电动汽车空调与采暖系统的设计与参数匹配

电动汽车空调与采暖系统的设计与参数匹配李隽杰，宋立涛一。隽春玲1_总装备部车船军代局驻南京地区军代室，江苏南京210037；2西安电子科技大学；3总装备部车船军代局驻西安地区军代室，陕西西安710043；4西安昆仑汽车电子有限公司，陕西西安710043摘要针对电动汽车的空调和采暖系统进行理论设计和参数匹配，并对电动空调制冷循环系统关键零部件进行合理选型，提高电动汽车的舒适性，有效地减少能量消耗。关键词电动空调；变频器；电动汽车；PTC；采暖中图分类号U463851文献标识码A文章编号10038639201406000405DESIGNANDPARAMETERMATCHINGOFAIRCONDITIONINGANDHEATINGSYSTEMFOREVLIJUNJIE，SONGLITAO一，JUANCHUN1ING41MILITARYREPRESENTATIVEOFFICEOFGENERALARMAMENTSDEPARTMENTOFPLASTATIONEDINNANJING，NANJING21O037CHINA2MILITARYREPRESENTATIVE0FFICEOFGENERALARMAMENTSDEPARTMENTOFPLLASTATIONEDINXIANXIAN710O43CHINAABSTRACTTHEORYDESIGNANDPARAMETERMATCHINGFORAIRCONDITIONINGANDHEATINGSYSTEMFOREVHAVEBEENELABORATEDTHETYPESOFKEYPARTOFCOOLINGCYCLESYSTEMOFELECTRICAIRCONDITIONERARCSELECTEDTOIMPROVECOMFORTPERFORMANCEANDREDUCEENERGYCONSUMPTIONEFFECTIVELYKEYWORDSELECTRICAIRCONDITIONER；TRANSDUCER；EVELECTRICVEHICLE；PTC；HEATING1电动汽车的空调与采暖系统电动汽车使用电池作为驱动动力。使得它的空调与采暖系统也不同于燃油汽车由于作为驱动动力的电池容量有限，空调与采暖系统的能耗对电动汽车充电一次后的行程有很大的影响。同燃油汽车相比，对电动汽车空调系统的能耗提出了更高的要求。电动汽车和传统燃油汽车的空调、采暖系统区别在于电动汽车没有用来采暖的发动机余热，不能提供作为汽车冬天采暖用的热源必须自身具有供暖的功能，即电加热系统压缩机需要采用电机直接驱动，结构上与现有的压缩机形式不完全相同。用来给空调与采暖系统提供动力的电池主要用来驱动汽车，其能量消耗对汽车每充一次电的行程影响很大。如果电动汽车仍采用现有能效比较低的空调系统，这就意味着增加电池的制造成本或是降低电动汽车的驱动性能指标。电动汽车的空调与采暖系统构成和布置方案如图1所示。考虑到高压电安全和电能的损耗，将电动压缩机和变频器尽可能布置在电池的附近，压缩机由独立的电机进行驱动，当空调系统制冷负荷发生变化时可通过调节电机转速来控制制冷剂流量，进而控制空调系统制冷量，使室内温度控制更加准确，并降低了系统能量消耗。当需要取暖时，接通PTC加热器回路C加热器恒温发热，超过一定的温度居里温度时，随着温度的升高它的电阻值陡增也就是说C加热器的功率将突然降低到最小值，使温度回到其居里温度以下，起到节能的效果。图1电动汽车的空调与采暖系统布置方案收稿日期20131008修回日期20131014作者简介李隽杰1971一，男，陕西绥德人，高级工程师，主要从事电动汽车的研究论证工作；宋立涛1978一，男，陕西蓝田人，工程师，在读博士，主要从事电动汽车的研究论证工作和汽车及零部件可靠性研究；隽春玲1969一，女，工程师，TS16949审员，从事汽车电子电器零部件品质管理工作。J汽车电器2O14年第6期2空调制冷循环系统主要部件选型电动汽车空调制冷循环系统主要由电动压缩机、电动压缩机控制器、冷凝器包括冷凝风机、蒸发器、膨胀阀和管路系统形成一个封闭的系统。电动空调制冷循环简图见图2。电驱动系统和电动空调制冷循环系统如图3所示。图2电动空调制冷循环简图会产生火花、碳粉，容易酿成危险，且电刷及换向器容易磨损。故不用有刷电机。无刷直流电机具有结构简单、无换相火花、调速性能好、运行可靠、效率高等优点，在当今生产生活各个领域中的应用非常普及。直流无刷电机与传统直流电机的基本特性相一致，具有一般直流低价的运行效率高、起动转矩大、调速范围广和机械特性为线性等优点，又具有交流电机的结构简单、运行可靠、维修方便等特点。因此电动空调压缩机驱动电机选用直流无刷电机。3空调系统设计计算与参数匹配31设计参数一设定在7月中旬上海地区以30KMH的速度向正南方向行驶，驾驶室内空气干球温度27，相对湿摘度50，乘员1人。车内空气流速03MS；人均通风换气量11M。H，驾驶室内部容积384M。设计条件见表1。制冷剂在蒸发器中与驾驶室内部空气进行热交换后，气化成低温低压蒸气后进入电动压缩机，被压缩机压缩后，温度和压力升高然后进入冷凝器高温制冷剂蒸气与外界空气进行热交换，被冷却后成为液体，经过干燥储液罐干燥过滤后，离开冷凝器的制冷剂变成高温高压液体流经膨胀阀后，降低压力和温度，成为由气体和液体组成的混合物，再进入蒸发器，吸收蒸发器周围物体的热量，使它的温度降低。如此周而复始完成制冷循环。电动汽车对电动压缩机的要求首先是效率高，然后是结构紧凑、质量轻、成本低、噪声低，能在各种气候下工作。另外，电动空调压缩机采用电机直接驱动，对压缩机高转速性能也有较高要求。21压缩机形式确定对于涡旋式压缩机来说，其原理是利用动、静涡旋片的相对公转运动形成闭死容积的连续变化实现压缩制冷的目的。这种压缩机无吸、排气阀，因此工作可靠、寿命长，容积效率高，吸排气连续，气流脉动小，运转平稳，且转矩变化均匀。更为关键的是相比其它形式的压缩机，可节能30噪声降低13，具有节能环保的亮点。作为目前空调活塞式压缩机的换代产品，应用在电动空调上有其它压缩机不可替代的优势。基于涡旋式压缩机的种种优势，采用其作为电动空调系统的压缩机。22压缩机驱动电机形式确定在电动空调系统的压缩机中由于充满了制冷剂蒸气，而有刷电机的电刷及换向器在电机转动时表1设计条件32车身热负荷计算32。1车身壁面的传热Q不考虑太阳辐射热影响时。在稳定传热条件下，其传热量P可表达为QIKFTHTB1式中传热系数；卜传热面积，M；I厂车外温度，；厂车内温度，。121N1式中厂车外放热系数，WMK。AN1163412、3式中车速，MS。为内表面放热系数车内空气自然循环时，取31；车内空气强制循环时，取OT29，单位为WM2K。RD为隔热层热阻。DOI4汽车电器2O14年第6期式中6I隔热材料厚度，1TI；AI隔热材料导热系数，WMK。以侧围为例进行计算，钢板6L0001M，AL485WMK；聚氨酯发泡0003IN，A2003WMK，代入式4，得到D坝401。将833MS，代人式3，得到H侧4493WMK。将D侧01，H侧4493WMK，OB29代入式2，得到K侧638WMK。而人造革的A004WM。K，同理，得到K地656WINK，K410WMK，K后638WILLK。将TH40，TB27，K侧638WINK，256ILL代人式1，得到P侧42466W。同理可得Q117738W，QL8954W，Q1后9787W。贝0QLQ1侧Q1地QL顶QL78945W。322太阳热辐射时车身壁面的传热Q事实上，由于太阳辐射。将使车内壁面温度升高很多，此部分热量Q也将传人车内，构成车身热负荷之一。其传热量P可表达为Q2KFTCTH5式中广综合温度，OC；TC丝H，代人H式5得到Q6H式中传热系数；卜传热面积，IN；P车身外表面吸收系数，与表面颜色、新旧、粗糙度有关，本车P选取为O1；广一车外放热系数，WMZK；，_一太阳总的辐射强度，对于车顶和车身侧面。由于太阳入射角的不同，辐射强度是不相同的，顶688WM，I550WM，313WMZ而对于地板来说，太阳热辐射可以忽略。将相应的参数代人式6，得到P侧3999W，Q2顶1055W，Q2后524W。贝0Q2Q2侧Q2顶Q2后5578W。323车内外温差通过门窗玻璃传入的热量Q，车内外温差通过门窗玻璃传入的热量P，表达式为Q3KFH_如7式中传热面积，M2；。厂车外温度，；厂车内温度，；K玻璃的传热系数，WINK。取K玻0754，贝0P3侧窗2009W，Q3前窗L086W，Q3后窗85W。于是，Q3Q3侧窗Q3前窗Q3后窗3945W。324太阳热辐射时通过门窗玻璃传人的热量Q汽车中午向正南方向行驶，前窗为朝阳面，其太阳辐射强度为I688WM，左右侧窗按I550WILLZ，后窗按1313WM计算，则P的表达式为LL1汽车电器2014年第6期Q叼S8H式中太阳辐射透人系数，084；玻璃对太阳辐射热的吸收系数，一般取P008JS遮阳修正系数，取S0937一车窗的辐射量；0_内表面放热系数车内空气强制循环时，取OTB29，WM2K；厂车外放热系数，WMK。把以上参数代入式8，则P4前8461W，Q4L101248W，Q426234W。于是，Q4Q4前Q4侧Q4后195943W。325其它热负荷Q其它热负荷如人体散发的热量P和漏风传人驾驶室的热量Q。QPL16N，N为乘员数，本车乘员为L，所1QPL16W。QT200W估值，那么Q5QPQT316W。326汽车驾驶室热负荷Q。上述热负荷之和构成汽车驾驶室热负荷Q，那么QQLQ2Q3Q4QS7894555783945195943316316011W。33空调系统制冷负荷Q计算空调系统制冷负荷至少要与汽车驾驶室热负荷达到热平衡。其表达式为QAQ9口为储备系数，一般取L一12，本设计取12，代人式9中，则QI2X316011379213W。34空调系统参数匹配确定空调系统工况，并根据所确定的工况条件得出其热力循环压焓图，如图4所示图4中线段12表示压缩过程，234表示冷凝过程45表示节流膨胀过程，5一O表示蒸发过程。图4空调制冷过程中压焓图根据汽车空调计算工况，并参考电动压缩机总成技术条件，确定热力循环的计算工况冷凝温度62，蒸发温度一1OC，过热度10，过冷度0OC。根据该计算工况，由公式10可以得到该空调系统的等熵效率豫叼I凳6幻C。式中一蒸发温度，K；一冷凝温度，K；F厂蒸发温度，；6常数，取00025。将热力循环的计算工况各参数代人公式10，得到叼I00025X一1081。本空调系统制冷剂采用R134A。根据其热力性季感到舒适的范围，该空调的设计指标覆盖其中，达到良好的制冷效果。5PTC采暖系统设计与参数匹配该车PIC采暖系统使用的装置为PTC材质带式空气预热器。该空气预热器具有节能、过热自动控温及缺风自动最高温时保护功能，有较高的安全性。实物如图9所示。图9PTC材质的带式空气预热器5。1PTC材质采暖系统特性PTC热敏陶瓷具有正温度系数的导体功能陶瓷主要有两个特性即电阻一温度特性和电流一时间特性。1PTC元件的电阻一温度特性指在规定的测量电压下元件的功率电阻值与其电阻体温度之间的关系，如图10所示。居里温度它是PTC半导瓷相变的图1O电阻一温度特性开始点，一般为PTC元件R二倍阻值时所对应的温度点。最大温度元件可达到的最高温度。最大工作温度工作范围内的上限温度。最小温度元件正常呈现最小电阻时的温度。标准室温25。R一最大电阻元件达到最高温度时的电阻。最大工作电阻上限工作温度所对应的电阻。最小电阻元件正常可呈现的最小电阻。2PTC元件的电流一时间特性指当PTC元件，两端加上额定电压工作时，流过元件的电流，与时间T之间的关系如图11所示。PTC效应PTC元件T动态时间图11电流一时间特性在达到居里温度之前，电阻随着温度的升高而下降；当温度处在居里温度到最大工作温度之间时，电阻随温度的升高而显著增大。52PTC采暖系统设计参数在1月中旬上海地区，将车辆静态置于室外温度为一7的环境，为使驾驶室内空气干球温度达到16，相对湿度30；乘员为1人。车内空气流速03MS；人均通风换气量1LM3H，驾驶室内部容积384M。为了使驾驶室在一定时间内达到规定的温度，需要PTC产生一定的热量满足驾驶员的需求，其需求热量为QCPXPV一12式中C广空气质量定压热容，KJKGK，取1009温度在一L020之间；P空气的密度，KGM；驾驶室内部容积，M；厂一驾驶室达到的设计温度，；环境温度，。将各个参数代入式12，得到QI1496KJ。鉴于PTC元件的上述特性因此PTC采暖系统的功率也在发生动态变化。而从环境温度达居里温度的时间非常短，可以忽略近似认为稳态工作电流为其最大值的一半。所以PTC采暖系统的功率必须满足以下条件才能满足采暖需要。PPOXTQ，即QT13式中P驾驶室从环境温度升到设计温度时从外界吸收的热量。KJ驾驶室从环境温度升到设计温度时需要的时间，S。若I096KW此功率为在电流为2状态下计算，其变频器额定电压为320V，可知6A，L920W