燃料电池汽车空调系统制冷性能设计研究

燃料电池汽车空调系统制冷性能设计研究马洪涛赵鹏程李亚超吴兵王婕上海汽车集团股份有限公司新能源和技术管理部，上海201804吴佳伟同济大学地面交通工具风洞中心，上海201804【摘要】通过对燃料电池车空调系统实验数据分析，着重研究电动压缩机的转速和制冷剂的充注量对空调制冷性能的影响，找出燃料电池汽车中影响空调系统制冷性能的关键因素，为后续空调系统的更好应用指明了方向。【ABSTRACT】BYTHEANALYSISOFTHETESTDATA，THESPEEDOFTHECOMPRESSORANDTHEINFLUENCEOFREFRIGERANTCHARGEAMOUNTTOTHEPROPERTYOFTHEAIRCONDITIONERAREFOCUSEDTHEKEYFACTORSTHATAFFECTTHECOOLINGPERFORMANCEOFTHEAIRCONDITIONINGSYSTEMINFUELCELLVEHICLESAREFOUNDOUTATTHESAMETIMETHEDIRECTIONFORTHEBETTERAPPLICATIONOFTHESUBSEQUENTAIRCONDITIONINGSYSTEMISPOINTEDOUT【关键词】空调燃料电池汽车电动空调压缩机DOI103969JISSN1007455420130606与传统汽车一样，燃料电池汽车也要创造一个舒适的驾驶和乘坐环境。汽车空调系统需在各种季节、不同环境下使车厢内的温度、湿度以及空气流动性保持在人体感觉舒适的状态，从而为车内人员提供舒适的驾驶和乘坐环境。为更好地开拓燃料电池汽车市场，并为乘坐人员及驾驶人员提供舒适的环境，在研发燃料电池汽车的同时，开发出节能而高效的空调系统是必不可少的。本文以某燃料电池汽车空调系统为例对燃料电池汽车空调系统的制冷性能进行了简要的探讨与研究。1燃料电池汽车空调系统概述燃料电池汽车与传统汽车在系统构成上存在着本质差别，即燃料电池汽车没有发动机作为空调压缩机的动力源。由于汽车空调首先是对车厢内部空气温度进行调节，通过制冷来降低空气温度。目前国内外针对电动车的空调系统可以选择收稿日期20130412上海汽车201306的制冷调节方式主要有热电式制冷、电动压缩机制冷、余热制冷等。对燃料电池汽车而言，由燃料电池产生的高压电经DCDC可转换为稳定的近400V的高压直流电，因此可选择直接使用电动压缩机制冷空调系统。11电动空调制冷系统的组成电动空调制冷系统主要由电动压缩机、电动压缩机控制器、冷凝器、管路系统液体管、压缩机排气管、压缩机吸气管、室内温度传感器、室外温度传感器、阳光传感器、空调主机蒸发器、加热器、温度风门执行器、模式风门执行器、风门、鼓风机、蒸发器温度传感器、膨胀阀、空调控制器等零部件构成，如图1所示。12电动空调制冷系统工作原理电动空调制冷系统工作原理大致如下当用户按程序启动空调之后，整车控制系统VMS给压缩机控制器发送指令并驱动电动压缩机，驱使制冷剂在空调系统中循环流动。由于压缩机的作用气态21热敏管F液态R130冷剂蒸发膨胀阀蒸空气鼓风机空气低压低温液体储液罐干燥器两种一是由发动机和电机混合驱动的电动压缩机，称为混合驱动压缩机；二是只用电力驱动的电动压缩机，称为全电动压缩机。全电动压缩机根据驱动方式的不同，又分为非独立式电动压缩机和独立式电动压缩机。非独立式电动压缩机是指压缩机直接由主驱动电机通过皮带驱动的压缩机；独立式电动压缩机是指利用压缩机控制器直接从电池取电来驱动的压缩机。其中，各驱动方式的性能比较如表1所示。曩衰璧嚣表1电动压缩机驱动方式的性能比较图1空调系统制冷原理制冷剂被压缩成高温高压的制冷剂气体，并通过压缩机排气管输送到冷凝器，制冷剂在冷凝器内进行散热、降温、冷凝后成为中温高压的液态制冷剂，中温高压的液态制冷剂通过液体管到达膨胀阀释放成为低温低压的液态制冷剂。低温低压液态制冷剂立即进入蒸发器内，在蒸发器内吸收流经蒸发器的空气热量，使周边空气温度降低，同时鼓风机将蒸发器周边空气吹出产生制冷效果。根据以上分析可知，电动空调制冷系统与传统空调制冷系统的主要差别在于压缩机的驱动方式不同传统空调制冷系统中压缩机是通过发动机皮带带动压缩机进行工作，从而无法对压缩机的转速进行有效调节，而电动空调制冷系统中的压缩机由高压电驱动并通过压缩机控制器控制。因而，在燃料电池车电动空调系统中可将车内温度与车外温度的温差通过控制电动压缩机的转速来实现车内温度环境达到舒适的目的。燃料电池车电动空调系统的控制过程首先各温度传感器将温度信号输入给空调控制器并经处理计算，最终通过控制压缩机转速、风门、鼓风机调速模块等零部件，调节车内温度满足车内人员的舒适性要求。2电动空调压缩机对制冷的影响21电动压缩机的驱动电动压缩机根据驱动源的不同大致可以分为22非独立式独立式项目混合驱动压缩机电动压缩机电动压缩机驱动能源电能电能电能及机械能布置安装复杂简单简单可靠性由高高成本由中高技术成熟度由高低对于燃料电池电动汽车而言，由于没有发动机，因此只能采用全电动驱动方式。根据表1可知，独立式全电动驱动与非独立式全电动驱动相比较，主要有以下优势。1独立式全电动驱动取消了驱动电机与压缩机之间的传动部分，既利于结构布置，又减轻了整车质量。因此体积功率比最优的独立式全电动驱动方式是燃料电池汽车的首选。另外，采用独立式全电驱动，电机不仅为压缩机提供高效动力，同时压缩机循环冷液可以为电机提供良好散热，可以通过进一步优化设计减小电机体积。2对于独立式全电动驱动而言，由于压缩机靠单独电机驱动，压缩机转速单独可控，因此可以通过精确的控制以及在常见热负荷工况下的高效率运行来降低空调系统的能耗，从而提高整车的经济L生。由以上分析可知，燃料电池汽车的电动压缩机制冷空调系统最佳的驱动方式为独立式全电动模式。22电动压缩机的选择空调压缩机是汽车空调制冷系统的核心，它的作用是压缩从蒸发器输出的高温、低压的气态冷媒，输送给冷凝器高温、高压的气态冷媒。压缩机性能的好坏直接影响到整个空调系统的制冷性能、噪声大小和可靠性。上海汽车201306崩一一鲨考虑到燃料电池汽车有限的布置空间以及体积功率比等因素，燃料电池车选用高压直流电驱动的直流无刷式电机作为压缩机动力源，并直接与涡旋式压缩机做一体式设计。电动压缩机额定工作电压为300V，可调速度范围为8008000RRAIN。23电动压缩机转速的控制对于独立式电动压缩机转速模式而言，其L转速控制可分为定转速模式与变转速模式两种。1定转速模式是指电动压缩机在运行时以恒定的转速工作，当车厢内温度达到设定温度时，压缩机可自行停止工作；当车厢内温度高于设定温度时，压缩机自动开启，如此反复。采用定转速模式工作时，制冷系统能够高效率地工作，但压缩机的驱动电机由于持续工作将消耗大量的电能，并且压缩机的反复启动会缩短压缩机的使用寿命。2变转速模式是指电动压缩机控制器根据控制系统的信号和汽车实际行驶工况来调节电动压缩机的转速。启动电动压缩机时，电动压缩机以最低转速运行；当室内温度达到设定温度时，压缩机转为低速运转，以最低的能耗保持车内环境温度的恒定；当车厢内温度高于设定温度时，压缩机转速根据实际控制策略进行增加。变转速模式不但可以根据整车的实际工况调节转速来达到控制要求，而且避免了固定转速带来的能源浪费。因此在燃料电池车空调系统中，压缩机的工作方式大多采用变转速工作模式。根据前期实验研究，相对于同一空调系统而言，空调出风口温度与空调压缩机转速在一定的范围内成线性相关，随着空调压缩机的转速提高，空调制冷性能也不断提高，其出风口温度也不断下降。本文在环境温度为32条件下，采用外循环的工作方式对燃料电池汽车电动空调系统进行调整测试，通过调整不同的压缩机转速得到如图2所示曲线。由图2可看出，对同一电动空调制冷系统而言，不同的压缩机转速对应不同的制冷量，且转速越高制冷效果越明显。3空调系统制冷剂充注量对制冷影响31空调系统制冷剂的选择上海汽车201306P、赠口丑霹、2000250030003500400045005000550060006500压缩机转速RMIN1图2空调出风口温度与空调压缩机的转速关系图制冷剂是在制冷过程中起传递热量作用的媒介物质，通常要求制冷剂无色、无味、无毒、无刺激性，对人体健康无损害；不易燃烧、不易爆炸、无腐蚀性；与冷冻油接触时，化学、物理安定性良好；有较低的凝固点，能在低温下工作；泄漏时容易侦测；易于改变吸热和散热的状态，有很强的变态能力；与润滑油无亲和作用，可与冷冻机油任意比互溶。制冷剂是汽车空调制冷系统的工作流体，它在制冷系统中循环流动，通过自身热力状态的循环变化不断与外界发生能量交换，达到制冷的目的，制冷剂潜热值是温度不变时，物质由液态变成气态或气态变成液态时吸热和放热的热量，如R12的潜热值是16565KJKG，R134A是2198KJKG。燃料电池汽车上使用R134A即四氟乙烷CHFCF，它的优点在于传热速度快，蒸发器、散热器等热交换器面积体积减小，还不影响热交换；潜热值高，制冷量大；不破坏臭氧层，在大气层停留寿命短，温室效应影响也很小因为不含氯、不与臭氧反应。32制冷剂充注置对性能的影响制冷剂充注量是否合适直接影响着空调制冷系统的性能。为寻找制冷剂充注量与空调制冷性能的关系，本文对燃料电池汽车的空调系统进行台架实验。本实验同样在环境温度为32外循环工作模式下，在同一空调压缩机转速下，通过不断调整制冷剂的充注量研究充注量对空调制冷系统性能的影响。实验表明，在一定范围内增加制冷剂的充注量，空调出风口的温度显著下降；但是随着充注量的增加，空调系统的换热能力下降，温度回升，如图23加“M3所示。由实验可知，制冷剂的充注量会直接影响空调系统的制冷量及出风口温度，且对于空调制冷系统而言存在制冷剂的最佳充注量。P赠口稿晖、II制冷剂充注量儋图3制冷剂充注量与空调出风口温度关系图4结语空调系统，本文在分析研究燃料电池汽车空调系统制冷原理后，着重对空调压缩机及制冷剂对燃料电池汽车空调制冷系统性能的影响进行了实验分析。通过研究电动压缩机及其控制以及制冷剂及其充注量与空调系统制冷性能的关系，找出影响燃料电池汽汽车空调制冷系统的关键因素，为后续燃料电池汽车空调系统的更好应用指明了方向。参考文献1季明于燃料电池汽车与空调系统设计方案研究J科协论坛，2010827282阚雄才汽车空调使用技术M，北京机械工业出版社20033高春甫，陆爽，贺新升等车辆空调性能实时检测系统研究J机电工程，2008，2554蒋伟，郭家虎，王振亚CAN总线在燃料电池轿车电动空调系统中的应用J计算机工程，2007175马建新燃料电池概论M上海同济大学出版社，燃料电池轿车的空调系统不同于传统汽车用2008七七电七女七女七七女电女七七七女七女七上接第16页作，结合项目实际，有以下几点思考1六西格玛设计体现了一种工程的思想。精确把握客户需求、在一定约束下有针对性地设计稳健的产品、做正确的决定，才是最终目的。2六西格玛质量水平表达的是一种质量理想，实际应用中主要关注制定合理的、科学的设计目标，而非数学层面的失效率百万分之几。3概念选择需要基于充分的理论知识、工程经验和竞争对手分析，可以定性分析选准设计大方向，就不要定量计算把问题复杂化。4运用更加科学的优化工具或方法，可以有效提高设计的准确性和实用性，只有把数学和工程充分结合起来，优化才有意义。5正确处理噪声因子即对结果有影响但不受控制的因素或参数，保证系统的稳健性，是六西格玛设计的重要内容。尽管本例没有对噪声处理进行更多探讨，但对某些类型的项目则非常重要244结语本文介绍了六西格玛设计方法在实际项目中的应用实例，解释了六西格玛设计的主要内容