海立新能源: 涡旋式电动压缩机在汽车空调系统中的应用

7月6日，由盖世汽车主办的2023新能源汽车热管理论坛上，上海海立新能源技术有限公司热管理总工程师陶宏从同轴管（回热器）、补气增焓、吸气压力过低保护、油量匹配、热气旁通循环等方面阐述了涡旋式电动压缩机在汽车空调系统中的应用。

陶宏|上海海立新能源技术有限公司热管理总工程师

以下为演讲内容整理：

同轴管对电动压缩机的影响

同轴管热力学上称为回热器，即冷凝器出口的过冷段和蒸发器出口的过热段，形成一个同轴管换热器，这样可以增大冷凝器出口过冷度，降低蒸发器入口干度，但是会增加蒸发器出口温度。这个过程在热力学上被称为回热过程，制冷量得到了明显改善，但吸气温度会增加，在某些极限工况下如冷媒泄漏时，吸气温度最高可达将近50℃，比正常情况下的温度高10K~20K以上。

现在的电动压缩机与传统的皮带轮压缩机有所不同，除了压缩涡旋盘泵体外，制冷剂还要先经过电控和电机，排气温度比传统的皮带轮压缩机高，较高的温度导致电控、电机、轴承等冷却条件恶化。

功率半导体的可靠性/失效率、电机的绝缘性等都会受到温度的影响，其寿命也会下降。下图压缩机运行范围的左上角，由于回热器导致排气温度上升，使得运行范围逐渐变窄。因此同轴管的使用对现在的电动压缩机有负面影响。

图源：演讲嘉宾材料

补气增焓的优势

在补气增焓方面，从下图的表格可以看出，当蒸发温度下降时，吸气压力和密度也在下降。零下25℃蒸发温度时密度是零度蒸发温度时密度的1/3；同时随着压力比的增加，容积效率也会下降。并且如果吸气压力过低，空气和水分渗漏进去，其中的氧和水分会对油品质量产生较大的影响，导致酸化，对润滑也产生不好的影响。

图源：演讲嘉宾材料

从下面原理图表可以看出，从h3节流进入闪蒸罐，形成h51和h52混合物，其中h51再节流到h51进入蒸发器，同时h52被吸入压缩机中间补气口；这样蒸发器从环境中搬运热量的能力增加了（h4-h41），称之为增焓。

图源：演讲嘉宾材料

如果蒸发温度或吸气压力不变，压缩机吸气流量也不会变化，但是蒸发器能力需要相应增大。由于压缩机中间补气，排气温度有效下降，这样可以拓展压缩机的运行范围。补气增焓是一项优秀技术，但补气增焓因其系统复杂，会增加相应匹配的工作量，并不推荐，而推荐提高压缩机排量或转速较为简单；同时，采用电子膨胀阀，控制吸气微量带液，降低排气温度。

吸气压力过低的有效保护

冷凝器过冷段有三态压力开关，其高压保护值3.14MPaG，低压保护值0.196MPaG。当前端冷却不良时，高压保护；当冷媒泄漏严重或环境温度低于0℃（平衡压力过低）时，低压保护；但是当膨胀阀堵等导致的吸气压力过低（但是过冷段压力不低于0.196MPaG）难以保护。

压缩机依赖冷媒流动冷却和夹带油供给润滑，如果吸气压力过低、冷媒流量过小，润滑不良会导致摩擦热增加。这样既产生更多的热；又冷却不佳，最终热积导致过热问题。

原有的三态压力开关组合中的LP开关在上述故障时难以提供有效保护，需要在吸气侧增加压力开关或传感器保护。

油量匹配

油量匹配方面，需要确保油量以保证足够的油稀释率，并根据实验工况来确认，要保证压缩机残油量达到最小值，同时油是否透明，如果油不透明，在可能溶解过多氟利昂，致使呈乳白色，或者有较多泡沫，长时间的使用会对压缩机的润滑产生较差的效果。

有时也要求压缩机OCR最小值，我们推荐几种实验工况：一是高速/高蒸发温度、低速/低蒸发温度的实验工况，高速/高蒸发温度流量较大，压缩机出油较为多，低速/低蒸发温度，系统回油较慢；还有高低速往返，高速出油较多和低速回油较慢累积过程；二是看空调蒸发器或Chiller单独运行，可能会导致不运行蒸发器或chiller内的油积聚，需要查长时间后压缩机残油量；三是工作模式的切换，如电池冷却、化霜；四是低温静置启动。如果冷媒的稀释率不够，低温静置时间足够长，就会在重新启动时容易“抱轴”。

压缩机油量检测方法有称重法和视镜压缩机，视镜压缩机不可以直观目视，要使用摄像头，无需重复拆装压缩机，还可以看到启或停等过渡过程，并且可以看到油色和泡沫。

压缩机和系统其他部件中油量随压缩机转速升高而减少，随OCR增加而增加；下图提供了一种压缩机及系统中油量分布的估算方法。

图源：演讲嘉宾材料

三角循环

三角循环是近两年比较热的概念，下图是高压侧放热三角循环，从压缩机的h1点到h2，再到换热后h3，然后节流回到压缩机吸气口，可以看到换热器放热量等于压缩机输入功率。

图源：演讲嘉宾材料

下图是低压侧放热三角循环，从压缩机的h1点到h2，再节流到h5，然后换热回到压缩机吸气口，可以看到换热器放热量等于压缩机输入功率。

图源：演讲嘉宾材料

目前有两种压缩机耐久测试装置：一是全循环法；二是热气旁通法。方法一压缩机从h4到h1，需要有电加热，从h2再到h3放热时，需要冷却水冷却。如果采用热气旁通，可以看到h4与h5混合到h1，就不需要电加热（节能），同时冷却水需求也减少了。所以这样的使用方式更多基于节能的目的。

图源：演讲嘉宾材料

虽然上述热气旁通循环方案可以省PTC降本，但是调节难度大、匹配量增加很多、可靠性不易保证；我们推荐下图方案，通过水系统可以将冷凝器的放热引到蒸发器吸热，形成自力循环，这样系统放热量就是压缩机的输入电功率，当然蒸发器也可以从余热中吸收搬运一些热量。该方案如何实现低温快速启动是个问题，如果使用PTC辅助，可以加快但会增加成本，需要各方进一步合作探讨。

图源：演讲嘉宾材料

（以上内容来自上海海立新能源技术有限公司热管理总工程师陶宏于2023年7月6日，在盖世汽车主办的2023新能源汽车热管理论坛发表的《涡旋式电动压缩机在汽车空调系统中的应用》主题演讲。）