电动汽车空调作业报告_电动汽车空调作业

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浙江科技学院 汽车空调技术

汽车空调技术论文

——暨电动汽车空调系统报告

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一、摘要

对比分析纯电动汽车电加热空调系统和热泵空调系统,提出未来潜在车型的纯电动汽车上可以匹配的电动空调的形式及更适合于电动汽车的空调系统。

关键字 电动汽车 制热 制冷 设计

Contest and analyze electric heating air conditioning system and heat pump air conditioning system of the electric vehicles，put forward what form electric air conditioning can match the potential models of pure electric vehicles and more suitable for electric vehicle of air conditioning system.Key words:Electric vehicle，Electric heating，Refrigeration，Design

二、简介

现代燃油汽车不仅消耗大量的资源,而且严重污染大气环境,危害人类健康,而纯电动汽车具有无任何排泄物、不污染环境、低噪声及节省资源等特点,发达国家都投入大量的人力、物力进行开发和研制,取得了大量的成果,一批批先进的电动汽车不断面市,有的已形成商业化规模生产。与燃油汽车一样,纯电动汽车也要创造一个舒适的驾驶和乘坐环境,即要配备相应的冷风系统也要配备相应的暖风系统,以提高其舒适性。

电动汽车空调特点与室内空调装置相比，电动汽车空调装置主要有以下特点：（1）汽车空调系统安装在运动的车辆上，要承受剧烈而频繁的振动与冲击，要求电动汽车空调装置结构中的各个零部件都应具有足够的强度“气密性能；（2）电动汽车内乘员所占空间比大，产生的热量多，热负荷大，要求空调具有快速制冷和低速运行能力；（3）电动汽车车身隔热层薄，而且门窗多，玻璃面积大，隔热性能差，致使空调冷气热漏损严重；（4）车内高低不平且有座椅，气流分配组织困难，难以做到气流分布均匀（5）电动汽车有足够的电能可以驱动电动空调压缩机工作，但蓄电池提供的直流电是电动汽车唯一的动力源,没有发动机余热可以用于车内采暖电动汽车无法使用现有的燃油汽车空调系统；（6）电动汽车空调使用的就是直流电气系统，可靠性高,维护方便。

本文将着重对比分析纯电动汽车电加热空调系统和热泵空调系统,提出未来 第 1 页

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潜在车型的纯电动汽车上可以匹配的电动空调的形式。

由于电动车的空调系统必须自身具有供暖的功能,而又无发动机的余热来利用,故要采用其他方式供热。作为驱动动力的蓄电池组容量有限,而电加热空调系统的效率也比较低,所以空调系统的能耗对电动车的续驶里程有很大的影响,同燃油汽车相比,对纯电动汽车空调系统的能耗提出了更高的要求,必须要寻求效率更高、效果更好的制热方式。

三、电动车制热系统

（一）电加热空调系统

目前一般电动车上制热由专门加热装置来实现,用的比较多的电加热方式为PTC加热,而其制冷系统则由电机驱动压缩机执行。相比热泵式空调系统,该方案对整车结构改变较小,制冷系统的实现通过采用电动压缩机取代机械式压缩机即可实现。目前最成功的混合动力车型丰田PRIUS采用的就是该种方案,空调为电动空调,暖风为PTC暖风,制冷制热迅速。该空调系统可以在发动机不起动的情况下正常运行,满足乘员的舒适性要求。电加热的空调工作方式如图1所示。

图1 电加热空调系统工作方式

高压电池组的直流电经电池管理系统后由控制电机控制器为空调压缩机驱动电机供电,空调电机带动压缩机产生制冷效果。控制器将电池管理系统送来的电池组电量信号以及室内传感器送来的温度控制信号进行处理后,通过输出端控制驱动空调电机,从而通过驱动电机控制压缩机的功率、转速。

但是,PTC加热是一种纯电加热,加热效率始终小于1,这对于纯电动汽车来 第 2 页

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说对续驶里程方面会有比较大的影响。根据某款电动车上配备的暖风PTC芯体的实际测试发热效率为95%。此芯体在散热片上虽然使用了带有开窗的散热带,发热效率已经处于一个相当高的水平,但是仍存在小部分的电能损耗。由于不能凭空的变出能量来，故其COP的值不可能超过1,即使没有任何外界的损耗时COP的值也仅仅只能达到1。此款PCT发热芯体在额定电压345V的状态下,由于有部分消耗只能够达到3300w的发热量,工作电流约为10A。考虑到整车的续驶里程,如果将PTC发热芯体的工作电流提高到15A的供电能力,考虑发热效率的影响,也只能达到4916W。虽然能勉强满足整车供暖的需要,但对于行驶过程中无外来电源只靠蓄电池组的电能来对整车供电的纯电动汽车来说,已经对整车的电器系统及续驶里程产生了比较大的影响。

（二）热泵空调系统

根据电动车的特点及电加热对电能消耗的弊端,国内外的汽车空调生产厂家和高校开展了一系列的研究。永磁直流无刷电机直接驱动的电动车热泵空调系统,既解决了压缩机的动力问题又解决了电动车的暖风问题。具体系统的工作模型如图2所示。

图2 热泵空调系统图

热泵空调系统的工作原理:空调系统的制热/制冷运行方式由四通换向阀转换,实线箭头表示制冷运行方式,这时向车室内吹冷气,使车内降温;虚线箭头表示制热运行方式,这时向车内吹热风使车内升温加热或对挡风玻璃除雾/霜。通过 第 3 页

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感受车室温度,控制器调制空调电机电源的脉冲宽度来控制压缩机转速的大小,从而改变空调系统的冷(热)量大小,以满足各种环境条件下车室的舒适性及除雾/霜求。从原理上讲,该系统与普通的热泵空调系统并无区别,但是由于在纯电动汽车上使用,压缩机等主要部件有其特殊性。

采用普通热泵空调系统的结构,需要开发允许双向流动的膨胀阀(即四通阀),并且在热泵工况下,系统从融霜模式转为制热模式时,风道内换热器上的冷凝水将迅速蒸发,在挡风玻璃上结霜,会影响驾驶的安全性。日本电装(DENSO)公司开发出的一套R134a电动车热泵空调系统,在风道中使用2个换热器,在制冷、制热和除霜/除湿模式时的运行如图3所示。当系统以除霜/除湿模式运行时,制冷剂将经过所有3个换热器。空气通过内部蒸发器来除湿,将空气冷却到除霜所需要的温度,再通过内部冷凝器加热,然后将它送到车室,解决了汽车安全驾驶的问题,在融霜时还能同时控制出风口空气的温度。

图3 R134a电动车热泵系统

图4是空调系统的输入功率随转速的变化情况。从图中可以看出,低速时压缩机的输入功率与转速基本呈相同的正比关系,当转速达到一定程度后输入功率反而减少了,故可知虽然在低转速运行时电动车热泵空调系统的性能还有待改进,但是在转速较高时电动车热泵空调系统的性能有较大的提高,能耗低于燃油车空调能耗。

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图4 空调系统的输入功率随转速的变化曲线

图5示出了空调系统的COP随转速的变化曲线。从图中可以看出,转速较低(2000r/min)后,COP随转速增加而趋于恒定不变,这说明低转速时,转速的增加可使压缩机内部的密封效果得到很大改善,致使制冷量随转速增长速度较快,高转速时,压缩机的内泄漏已很小,再增加转速已使密封效果改善不大,所以制冷量随转速增长速度趋于稳定,而压缩机的输入功率随转速增加却一直以较稳定的速度增长。空调系统的COP在转速较低时随转速增加有较快的增长,而在转速较高时,则受转速的影响较小。

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图5 空调系统COP随转速的变化

日本电装公司专门为电动车开发的全封闭电动压缩机,它是由一个直流无刷电动机驱动,通过制冷剂冷却,具有噪声低,振动小,结构紧凑,质量轻等优点。在测试条件为环境温度40℃,车室温度27℃,相对湿度50%,系统稳定时它能以1kw的能耗获得2.9kw的制冷量:当环境温度为一10℃,车室温度为25℃,以1kw的能耗可以获得2.3kw的制热量。在一10℃一40℃的环境温度下,均能以较高的效率为电动车提供舒适的车室环境。

根据日本电装公司专门为电动车开发的全封闭电动压缩机及其热泵空调为例,它通过换向阀门转换空调蒸发器和冷凝器的实际工作位置,即在制热状态时将原蒸发器转换为冷凝器的功能,将原冷凝器转换为蒸发器的功能。通过热机将室外的热量搬运进室内，热机即空调就类似于搬运工的角色。这种热泵空调制热方式的制热效率在正常工作条件下COP往往高于2,远超过电加热的COP值。可以证实热泵空调的制热效果要远超过电加热空调系统的制热效果。

（三）电加热空调与热泵空调的比较

在电动汽车的冷风空调系统中,原理上大同小异基本都为高压蓄电池组通过电池管理系统给空调电机控制器供电,由空调电机控制器通过控制空调电机来驱动压缩机,目前基本上电动压缩机采用的是空调电机一体化压缩机。纯电动汽车 第 6 页

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与传统燃油车最大不同的也就是暖风系统了,没有了发动机的余热可以利用,只能采用其它方法加热。而根据上述电加热暖风空调系统中暖风的COP值与一般情况下热泵空调系统的COP值比较,在电动压缩机低速时热泵空调制热效率不高,但是当转速达到一定程度后,热泵空调的效率远高压电加热的效率,甚至可以达到三倍以上。所以热泵空调更适合于用在电动汽车的暖风系统中

四、电动车制冷系统

（一）电动压缩机制冷空调系统

该系统的基本原理为，电池组的直流电经逆变器为空调压缩机驱动电机供电，空调电机带动压缩机旋转，从而形成制冷循环，产生制冷效果电动压缩机制冷空调系统相对于传统汽车空调系统的改变量最小，在结构上只是压缩机驱动动力源由发动机变为驱动电机。比亚迪e6采取的就是这种空调系统，且在空调全开的情况下也可以跑250公里（车内温度20摄氏度），这要归功于高达200千瓦的铁电池，不过这也使得车身重量达到2295公斤，如何减重和优化内饰细节成为此款车的未来发展方向。

（二）热电制冷空调系统

该项技术具有很多适合电动汽车使用的特点，并且与传统机械压缩式空调系统相比，热电空气调节具有以下特点:热电元件工作需要直流电源;改变电流方向即可产生制冷”制热的逆效果;热电制冷片热惯性非常小，制冷时间很短，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差;调节组件工作电流的大小即可调节制冷速度和温度，温度控制精度可达 0.001，并且容易实现能量的连续调节;在正确设计和应用条件下，其制冷效率可达 90%以上，而制热效率远大于1，具有体积小“重量轻”结构紧凑，有利于减小电动汽车的整备质量;可靠性高“寿命长并且维护方便;没有转动部件，因此无振动”无摩擦“无噪声且耐冲击。

（三）余热制冷空调系统

目前利用余热的空调制冷技术主要有氢化物制冷空调”固体吸附式制冷空调以及吸收式制冷空调，其工作原理“特点”系统组成不尽相同$氢化物空调是指利

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用金属氢化物作为工质，通过在不同温度下金属氢化物释放或吸收氢气的特点而实现制冷固体吸附式制冷是利用某些固体物质在一定温度，压力下能吸附于某种气体或水蒸气，在另一种温度“压力下又能把他释放出来的特性，通过吸附与解吸过程导致压力变化，从而起到压缩机的作用$吸收式制冷也是以热能为动力，利用由两种沸点不同的物质组成溶液具有的气液不平衡特性来完成制冷循环，溴化锂和氨水吸收式制冷是最常见的吸收式制冷。

五、结束语

经过以上介绍和探讨,可以总结出在未来潜在车型的纯电动汽车上可以匹配的电动空调的形式。电动空调系统相对于传统空调系统具有很多优点,但是在纯电动汽车上匹配时需要注意对整车性能的影响,特别是续驶里程和最高车速,不能厚此薄彼,要综合考虑,系统各部件的选用要以节能为中心。电动汽车上的空调系统目前主要采用的是电动压缩机空调系统,但是其它形式的空调系统也有很大的发展空间。

同时在开发适合我国国情的高效节能的电动车热泵空调系统时还要注意改善车身的密封和隔热性能,减少新风循环带来的热量损失,减少热泵空调系统的能耗:要为电动车热泵空凋系统开发全自动控制系统,满足系统在各种工况下高效率运行的要求,达到节能的目标。

参考文献

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