油循环率对电动汽车CO2热泵系统性能的影响

邹慧明 汤鑫斌 唐坐航 唐明生 田长青

（1 中国科学院理化技术研究所 空间功热转换技术重点实验室 北京 100190；2 中国科学院大学 北京 100049）

相比于传统燃油汽车，电动汽车缺少发动机冷却液用于解决冬季工况下车舱的采暖需求，常规R134a和R1234yf热泵系统存在温室效应和低温适应性等问题[1-2]，直接采用PTC （positive temperature coefficient）电加热元件又会极大缩短电动汽车续航里程。CO2热泵技术凭借优异的环保性、宽温区适应性及与车辆系统的兼容性已经成为相关行业的研究热点，CO2热泵空调系统将是未来电动汽车热泵空调领域的重要发展方向[3]。

电动汽车CO2热泵系统能量传递过程包括做功和传热，系统有用功的输入主要通过压缩机部件，而热量的传递主要通过换热器。对于系统部件的做功过程和换热过程，润滑油对于各部件运行的可靠性和高效性起着至关重要的作用。对于热泵系统做功部分的压缩机部件而言，润滑油在压缩机运行时起到对运动副的润滑及配合面的密封作用，同时，润滑油能及时带走压缩过程因机械和电磁损耗产生的废热，有效改善压缩过程[4-6]。

通常电动汽车CO2热泵系统无专门的油分离装置，意味着润滑油参与包括蒸发器和气冷器在内的所有换热部件的换热过程。由于润滑油与CO2工质的黏度和传热特性等物性差异较大，润滑油会影响系统循环中的传热过程，尤其蒸发器处于低温状态时，润滑油黏性变大，导致制冷剂与润滑油混合物流动阻力增加，甚至部分润滑油会附着于传热管内壁，进而影响换热器传热效率和系统整体能效[7-9]。

目前，电动汽车空调用压缩机主要以涡旋压缩机为主，在高CO2运行压力工况下，涡旋压缩机的动静涡盘在大压差作用下导致泄漏增加，如何有效解决其泄漏问题，同时保证运行时动静涡盘的可靠润滑是提升压缩性能的关键。方金湘等[10-12]通过理论和实验研究指出采用合适的油循环率是保证涡旋压缩机运行可靠和高效的关键。田俊义等[13]建立涡旋压缩机滑动轴承流体润滑模型，计算制冷剂含油率对滑动轴承摩擦功耗的影响，指出当含油率在5%～12%时，滑动轴承功耗相应从50.0 W降至40.6 W。陶宏等[14]搭建了电动汽车空调压缩机性能实验台，研究润滑油循环率对电动汽车空调涡旋压缩机性能的影响，实验结果表明：压缩机容积效率和电效率与油循环率呈正相关性（油循环率范围：1%～10%），润滑油循环率还会影响压缩机排气温度和壳体温度，系统适度的油循环率为5%。

微通道换热器由于具有结构紧凑和换热高效的优势已在车用空调行业得到广泛应用[15]，了解制冷剂和润滑油混合物在微小尺寸结构内的流动和传热特性，对于提升系统性能具有至关重要的作用[16]。朱国梅等[17]指出影响润滑油与CO2制冷剂互溶的因素主要有介电常数、密度、扩散系数和添加剂等，而介电常数的表征是极性，CO2在超临界状态下表现出非极性溶剂的性质，因而超临界状态CO2对于非极性润滑油的溶解能力高于亚临界状态下的CO2。秦红[18]搭建了实车管路空调系统的实验台架，研究油循环率对空调系统换热量的影响，通过不同工况的实验研究，油循环率在4.72%～7.87%范围内时制冷系统换热量变化率在5%之内，当油循环率从4.72%增至19.63%时，换热量衰减了21.28%。

本文搭建了一套带油循环率测试装置的电动汽车CO2热泵系统实验台架，重点研究分析典型车辆工况下热泵系统油循环率对压缩机和换热器运行状态及整体系统性能的影响特性。

1 电动汽车CO2热泵系统及油循环测试装置

1.1 实验装置

为研究油循环率对电动汽车CO2热泵系统性能的影响，本文搭建了如图1（a）所示的测试平台。系统采用三换热器结构形式，换热器均为微通道平行流换热器；车内空调箱HVAC（heating ventilation air conditioning）包括两个并排布置的车内气冷器和车内蒸发器，空气侧气流先流经车内蒸发器，然后流过车内气冷器；压缩机采用5.3 cm3/r的CO2涡旋压缩机；车外换热器布置于车头。为模拟车辆工况，热泵系统布置于汽车空调环境实验室。该焓差室由室内侧和室外侧两个独立的环境控制室组成，可同时模拟车内外温湿度工况。具体台架布置情况如图1（b）所示。

图1 实验台架Fig.1 Test bench

该热泵系统通过三组三通阀通断实现制冷和制热模式的切换，制冷模式测量系统润滑油循环率 （oil circulation rate，OCR） 时，将OCR测量仪布置于回热器和电子膨胀阀之间，制热模式测量系统OCR时，OCR则布置于电子膨胀阀和车内蒸发器之间，以保证热泵系统处于不同模式工作，OCR测点位置润滑油和CO2制冷剂混合物温压状态满足OCR测量仪要求。

测试过程中，通过调节压缩机注油量调整系统中润滑油的循环率，润滑油循环率利用布置的OCR测量仪进行测量记录。系统中OCR测量仪采用耐高压的密度传感器，该密度传感器基于U型振荡管的原理测量润滑油和CO2混合物的密度，通过混合物密度与润滑油浓度、介质温度和压力关系计算并实时采集记录系统OCR。焓差室空气侧干湿球温度采用高精度铂电阻测量，测温精度为 ±0.01 ℃；压缩机输入电功采用功率计8920测量，测量精度为 ±0.5%。结合科氏质量流量计和油循环率测量值计算确定系统中循环的制冷剂质量流量。制冷剂侧主要测量仪器参数如表1所示。

表1 主要测量仪器参数Tab.1 Parameters of principal measuring instruments

1.2 实验工况

基于电动汽车热泵系统典型运行工况，开展不同OCR条件下热泵系统性能测试，测试工况如表 2所示。为了对比分析不同OCR对系统性能的影响，实验采用控制变量法，制冷工况设定压缩机转速n为4 500 r/min，电子膨胀阀相对开度为32%；制热工况设定压缩机转速n为4 800 r/min，电子膨胀阀相对开度为20%；为提高CO2热泵系统制热模式下高压侧的换热能力，本文制热工况测试时通过三通阀通断将室内蒸发器和室内气冷器串联，热泵系统制冷剂充注量为590 g，制冷剂采用高纯CO2（体积分数≥99.999%），压缩机润滑油采用ACC HV冷冻油。

表2 测试工况Tab.2 Testing conditions

1.3 数据处理

热泵系统HVAC通过风管与焓差室受风箱连接，利用焓差室受风箱和空气取样器测量HVAC进出口空气的干湿球温度及风量，系统制冷量和制热量Q为：

（1）

式中：q为被测空调器室内侧测点风量，m3/h；ha1、ha2分别为空调器室内侧进、出风空气焓值，kJ/kg；v′a为喷嘴前空气比容，m3/kg；Wa为喷嘴前空气含湿量，g/（kg干空气）。

系统性能系数COP：

（2）

式中：W为压缩机功耗，W。

压缩机等熵效率ηs和容积效率ηv分别为：

（3）

（4）

式中：hd为压缩机等熵压缩排气比焓，hs为吸气比焓，h′d为实际排气比焓，单位均为kJ/kg；qm为系统质量流量，kg/h；ρs为吸气密度，kg/m3；n为压缩机转速，r/min；Vs为压缩机排量，m3/r。

换热器两侧换热比ηevap和ηHVAC分别为：

（5）

（6）

式中：Qair-c、Qr-c分别为室内蒸发器空气侧制冷量和制冷剂侧制冷量，W；Qair-h、Qr-h分别为HVAC空气侧制热量和制冷剂侧制热量，W。

2 实验结果分析

2.1 压缩机效率与运行特性

图 2 （a）所示为制冷工况下OCR对压缩机排气温度和等熵效率的影响。OCR在1.17%～3.83%范围内变化时，压缩机排气温度和等熵效率变化不超过0.5%，但当OCR增至5.26%时，由于润滑油冷却作用的增强，压缩机排气温度相比于OCR为1.17%时降低3.4 ℃，等熵效率提高13.6%。

图 2 （b） 所示为制热工况下OCR对排气温度和等熵效率的影响。相比于制冷工况，压缩机排气温度在制热工况下整体显著升高，且等熵效率整体更低。在低OCR情况下润滑油对压缩机排气温度影响显著，当OCR为1.51%时，压缩机排气温度升至155.5 ℃，随着OCR的增加，由于润滑油对压缩过程的冷却作用及运动副之间的润滑作用增强，OCR由1.51%增至6.68%时，压缩机等熵效率提升15.7%。

图2 OCR对排气温度和等熵效率的影响Fig.2 Effects of OCR on exhaust temperature and isentropic efficiency

图 3 所示为OCR对吸气密度和容积效率的影响。可知，在低油循环率条件下，OCR变化对压缩机吸气密度影响较小，制冷工况下OCR达到5.26%和制热工况OCR为6.68%时，压缩机吸气密度明显衰减。同时，随着OCR的增加，由于润滑油对涡旋压缩机动静涡盘配合面的密封效果增强，热泵系统容积效率均有所增加，且制热模式下，当OCR为1.51%时，较差的冷却和润滑作用导致压缩机在压缩过程由于不可逆损失产生的热量增加，压缩机排气和壳体温度整体升高，吸气过程的温升使得在较低OCR条件下，制热工况时压缩机的容积效率降低，相比于OCR为3.59%的情况，容积效率衰减3.94%。

图3 OCR对吸气密度和容积效率的影响Fig.3 Effects of OCR on suction density and volumetric efficiency

图4 换热器流阻和换热比随OCR的变化Fig.4 Flow resistance and heat transfer ratio of heat exchanger varies with OCR

2.2 换热器流动与传热特性

图 4 所示为换热器流动阻力和换热比随OCR的变化，图中ΔpH表示高温段气冷器和HVAC压降，ΔpL表示低温段蒸发器和车外蒸发器压降。可以看出，对于处于-8～5 ℃温度状态下的蒸发器而言，由于低温对润滑油黏度的影响，导致润滑油和CO2制冷剂混合物在蒸发器内的流动阻力显著增加，具体表现为制冷和制热工况下，对于所有OCR运行条件，低温段蒸发器压降均大于高温段气冷器压降。由于制热工况蒸发器蒸发温度在-8 ℃附近，黏性阻力作用相比于制冷工况更为明显，具体的，制热工况下，润滑油和CO2制冷剂混合物在流经HVAC内部双换热器的情况下，流动阻力损失仍仅为低温侧蒸发器流阻的28%。

换热器润滑油和制冷剂混合物与空气两侧的换热比在0.64～0.72之间，两侧热平衡的差值一部分来源于换热器和焓差室受风箱测量系统漏热量的影响，另一部分则是换热器本身的传热效率，而润滑油循环率是影响换热器传热效率的关键性因素，即对于制冷工况下蒸发器和制热工况下HVAC制冷剂侧及空气侧的换热比而言，润滑油对两侧换热比的影响主要取决于黏度和浓度。由于制热工况HVAC属于高温段，润滑油温度较高，工质流动性较好，较少的润滑油黏附于传热管内表面，只有当OCR较高时 （OCR=6.68%），润滑油浓度对传热的影响增强，此时制热工况下HVAC两侧换热比才有所衰减。对于制冷工况，OCR范围在1.17%～3.83%时，润滑油的黏附作用增加了换热器的热阻，此时润滑油对蒸发器两侧换热比的影响由黏度起主导作用，因此两侧换热比基本不随OCR变化。当OCR达到5.26%时，参与沸腾传热的制冷剂流量的减少，导致蒸发器两侧换热比衰减了6.15%。

2.3 热泵系统性能

图 5所示为OCR对压缩机功耗和热泵系统性能的影响。对于制冷工况，与上述OCR对换热器流动和传热特性影响的分析一致，当OCR为5.26%情况下，由于润滑油对换热器换热的影响增强，导致系统制冷量由2 678.5 W降至2 534.7 W，衰减了5%，使得该OCR条件下系统制冷COP迅速降低。对于制热工况，在1.51%的低OCR条件下，由于压缩机等熵效率和容积效率的降低，压缩机整体性能变差，功耗相比于较高OCR运行条件增加约2%，使得低OCR运行条件制热COP明显降低。

对于所测试的OCR范围内，制冷工况下，系统最佳制冷COP对应的OCR为3.83%，制热工况下，最佳制热COP对应的OCR为3.59%。综上，对于所开展的测试工况，当系统OCR在4%附近时，热泵系统具有较佳的综合性能。

图5 OCR对压缩机功耗和热泵系统性能的影响Fig.5 Effects of OCR on compressor power consumption and heat pump system performance

3 结论

本文搭建了带油循环率测试装置的电动汽车CO2热泵系统实验台，在典型车辆工况下，开展了OCR对热泵系统性能影响的实验研究，得到结论如下：

1）对于表征压缩机运行特性和性能参数的排气温度、吸气密度、容积效率及等熵效率而言，制冷工况下，OCR范围在1.17%～3.83%内时，以上参数受OCR变化的影响较小，当OCR增至5.26%时，由于润滑油冷却作用的增强，压缩机排气温度相比于OCR为1.17%时降低3.4 ℃，等熵效率和容积效率分别提高13.6%和5.6%。对于制热工况，压缩机运行状态随OCR的变化更为敏感，当OCR由1.51%增至6.68%时，容积效率和等熵效率分别增加7.2%和15.7%，当OCR低至1.51%时，压缩机排气温度达到155.5 ℃。

2）相比于高温段的气冷器，处于低温状态的蒸发器的流阻和换热比受OCR变化的影响更大。润滑油和制冷剂混合物流经HVAC内部双换热器的流阻仍仅为室外侧蒸发器流阻的28%。低OCR范围，润滑油对换热器换热影响是黏度起主导作用，高OCR范围时则是混合物中润滑油的浓度起主导作用。

3）对于本文测试工况，制冷模式系统最佳COP对应的OCR为3.83%，制热模式最佳制热COP对应的OCR为3.59%，该热泵系统OCR在4%附近时具有较佳的综合性能。