工業(yè)設(shè)計(jì)論文-太陽能輔助電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究

1、工業(yè)設(shè)計(jì)論文-太陽能輔助電動(dòng)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(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)及其配用的雙工作腔滑片壓縮機(jī)的性能，依據(jù)測試樣式機(jī)的試驗(yàn)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(shí)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，

2、危害人類健康。據(jù)統(tǒng)計(jì)排放到大氣的污染物中，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(dòng)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(diǎn)，再次引起全世界的廣泛關(guān)注。世界汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家都投入大量的人力、物力進(jìn)行電動(dòng)汽車開發(fā)和研制，取得了大量的成果，一批批先進(jìn)的電動(dòng)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(dòng)汽車也要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)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(dòng)汽車同時(shí)，也對配套的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)汽車所接

3、受1。采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的電動(dòng)貨車空調(diào)系統(tǒng)的試驗(yàn)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(dòng)貨車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究3、4。我國也制定了電動(dòng)汽車的研究與開發(fā)計(jì)劃，并正在逐步實(shí)施。本課題組對電動(dòng)汽車配套的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研制，開悄磁直流無刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，本文介紹該系統(tǒng)及對其所進(jìn)行的試驗(yàn)研究。將太陽電池布滿整個(gè)車頂可以起到兩個(gè)作用；一是給電動(dòng)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(dòng)力減少；二是可將電動(dòng)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(dòng)力進(jìn)一步減少。根據(jù)Sekurit公司太陽能

4、蓋板的產(chǎn)品介紹，20組100mm×100mm單晶硅電太陽電池在完全曝曬時(shí)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(gè)空間安裝的光電池在完全曝曬時(shí)能產(chǎn)生大約225W的電能。這種方案非常適合電動(dòng)汽車使用，因?yàn)樗诓患哟筌囕d蓄電裝置容量的條件下，使電動(dòng)車的有效行駛距離增加。本文也對太陽電池在電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。1 電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，壓縮機(jī)由直流無刷電機(jī)通過皮帶驅(qū)動(dòng)，空調(diào)系統(tǒng)的制熱/制冷運(yùn)行方式由四通換向閥轉(zhuǎn)換，實(shí)線箭頭表示制冷運(yùn)行方式，這時(shí)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(yùn)行方式，

5、這時(shí)向車內(nèi)吹熱風(fēng)使車內(nèi)升溫加熱或?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(dòng)機(jī)電源的脈沖寬度來控制壓縮機(jī)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(dòng)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(jī)，專門制作直流無刷電動(dòng)機(jī)和逆變器控制系統(tǒng)。 1.壓縮機(jī) 2.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 3.逆變器 4.車室溫度傳感器 5.平行流換熱器（車外單元） 6.四通換向閥 7.軸流風(fēng)閥 8.膨脹閥 9.平等流換熱器（車內(nèi)單元） 10.離心風(fēng)扇 11.制熱工作

6、方式 12.制冷式方式 圖1 電動(dòng)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(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，圓形轉(zhuǎn)子同心地安裝在扁圓形氣缸內(nèi)，五個(gè)滑片置于轉(zhuǎn)子上開設(shè)的槽中并能來回滑動(dòng)，原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(gè)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(dòng)，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(jī)具有以下特點(diǎn)： 1.氣缸 2.轉(zhuǎn)子 3.滑片 4.吸氣口 5.排氣閥 圖2 雙工作腔

7、滑片壓縮機(jī) 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(shí)現(xiàn)。2) 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。由于無偏心轉(zhuǎn)動(dòng)零部件，動(dòng)力平衡性能好，尤其在高轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲很小。3) 起動(dòng)沖擊小?；谄饎?dòng)時(shí)逐步伸出，靜摩擦轉(zhuǎn)矩小，因而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩緩慢上升，減少了起動(dòng)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(jī)每轉(zhuǎn)完成兩次吸、排氣，輸氣量大且脈動(dòng)性小。 表

8、1列出了所研制雙工作腔滑片壓縮機(jī)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(jī)制COP4比較，從圖中可以看出：轉(zhuǎn)速低于2500r/min時(shí)，渦旋壓縮機(jī)的COP低于雙工作腔滑片壓縮機(jī)，這主要是由于渦旋壓縮機(jī)的內(nèi)泄漏間隙比較長，低轉(zhuǎn)速時(shí)其內(nèi)泄漏量較大的緣故；轉(zhuǎn)速高于2500r/min時(shí)，渦旋壓縮機(jī)的COP則高于雙工作腔滑片壓縮機(jī)，但高出的幅度并不很大， 這主要是因?yàn)殡p工作腔滑片壓縮機(jī)隨轉(zhuǎn)速的升高摩擦功率增加比較快的緣故 ?？紤]到其它因素：如加工簡單、高轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)和噪聲很小、起動(dòng)沖擊小等，雙工作腔滑片壓縮機(jī)是適合電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)使用的壓縮機(jī)。渦旋壓縮機(jī)雖然也有優(yōu)良的性能

9、，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 36.64288.528+8.5sina217444555°15 1.滑片壓縮機(jī) 2.渦旋壓縮機(jī)圖3 壓縮機(jī)COP的比較Fig.3 Comparison of COP between vane and scroll compressor驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)

10、采用專門制作的稀土永磁直流無刷機(jī)，它用電子電路取代傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的電刷及換向棒。電動(dòng)機(jī)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(jiān)固耐用。2 試驗(yàn)裝置與測試條件研制的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)樣機(jī)在按照國際標(biāo)準(zhǔn)建造的全自動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了測試，主測采用蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)出口空氣焓差法，輔測采用冷凝器側(cè)液體制冷劑流量計(jì)法。測試時(shí)，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(yàn)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(yàn)方法，所有測試所用儀表均符合QC

11、/T72.2-93的規(guī)定。由于壓縮機(jī)由直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可連續(xù)改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，廠商的測試工況，試驗(yàn)中壓縮機(jī)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）（19.5±0.5）,冷凝器側(cè)干球溫度（35±0.5）。樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果整理成如圖46所示的性能曲線，這些曲線未計(jì)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 Variat

12、ion of power input with speed 1.電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng) 2.燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)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(jī)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)速增加基本上呈線性增長，這是由于比工作腔壓縮機(jī)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

13、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(jī)的輸入功率與轉(zhuǎn)速呈基本相同的正比關(guān)系，這是因?yàn)閴嚎s機(jī)功耗占汽車空調(diào)功耗的絕大部分，而在滑片壓縮機(jī)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(shí)，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（2000r/min）后，COP隨轉(zhuǎn)速增加而定不變，這說明低轉(zhuǎn)速時(shí)，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(shí)，壓縮機(jī)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(jī)制輸入功卻一直比較穩(wěn)定速度

14、的增長。作者研制的電動(dòng)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(jī)）的性能比較如圖6所示。電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的COP在轉(zhuǎn)速較低時(shí)（1500r/min）略低于燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)，而在高轉(zhuǎn)速時(shí)（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(jī)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(jī)的工作腔密封性能受轉(zhuǎn)速的影響較大，轉(zhuǎn)速升高可以明顯改善其工作腔密封性能。壓縮機(jī)由獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)后，其轉(zhuǎn)速不再受汽車動(dòng)力機(jī)的影響，可以恒定在較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。因此帶雙工作腔滑片壓縮機(jī)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(dòng)汽車空調(diào)的。 4 太陽能的應(yīng)用將電動(dòng)汽車整

15、個(gè)車頂布滿太陽電池，所產(chǎn)生的電能使電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷量增加的情況見表電能使電動(dòng)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(shí)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(shí)的增幅較大，這是由于空調(diào)系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速時(shí)的COP較低、高轉(zhuǎn)速時(shí)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(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)采用獨(dú)立電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)后，壓縮機(jī)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/m

16、in）下工作，這時(shí)，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(shí)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(shí)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(jìn)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?？傊锰柲芸梢杂行У販p少空調(diào)系統(tǒng)取自車載蓄電裝置的動(dòng)力，增加電動(dòng)汽車的有效行駛距離。 表2 太陽電池用于電動(dòng)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

17、縮機(jī)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(dòng)汽車唯一的動(dòng)力源且很有限，輔助設(shè)備消耗的電力減少了電動(dòng)汽車的行駛蹁，開發(fā)高效的電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)乃是電動(dòng)汽車在商業(yè)上能夠被接受的關(guān)鍵一步。壓縮機(jī)和電動(dòng)機(jī)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、安裝更加靈活；直流電驅(qū)動(dòng)又使壓縮機(jī)采用封閉結(jié)構(gòu)成為可能，因此，高效節(jié)能將決定電動(dòng)汽車空調(diào)未來的發(fā)展，采用封閉壓縮機(jī)是未來電動(dòng)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(dá)國家已于1996年1月1日全部采用對臭

18、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(dòng)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(jìn)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(jìn)一步提高舒適性，也是電動(dòng)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(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)中的應(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(dòng)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(dòng)汽車使用。分析樣機(jī)試驗(yàn)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

19、增長關(guān)系；空調(diào)系統(tǒng)的COP在轉(zhuǎn)速較低時(shí)隨轉(zhuǎn)速增加有較快的增長，而在轉(zhuǎn)速較高時(shí)，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(jī)，低轉(zhuǎn)速時(shí)的COP高于容量相同的渦旋壓縮機(jī)，而高轉(zhuǎn)速時(shí)的COP低于渦旋壓縮機(jī)，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(jī)是比較適合電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)使用的壓縮機(jī)。3) 與目前使用的燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)相比，電動(dòng)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(shí)還能降低汽車空調(diào)冷負(fù)荷的峰值。 致謝：廣東省電動(dòng)汽車實(shí)驗(yàn)專門為本項(xiàng)目研制驅(qū)動(dòng)電機(jī)

20、,并指導(dǎo)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；試驗(yàn)得到廣州豪華汽車空調(diào)器質(zhì)檢科的支持和配合，在此一并致謝。參考文獻(xiàn)1 V C Mei. et al. Study of solar-assisted thermoelectric technology for automobile air conditioning. Journal of Solar Energy Engineering. Transactions of the ASME,1993,115:200-205.2 J Dieckmann, et al. Climate control for electric vehicles. SAE Technical Paper, N