程中對OCR 的控制主要采用油流量或油液位兩種方式，流量計(jì)和傳感器將采集到的實(shí)時質(zhì)量流量或液位度數(shù)反饋回?cái)?shù)據(jù)處理單元，根據(jù)采集值與設(shè)定值的偏差程度向PLC 表發(fā)送控制指令，PLC 表再通過控制回油調(diào)節(jié)閥的開度改變回路中的OCR，達(dá)到自動調(diào)節(jié)的目的，使OCR 維持在設(shè)定值。

2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)采用某新能源汽車品牌電動壓縮機(jī)，制冷劑為R134a，轉(zhuǎn)速（800~8 500）rpm，壓縮機(jī)排量Vd為3.4×10-5m3。對該壓縮機(jī)在800、1 000、2 000、3 000、4 000、5 000、6 000、7 000、8 000 rpm 時的制冷量及COP進(jìn)行了測試，試驗(yàn)工況見表1。

表1 試驗(yàn)工況

為模擬汽車實(shí)際使用場景，在試驗(yàn)中將壓縮機(jī)吸氣端的制冷劑帶液比例設(shè)定為90 %，以考核壓縮機(jī)應(yīng)用在實(shí)車中不良吸氣狀態(tài)下的性能表現(xiàn)。吸氣帶液比例由氣路閥后焓值、液路閥前焓值及對應(yīng)質(zhì)量流量計(jì)算得到，可通過調(diào)節(jié)液路膨脹閥開度進(jìn)行控制，具體計(jì)算及控制方法此處不作詳細(xì)說明。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 變轉(zhuǎn)速下制冷性能分析

圖3 所示為C1 工況下壓縮機(jī)制冷量與COP 隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢。由圖可知，從1 000 rpm 轉(zhuǎn)速開始，壓縮機(jī)制冷量隨轉(zhuǎn)速以近線性關(guān)系增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速從3 000 rpm 提升至6 000 rpm 時，制冷量從2 509.0 W 升高到5 057.4 W，提升101.6 %，這是由于隨轉(zhuǎn)速增大，系統(tǒng)中的制冷劑流量質(zhì)量增加。在此過程中，液路管道中制冷劑質(zhì)量流量從26.3 kg/h 增大到54.1 kg/h，提升105.7 %，與制冷量的變化比接近。

圖3 C1 工況下制冷量與COP 隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化

如上圖中COP 隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化趨勢所示，在800 rpm 與1000 rpm 轉(zhuǎn)速工況下，壓縮機(jī)COP 下降顯著，此時壓縮機(jī)吸排氣壓力易波動。當(dāng)以低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，影響壓縮機(jī)性能的主要參數(shù)為壓縮機(jī)內(nèi)部泄漏量。渦旋壓縮機(jī)中的泄漏通常可按泄漏部位的不同分為切向泄漏、徑向泄漏及背腔與吸氣腔之間的泄漏三種[4]。在低速狀態(tài)下，壓縮機(jī)內(nèi)制冷劑流量下降，管道流阻增大，泄漏量迅速上升，使得相應(yīng)的制冷能力下降明顯。同時，由于制冷劑流量小，流動阻力增大等原因，壓縮機(jī)運(yùn)行中易出現(xiàn)流量壓力波動，機(jī)體振動加劇，進(jìn)而影響制冷性能。壓縮機(jī)COP 在6 000 rpm 時出現(xiàn)最大值，約為1.89，相較3 000 rpm 時上升5.6 %。

如圖4 所示，C2 工況下制冷量隨轉(zhuǎn)速變化與C1 工況趨勢相近。在6 000 rpm 時，壓縮機(jī)制冷量為2 328.9 W，COP 僅為1.28，相較C1 同轉(zhuǎn)速下工況下降32.3 %。這一差異主要來源于吸排氣壓力下降導(dǎo)致的管路制冷劑流量減小與壓比增大導(dǎo)致的壓縮機(jī)功率增加。

圖4 C2 工況下制冷量與COP 隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化

3.2 帶液耐久試驗(yàn)前后制冷性能變化

在C2 工況下以壓縮機(jī)最大轉(zhuǎn)速8500rpm 進(jìn)行300h不停機(jī)連續(xù)運(yùn)行帶液耐久試驗(yàn)，得到制冷量和COP 的變化趨勢如圖5 所示。

圖5 帶液耐久試驗(yàn)制冷量和COP 隨運(yùn)行時長的變化

由圖可知，制冷量與COP 總體上均隨連續(xù)運(yùn)行時長增加而下降。試驗(yàn)初始時制冷量為3 301.8 W，COP為1.20，運(yùn)行300 h 后制冷量下降為3 159.8 W，COP 降為1.16，制冷量下降4.3 %，COP 下降3.3 %。這一趨勢主要和吸氣端進(jìn)入的制冷劑液體對諸如渦盤之類的壓縮受力件造成的沖擊損耗有關(guān)。實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，長時帶液耐久試驗(yàn)中壓縮機(jī)易發(fā)生積油、積液現(xiàn)象，使變頻控制模塊工作異常，造成起動障礙。

4 結(jié)論

本文通過依據(jù)制冷劑氣體冷卻法設(shè)計(jì)的電動壓縮機(jī)性能試驗(yàn)臺架，在吸氣帶液比為90 % 的兩種不同工況下研究了壓縮機(jī)制冷量和COP 隨轉(zhuǎn)速的變化（800~8 500）rpm 范圍內(nèi)，并對轉(zhuǎn)速8 500 rpm 時300 h不停機(jī)連續(xù)運(yùn)行帶液耐久試驗(yàn)過程的制冷性能變化進(jìn)行了分析。試驗(yàn)得到的結(jié)論如下：

1）同一工況下，制冷量隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升高近似呈線性增大。在最低轉(zhuǎn)速時，由于泄漏量增大和振動異常，壓縮機(jī)制冷性能明顯下降。

2）同一工況下，COP 隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升高先增大后減小，在6 000 rpm 時達(dá)到最大值。在轉(zhuǎn)速（3 000~8 500）rpm 范圍內(nèi)，COP 變化趨勢相對平緩；當(dāng)轉(zhuǎn)速小于3 000 rpm 時，COP 隨轉(zhuǎn)速減小下降顯著。

3）300 h 不停機(jī)連續(xù)運(yùn)行帶液耐久試驗(yàn)后制冷量約下降4.3 %，COP 約下降3.3 %，這一變化趨勢或與制冷劑液滴進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)部造成的受力件沖擊損耗有關(guān)。