太陽能輔助電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究【工業(yè)設(shè)計專業(yè)論文】

1、太陽能輔助電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究 STUDY ON SOLAR-ASSISTED HEAT PUMP SYSTEM FORELECTRIC VEHICLE AIR CONDITIONING摘要：介紹研制的電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)及其配用的雙工作腔滑片壓縮機的性能，依據(jù)測試樣式機的試驗結(jié)果分析了轉(zhuǎn)速對該空調(diào)系統(tǒng)制冷量、輸入功率及COP等性能的影響。若轎車頂蓋全部布滿太陽電池，所產(chǎn)生的電能約為225W，可以使空調(diào)系統(tǒng)的制冷量增加8%左右，同時還能降低汽車空調(diào)冷負(fù)荷的峰值。關(guān)鍵詞：汽車空調(diào)；熱泵；太陽能0 引言現(xiàn)代流行的燃油汽車不僅消耗大量的石油資源，而且還嚴(yán)重污染大氣環(huán)境，危害人類健康。據(jù)統(tǒng)計排放

2、到大氣的污染物中，汽車的廢氣（主要是氮氧化物、碳氧化物及碳?xì)浠衔锏龋┘s占42%。鑒于此，許多國家政府通過立法逐步限制這種高污染產(chǎn)品。電動汽車具有無任何排泄物、不污染環(huán)境、低噪聲及節(jié)省石油資源等特點，再次引起全世界的廣泛關(guān)注。世界汽車工業(yè)發(fā)達國家都投入大量的人力、物力進行電動汽車開發(fā)和研制，取得了大量的成果，一批批先進的電動汽車不斷面市，有的已形成商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。與燃油汽車一樣，電動汽車也要創(chuàng)造一個舒適的駕駛和乘座環(huán)境，即要配備相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)，提高其中舒適性和競爭力。在開發(fā)和研制電動汽車同時，也對配套的空調(diào)系統(tǒng)進行了開發(fā)與研制。熱電空調(diào)系統(tǒng)因效率太低而無法被電動汽車所接受1。采用直流電動機驅(qū)動

3、蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的電動貨車空調(diào)系統(tǒng)的試驗結(jié)果表明，其性能與普通燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)基本相當(dāng)2。90年代初又對采用環(huán)保制冷劑的電動貨車空調(diào)系統(tǒng)進行了試驗研究3、4。我國也制定了電動汽車的研究與開發(fā)計劃，并正在逐步實施。本課題組對電動汽車配套的空調(diào)系統(tǒng)進行研制，開悄磁直流無刷電機直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)壓縮機的電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，本文介紹該系統(tǒng)及對其所進行的試驗研究。將太陽電池布滿整個車頂可以起到兩個作用；一是給電動汽車空調(diào)系統(tǒng)提供部分能量，使其取自車載蓄電裝置的動力減少；二是可將電動汽車所需冷量的峰值減少40%5，從而使空調(diào)系統(tǒng)取自蓄電裝置的動力進一步減少。根據(jù)Sekurit公司太陽能蓋板的產(chǎn)品介紹，20組1

4、00mm×100mm單晶硅電太陽電池在完全曝曬時可產(chǎn)生25W的電能，對于小型轎車有1.81m2（19.5ft2）車頂面積6，這個空間安裝的光電池在完全曝曬時能產(chǎn)生大約225W的電能。這種方案非常適合電動汽車使用，因為它在不加大車載蓄電裝置容量的條件下，使電動車的有效行駛距離增加。本文也對太陽電池在電動汽車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用進行探討。1 電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，壓縮機由直流無刷電機通過皮帶驅(qū)動，空調(diào)系統(tǒng)的制熱/制冷運行方式由四通換向閥轉(zhuǎn)換，實線箭頭表示制冷運行方式，這時向車室內(nèi)吹冷氣，使車內(nèi)降溫冷卻；虛線箭頭表示制熱運行方式，這時向車內(nèi)吹熱風(fēng)使車內(nèi)升

5、溫加熱或?qū)躏L(fēng)玻璃除霧/霜。通過感受車室溫度，逆變器調(diào)制電動機電源的脈沖寬度來控制壓縮機轉(zhuǎn)速的大小，從而改變空調(diào)系統(tǒng)的冷（熱）量大小，以滿足各種環(huán)境條件下車室的舒適性及除霧/霜要求。從原理上講，該系統(tǒng)與普通的熱泵空調(diào)并無區(qū)別，但由于該空調(diào)系統(tǒng)是用于電動汽車這一特殊場合，該系統(tǒng)所用的主要部件都有其特殊性。為此，我們配套開發(fā)了雙工作腔滑片壓縮機，專門制作直流無刷電動機和逆變器控制系統(tǒng)。圖1 電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)Fig.1 Heat pump air conditioning system for electric vehicle專門研制的雙工作腔滑片壓縮機的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，圓形轉(zhuǎn)子同心地安裝在

6、扁圓形氣缸內(nèi)，五個滑片置于轉(zhuǎn)子上開設(shè)的槽中并能來回滑動，原動機驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，滑片靠離心力被甩出，緊貼在氣缸內(nèi)表面上，在氣缸內(nèi)腔分隔成若干個隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化其容積的小空間（稱為基元），隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，基元容積的大小周期性變化，從而完成了氣體的吸入、壓縮、排出等工作過程。該壓縮機具有以下特點：1.氣缸 2.轉(zhuǎn)子 3.滑片 4.吸氣口 5.排氣閥 圖2 雙工作腔滑片壓縮機Fig.2 Schematic view of vane compressor with double-acting chambers1) 結(jié)構(gòu)簡單，零部件少，加工與裝配容易實現(xiàn)。2) 運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。由于無偏心轉(zhuǎn)動零部件，動力平衡性能好，

7、尤其在高轉(zhuǎn)速運動時振動和噪聲很小。3) 起動沖擊小?；谄饎訒r逐步伸出，靜摩擦轉(zhuǎn)矩小，因而起動轉(zhuǎn)矩緩慢上升，減少了起動沖擊。4) 效率高。由于沒有吸氣閥，余隙容積小且余隙膨脹不直接影響吸氣基元，因而使吸氣損失減少，容積效率提高。5) 體積小，重量輕，便于狹窄空間安裝，因而比較適合汽車空調(diào)使用。6) 壓縮機每轉(zhuǎn)完成兩次吸、排氣，輸氣量大且脈動性小。表1列出了所研制雙工作腔滑片壓縮機的主要尺寸，圖3為它與電裝（Denso）公司容量相同的汽車空調(diào)用渦旋壓縮機制COP4比較，從圖中可以看出：轉(zhuǎn)速低于2500r/min時，渦旋壓縮機的COP低于雙工作腔滑片壓縮機，這主要是由于渦旋壓縮機的內(nèi)泄漏間隙比較

8、長，低轉(zhuǎn)速時其內(nèi)泄漏量較大的緣故；轉(zhuǎn)速高于2500r/min時，渦旋壓縮機的COP則高于雙工作腔滑片壓縮機，但高出的幅度并不很大， 這主要是因為雙工作腔滑片壓縮機隨轉(zhuǎn)速的升高摩擦功率增加比較快的緣故 。考慮到其它因素：如加工簡單、高轉(zhuǎn)速下的振動和噪聲很小、起動沖擊小等，雙工作腔滑片壓縮機是適合電動汽車空調(diào)系統(tǒng)使用的壓縮機。渦旋壓縮機雖然也有優(yōu)良的性能，但對加工和裝配等的要求都比較高，國產(chǎn)設(shè)備還不能完全滿足其技術(shù)要求。表1 主要參數(shù)表Table 1 Main Parameters of vane compressor 參數(shù)名稱單位數(shù)量工作腔容積轉(zhuǎn)子半徑氣缸矢徑升程氣缸矢徑滑片徑向高度滑片軸向長度

9、滑片厚度滑片數(shù)滑片端部半徑滑片前傾角度密封弧間隙cm3mmmmmm mmmmmmmmdegm 2817444555°15 圖3 壓縮機COP的比較Fig.3 Comparison of COP between vane and scroll compressor驅(qū)動電動機采用專門制作的稀土永磁直流無刷機，它用電子電路取代傳統(tǒng)直流電動機的電刷及換向棒。電動機及電子設(shè)備一起構(gòu)成了具有線性、高效的變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。換熱器采用具有90年代技術(shù)水平的平行流全鋁換熱器，換熱效率高，堅固耐用。 2 試驗裝置與測試條件研制的電動汽車熱泵空調(diào)樣機在按照國際標(biāo)準(zhǔn)建造的全自動汽車空調(diào)系統(tǒng)試驗裝置上進行了測試，主

10、測采用蒸發(fā)器側(cè)進出口空氣焓差法，輔測采用冷凝器側(cè)液體制冷劑流量計法。測試時，主輔測制冷量偏差應(yīng)小于5%，并以主測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。試驗方法及數(shù)據(jù)處理均依據(jù)中國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T72.1-93汽車空調(diào)制冷裝置性能要求和QC/T72.2-93汽車空調(diào)制冷裝置試驗方法，所有測試所用儀表均符合QC/T72.2-93的規(guī)定。由于壓縮機由直流電機直接驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速就可連續(xù)改變壓縮機的轉(zhuǎn)速，廠商的測試工況，試驗中壓縮機轉(zhuǎn)速分別1000、2000及3000r/min；工質(zhì)采用條件為：蒸發(fā)器側(cè)干球溫度（27±0.5）±0.5）,冷凝器側(cè)干球溫度（35±0.5）。樣機的試驗結(jié)果整理成如圖4

11、6所示的性能曲線，這些曲線未計入太陽電池所產(chǎn)生的能量。1.制熱量 2.制冷量圖4 制冷量/制熱量隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.4 Variation of cooling and heating capacity with speed圖5輸入功率隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.5 Variation of power input with speed圖6 空調(diào)系統(tǒng)COP隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.6 Variation of COP air conditioning system with speed3 結(jié)果與討論空調(diào)系統(tǒng)的制冷量/制熱量隨壓縮機轉(zhuǎn)速的變化如圖4所示，從圖中可以看出：對于給定的蒸發(fā)溫度，制冷量/制熱量隨轉(zhuǎn)速

12、增加基本上呈線性增長，這是由于比工作腔壓縮機制容積壓縮比固定，余隙容積很小，且余隙膨脹對氣體的吸入量影響不大（余隙膨脹的氣體先泄漏到壓縮基元，然后才能再從壓縮基元泄漏到吸氣基元），因此其輸氣量主要受轉(zhuǎn)速的影響，而受其它因素的影響較弱。圖5是空調(diào)系統(tǒng)的輸入功率隨轉(zhuǎn)速的變化，從圖中可以看出：壓縮機的輸入功率與轉(zhuǎn)速呈基本相同的正比關(guān)系，這是因為壓縮機功耗占汽車空調(diào)功耗的絕大部分，而在滑片壓縮機功耗中，摩擦功率基本上與轉(zhuǎn)速成正比而指示功率受轉(zhuǎn)速影響很小。圖6示出了空調(diào)系統(tǒng)的COP隨轉(zhuǎn)速的變化，從圖中可以看出；轉(zhuǎn)速較低（1500r/min時，COP隨轉(zhuǎn)速的增加有較快地增長，當(dāng)轉(zhuǎn)速增長到一定程度（2000

13、r/min）后，COP隨轉(zhuǎn)速增加而定不變，這說明低轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速的增加可使壓的密封效果得到很大改善，致使制冷量速度較快，高轉(zhuǎn)速時，壓縮機的內(nèi)泄漏再增加轉(zhuǎn)速已使密封效果改善不大，所以長速度趨于穩(wěn)定，而壓縮機制輸入功卻一直比較穩(wěn)定速度的增長。作者研制的電動汽車空調(diào)系統(tǒng)與目前正在使用的燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)（用斜盤壓縮機）的性能比較如圖6所示。電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的COP在轉(zhuǎn)速較低時（1500r/min）略低于燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)，而在高轉(zhuǎn)速時（2000r/min）卻明顯于燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)。這主要由于斜盤壓縮機工作腔的密封性能較好且?guī)缀醪皇苻D(zhuǎn)速的影響，而滑片壓縮機的工作腔密封性能受轉(zhuǎn)速的影響較大，轉(zhuǎn)速升高可以明顯改

14、善其工作腔密封性能。壓縮機由獨立電機驅(qū)動后，其轉(zhuǎn)速不再受汽車動力機的影響，可以恒定在較高的轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)。因此帶雙工作腔滑片壓縮機的熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能優(yōu)于現(xiàn)有的燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)，能夠滿足電動汽車空調(diào)的。 4 太陽能的應(yīng)用將電動汽車整個車頂布滿太陽電池，所產(chǎn)生的電能使電動汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷量增加的情況見表電能使電動汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷量增加的情況見表2。 表2中制冷量增加量是用光電池產(chǎn)生的電能乘以各轉(zhuǎn)速下空調(diào)系統(tǒng)COP所得的結(jié)果，相對增加量為制冷量增加量與不利用太陽能時空調(diào)系統(tǒng)制冷量的比值。從表中可以看出，利用太陽能可使空調(diào)系統(tǒng)制冷量增加200W以上，且轉(zhuǎn)速較高時的增幅較大，這是由于空調(diào)系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速時的CO

15、P較低、高轉(zhuǎn)速時勢COP較高的緣故；制冷量的相對增加量為6%27%，且COP越低（對應(yīng)的轉(zhuǎn)速也低），增加的效果越明顯。電動汽車空調(diào)系統(tǒng)采用獨立電動機驅(qū)動后，壓縮機轉(zhuǎn)速不再受怠速的影響，可以穩(wěn)定COP較高的轉(zhuǎn)速（約為2500r/min）下工作，這時，可以增加制冷量350W以上，相對增加量約為8%，大家知道，汽車在太陽下曝曬時空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷最大，當(dāng)車頂布滿光電池后，這時不僅能最大限度地產(chǎn)生電能，而且可以有效地阻止太陽輻射熱通過車頂進入車室內(nèi)，使保持車室舒適所需的冷量大幅度降低，從而使空調(diào)系統(tǒng)消耗蓄電裝置的電能降低。總之，利用太陽能可以有效地減少空調(diào)系統(tǒng)取自車載蓄電裝置的動力，增加電動汽車的有效行

16、駛距離。表2 太陽電池用于電動汽車空調(diào)系統(tǒng)所產(chǎn)生的效益Table 2 Capacity increment of vehicle air conditioning powered by photovoltaic cells壓縮機轉(zhuǎn)速r/min-1制冷量增加量W相對增加量%6001000200030002032823563512718965 發(fā)展展望車載蓄電池提供的直流電是電動汽車唯一的動力源且很有限，輔助設(shè)備消耗的電力減少了電動汽車的行駛蹁，開發(fā)高效的電動汽車空調(diào)系統(tǒng)乃是電動汽車在商業(yè)上能夠被接受的關(guān)鍵一步。壓縮機和電動機做成共用主軸的封閉結(jié)構(gòu)后不僅能大幅度提高效率，而且還可以杜絕制冷劑的泄漏

17、、安裝更加靈活；直流電驅(qū)動又使壓縮機采用封閉結(jié)構(gòu)成為可能，因此，高效節(jié)能將決定電動汽車空調(diào)未來的發(fā)展，采用封閉壓縮機是未來電動汽車空調(diào)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。我國目前作為汽車空調(diào)的制冷工質(zhì)，發(fā)達國家已于1996年1月1日全部采用對臭氧層安全的R-134a，但R-134a的溫室效應(yīng)系數(shù)較大，在不久的將來還可能會被更符合環(huán)保要求的制冷工質(zhì)所取代，不管制冷工質(zhì)如何變化，電動汽車空調(diào)必須符合環(huán)保要求的這一發(fā)展趨勢將不會改變。采用人工智能技術(shù)開發(fā)先進的傳感-控制系統(tǒng)，使創(chuàng)造的車室環(huán)境更加符合人體皮膚的感覺，進一步提高舒適性，也是電動汽車空調(diào)未來的發(fā)展方向。隨著太陽電池效率提高和成本降低，其在電動汽車空調(diào)系統(tǒng)中的

18、應(yīng)用會成為可能，并且會逐步得到普及。6 結(jié)論從以上分析可以看出，作者面向電動汽車開發(fā)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有良好的性能，適合電動汽車使用。分析樣機試驗結(jié)果得出以下結(jié)論：1) 空調(diào)系統(tǒng)的制冷量/制熱量、輸入功率隨轉(zhuǎn)速增加基本呈線性增長關(guān)系；空調(diào)系統(tǒng)的COP在轉(zhuǎn)速較低時隨轉(zhuǎn)速增加有較快的增長，而在轉(zhuǎn)速較高時，則受轉(zhuǎn)速的影響較小。2) 所開發(fā)的雙工作腔滑片壓縮機，低轉(zhuǎn)速時的COP高于容量相同的渦旋壓縮機，而高轉(zhuǎn)速時的COP低于渦旋壓縮機，但所低出的幅度并不很大。綜合考慮性能、加工及安裝等因素，雙工作腔滑片壓縮機是比較適合電動汽車空調(diào)系統(tǒng)使用的壓縮機。3) 與目前使用的燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)相比，電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的低速性能略差，但它卻具有較好的高速性能。4) 若轎車頂蓋全部布滿太陽電池，所產(chǎn)生的電能約為225W，可以使空調(diào)系統(tǒng)的制冷量增加8%左右，同時還能降低汽車空調(diào)冷負(fù)荷的峰值。致謝：廣東省電動汽車實驗專門為本項目研制驅(qū)動電機,并指導(dǎo)電控系