机械毕业设计（论文）-电动汽车空调系统设计【全套图纸】

i 电动汽车空调系统设计 摘摘 要要 随着石油的不断减少和涨价，世界低碳生活的呼声越来越高，电动汽车的发 展已成为一种必然的趋势，由于纯电动汽车不依赖石油为动力，而且具有零排放 的优点，目前受到各国政府的高度重视，空调作为汽车中一个必不可少的配置， 在电动汽车中同样重要。 本次设计结合现有知识和技术对电动汽车空调系统进行 设计设计研究。 本文首先简单讲述了电动汽车空调的组成，驱动方式及功能，并根据此对 汽车空调进行一个总体的设计， 然后进行了汽车冷负荷的计算并进行压缩机的参 数匹配及选型。从整车制冷及设计布置要求对冷凝器，蒸发器，膨胀阀深入研究 计算， 最终确定其尺寸大小和各项参数。最后在完成汽车空调系统最主要的几个 组成部分匹配设计之后简要介绍了此次设计中选用的汽车制热系统及风道设计。 关键词：电动汽车，空调系统，设计匹配 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 ii The Design of Electric Vehicle Air Conditioning Abstract With oil prices declining and the worlds increasing demands for low- carbon life, the development of electric vehicles has become an inevitable trend, as pure electric vehicles is not dependent on oil as the driving force, but also has the advantages of zero emissions, currently subject to national government attach great importance, air- conditioning as an essential vehicle configuration, the electric car is equally important. This design combined with existing knowledge and technology to design electric vehicles air conditioning system design study. First, this article about the electric car air- conditioning composition, form and function- driven and based on this on auto air conditioning for an overall design, then the car cooling load calculations and the parameters to match the compressor and selection. Design layout from the vehicle and require refrigeration condenser, evaporator, expansion valve in- depth study calculating the size and determine the parameters. Finally, the completion of several major automotive air conditioning system components match the design brief, after the selection of the design of heating systems and automotive air duct design. Keywords: Electric Vehicles，Air Condition，Design Match iii 目 录 中文摘要 i 英文摘要 ii 目录 iii 第一章 绪论 1 1.1 课题的背景与意义 1 1.2 电动汽车空调研究现状及其发展趋势 2 1.2.1 电动汽车空调的研究现状 3 1.2.2 汽车空调的发展趋势 3 1.3 电动汽车空调系统的特点 4 1.4 论文研究的意义 5 第二章 电动汽车空调系统方案设计 6 2.1 电动汽车空调的组成及其功能 6 2.1.1 电动汽车空调的组成 6 2.1.2 电动汽车空调的功能 7 2.2 电动汽车空调的驱动方式 7 2.3 电动汽车空调系统布置方案设计 8 第三章 电动汽车冷负荷分析及空调系统压缩机的匹配 10 3.1 电动汽车空调冷负荷计算分析 10 3.2 电动汽车空调系统压缩机的选配 13 3.2.1 驱动方案设计 13 3.2.3 工作参数匹配 14 3.2.4 结论 16 第四章 电动汽车空调系统的设计 17 4.1 电动汽车空调系统电动机的匹配 17 4.2 空调系统的电源匹配 18 4.2 冷凝器与蒸发器的选配计算 18 4.3.1 蒸发器的作用与设计参数 19 4.3.2 冷凝器的作用与设计计算 23 4.3 膨胀阀的选择匹配 28 iv 第五章 电动汽车空调热泵系统与风道的研究设计 31 5.1 电动汽车空调热泵系统的设计 31 5.2 电动汽车风道的研究设计 33 5.2.1 风道的结构与布置 34 5.2.2 风道设计中的一些技术措施 36 第六章 结论 37 参考文献 39 致谢 40 1 第一章 绪论 1.1 课题背景 随着最近原油期货价格一度逼近100美元/桶，新能源汽车的普及已成为各大汽 车市场中炙手可热的话题。电动汽车作为一个主要的发展方向逐步走进我们的生 活。基于消费者对汽车乘驾舒适性的求去有了更高的标准，汽车空调已是一个汽车 中必不可少的装备，因此电动汽车空调系统也应运而生。 汽车空调系统是实现对车厢内空气进行制冷、加热、换气和空气净化的装置。 它可以为乘车人员提供舒适的乘车环境，降低驾驶员的疲劳强度，提高行车安全。 空调装置已成为衡量汽车功能是否齐全的标志之一。 目前，国家已明确重点发展纯电动及插电式电动汽车，并确定了13个城市示范 运行。尽管目前采购环节的补贴仅限于公交车和出租车领域，但也正在为运用于私 家车领域的纯电动轿车进行前期的市场准备。业内人士认为，电动轿车领域是电动 汽车今后实现商业化发展的最终方向， 而现阶段电动汽车在公交及出租领域的试验 性投入，正是为这一最终方向所做的前期探路。汽车空调作为汽车中一个重要的系 统也将迎来一个崭新的发展。汽车空调的功能就是把车厢内的温度、湿度、空气清 洁度及空气流动性保持在使人感觉舒适的状态。 对于新一代的环保型电动汽车, 也 应给驾乘人员提供舒适的驾驶和乘坐环境。 作为未来主要的潜在车型, 在其上匹配 空调系统是完全必要的, 并且拥有一套节能高效的空调系统对开拓市场也是至关 重要的。 电动汽车的通风、采暖及冷气系统功能要求与普通汽车基本相同。但是，由于 纯电动客车空调系统压缩机的驱动方式与传统车相比有很大差异， 因此对电动车空 调系统参数计算和匹配方法要进行调整，以满足整车对空调的设计指标。电动汽车 的能源来自车载动力电池，如何减少对整车动力性的 影响和降低空调系统的能量 消耗，成了电动汽车空调系统设计的重要问题。 1.2 电动汽车空调研究现状及其发展趋势 2 1.2.1 电动汽车空调研究现状及其发展趋势电动汽车空调研究现状及其发展趋势 空调系统的能量消耗较大，以小型内燃机汽车为例，通常情况下，其空调系 统功率为 5KW 左右，约为整车能量消耗的 10%，客车空调系统消耗的能量一般 也是整车消耗能量的 10%15%。在现有技术发展水平下，电动汽车蓄电池的能 量储备有限，续驶里程短是制约电动汽车发展的一个瓶颈，而空调系统的使用又 会消耗一大部分能量，造成续驶里程进一步缩短。因此，如何利用尽量少的能量 为汽车提供通风、加热、降温及除霜等功能，也就成为了电动汽车空调系统设计 的主要目标，为实现这一目标，电动汽车设计师们提出了许多解决办法。 早期的电动汽车由于电池容量有限， 为了提高电动汽车的续驶里程和市场竞 争力。 通常采用在汽车使用过程中不消耗电能的空调系统设计方案，一种方案是 在汽车电池充电的同时为汽车降温或提供暖气， 由于只能满足短时间的舒适性要 求， 因此，该方案只适用于为短途上下班或购物而开发的电动车上另一种是采用 小型燃油装置作为加热装置的方案， 这种方案虽然能够较好地满足为汽车提供暖 气的要求，但仍然会对环境造成污染。 美国 Amerigon 公司，在 2005 年 SAE 年会上介绍了其最新开发的气候控制 座椅,用在通用为展会特制的概念车 STS SAE100 上，目前，该空调座椅已经应 用到德国宝马汽车公司的 E1，E2 车型上。这种空调座椅通过热电热泵转移热量 来实现对座椅温度的调节，不但可以加热，还可以制冷，是真正意义上的气候调 节座椅。由于直接调节乘坐者的身体接触部位温度，因此不但调温效果好，消耗 能量也较少。 太阳能辅助电动汽车空调系统，将电动汽车的整个车顶布满太阳能电池，既 可以给电动汽车空调系统提供部分能量，减少其取自车载蓄电装置的能量，又通 过阻止太阳辐射热通过车顶进入车内，减少了空调制冷负荷。根据 Sekurit 公司 太阳电池的产品介绍，20 组 100mm100mm 单晶硅电太阳电池在完全曝晒时可 产生 25W 的电能，对于一辆车顶面积为 1.81 平方米的小型轿车，这个空间安装 的太阳电池在完全曝晒时能产生大约 225W 的电能。 这些能量虽然不能完全满足 空调系统的使用要求，但其作为电驱动空调的辅助能源，具有重要的意义。 另外，热泵空调系统现在已开始逐渐被使用到电动汽车空调系统中。由于能 够分别提供制冷和采暖，且能效比大于，热泵式空调系统在电动汽车上也得到了 3 广泛研究和应用，据介绍，Nippondenso 公司已经开发出了一种以 R134a 为制冷 剂的电动汽车热泵空调系统， 该系统由一个可分离内部循环气流和外部新鲜气流 的内部装置、 一个能控制热的吸收与辐射的外部装置以及一个受控换向的压缩机 组成。系统的实验结果证实，在环境温度为- 10到 40时，它能以低能耗提供 舒适的车内空气环境并保证风挡的良好视野。目前，国外有许多电动汽车应用热 泵式空调的案例， 如通用汽车公司开发的电动车采用了哈里森热泵式空调本田电 动车也采用了热泵式冷暖自动恒温空调系统，内置了一个反换流器控制压缩机。 1.2.2 汽车空调的发展趋势汽车空调的发展趋势 汽车是高速移动的物体，为保证其基本功能定额载人货、高速安全行驶，汽 车要求自身重量尽量轻、有效载人货空间尽量大、部件可靠性好、耐振动、效率 高。空调作为汽车的一种部件，与其它部件一样，应尽量满足上述要求，所以， “结构紧凑体积小、重量轻、效率高、功耗低、可靠性好、空调性能好”一直是 汽车空调发展的基本目标。为此，对汽车空调结构和系统配置不断地进行改进。 通过采用高效率、紧凑型换热器结构形式和高效管片结构、减薄管片厚度、用铝 代替铜等措施，使蒸发器和冷凝器的重量及体积大幅度降低。通过采用多缸化结 构、用铝代铁、取消平衡块或油泵等、采用先进的加工工艺、简化压缩机连接支 架等方法使压缩机的重量及体积大为减小，通过改进压缩机内部结构，采用高效 率机型等办法不断降低压缩机功耗。通过对系统匹配的改进、自控程度的提高， 使空调系统的性能日趋完善。中国汽车空调协会有关人士预测说，我国未来汽车 空调将会朝以下几个方向发展脚 1.全自动空调将得到广泛的普及。 全自动空调能通过计算机判别汽车内外空气条件、 日照、 车速及发动机水温， 并可自动调节温度、湿度、风量、风向。自动除霜、降低噪声的新型汽车空调系 统，预计在未来的年内，全自动空调在高档乘用车上的普及程度将达到以上。 2.无刷直流电机驱动的电动压缩机和涡旋式压缩机将得到更大的发展。 旋叶式压缩机由于成本比较低，将占据着微型车市场，而对于电动汽车、燃 料电池车、混合驱动车等新动力汽车，采用电动压缩机是最好的出路。电动汽车 空调也将随着新能源轿车的普及将获得很大程度的发展。 3.空调功耗进一步降低。 4 无论从环保、节能、减少对汽车动力性影响、降低空调设备成本等任何一个 角度出发，尽量降低空调功耗都是未来的发展方向。 4.空调市场将进一步细分。 目前在国内，货车及一些专用车的空调普及率还不高，为这类车辆提供配套 的空调生产企业也比较少。随着汽车生产企业及用户在这方面的意识逐渐加强， 他们对这类汽车空调的要求也将逐步提高。 5.形成专业化配套生产，并且提升维修后市场空间。 6.新能源汽车空调系统 随着汽车逐渐从汽油，柴油为燃料向新能源发展，主要是电动汽车，汽车空 调也将随之产生变化，从动力源上将不同于传统的汽车空调。 1.3 电动汽车空调系统的特点电动汽车空调系统的特点 汽车空调使用的特殊性，决定了它在结构、材料、安装、布置、设计、技术 要求等方面与普通空调，如建筑物空调，有着较大的差别，且作为电动汽车的空 调系统，在动力源上又与普通汽车空调有着差别： 1) 电动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； 2) 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。 结构紧凑 无噪声及容易实现能量的连续调节。 3）在动力源处理上，车用空调压缩机只能采用开启式的结构型式，这就带 来空调系统轴封要求高，制冷剂容易泄漏的问题。 4）作为空调的对象，汽车车室容积狭小，人员密集，其热、湿负荷大，气 流分布难以均匀，要求所选配的车用空调机组制冷量要大，能降温迅速。 5）当车用空调装置消耗汽车主发动机的动力时，必须考虑其对汽车动力也 操纵性能的影响，也必须考虑车速变化幅度大或变化频繁，给空调系统制冷剂流 量控制、制冷量控制、系统设计带来的影响。 6）汽车本身结构非常紧凑，可供安装空调设备觉得空间极为有限，不仅对 车用空调装置的外形、 体积和质量要求较高， 而且对其性能和选型也会带来影响。 7）汽车是运动中的物体，对汽车空调系统各组成部件的振动、噪声、安全、 5 可靠等方面的技术要求严格。 8）车用空调装置的结构、外形和布置，必须考虑其对汽车底盘、车身 结构 件及汽车行驶稳定性、安全性的影响。 此外，开门的次数以及在行车中受车速、光照、怠速等因素的影响，空调湿 热负荷极大。 压缩机乃至整个空调系统都要适应这种多因素的变化以确保车室环 境的舒适性要求。因而使空调系统变工况运行变得较为复杂和难以控制。 1.4 论文研究的意义论文研究的意义 石油资源紧张，环境污染严重，为了汽车工业能够持续发展，以开发和推广 节能及采用替代能源环保型汽车为主要内容的“绿色汽车”工程在全世界范围内 展开。对于新一代的环保型汽车混合动力、纯电动和其它低排放车辆，本论文结 合现在国内外科研成果， 研究与纯电动轿车相匹配的电动空调系统的匹配及其控 制策略。作为新型纯电动轿车的空调系统，研究并设计较为符合要求，可行性较 大的空调系统具有重大的实际意义。 6 第二章 电动汽车空调系统方案设计 汽车空调性能是影响车内舒适性指标的重要因素之一。随着人们对舒适性、 可靠性、安全性的要求越来越高，各汽车厂家对空调的研究开发特别重视。而电 动汽车的通风、采暖及冷气系统功能要求与普通汽车基本相同。但是，由于纯电 动客车空调系统压缩机的驱动方式与传统车相比有很大差异， 因此对电动车空调 系统参数计算和匹配方法要进行调整，以满足整车对空调的设计指标。电动汽车 的能源来自车载动力电池， 如何减少对整车动力性的影响和降低空调系统的能量 消耗，成了电动汽车空调系统设计的重要问题。 2.1 电动汽车空调的组成及其功能 2.1.1 电动汽车空调系统的组成 如图 1 所示，电动轿车汽车空调系统是由电动压缩机及其驱动器、换热器、 节流机构、 自动控制等部件构成， 按功能可分为五个子系统制冷系统、 采暖系统、 通风系统、空气净化系统和操纵控制系统。操纵控制系统主要是对制冷系统、采 暖系统和通风系统进行控制，其首要任务是在热负荷及外部条件变化时，及时通 过适当的控制作用保证空调系统要求的温度指标。 并使空调系统的运行工况始终 维持在合理安全的范围内， 其进一步的任务是尽可能提高空调系统在各种变动工 况下的经济性、安全性。 图 2- 1 电动轿车空调系统 2.1.2 电动汽车空调的功能 7 电动汽车全自动空调系统具有以下功能： 1.空气自动调节功能。包括车内温度自动调节、进风和出风模式自动控制， 空调系统运转方式制冷和制热的自动化、换气量控制等。当通过操作键盘设定好 车内温度以后，汽车空调便以自动方式运行，这时空调控制器将不断地检测各种 传感器送来的信号并对出风温度、 出风速度进行及时调整和修正， 同时根据情况， 自动选择进风方式和出风口，以保持车内空气的最佳调节状态。 2.经济运行方式。在该运行方式下，电控单元会在尽可能短的时间内启动制 冷压缩机，甚至不启功制冷压缩机的情况下保持车内的温度状态，如在春、秋两 季，车外温度与设定温度较接近时便可在该方式下运行，以达到节能的目的。 3.完善的显示功能。通过安装在仪表板上的空调系统显示屏，可随时显示当 时车内温度、车外温度及空调的运行方式、送风速度、进风口和出风口的自动切 换情况等空调运行参数，可使驾驶员及时了解空调系统的工作情况。 4.故障检测和保护功能。由于会对所有的传感器和执行机构进行实时监控， 因而很容易实现对空调系统进行故障自诊断检测， 有助于对空调系统的检修和维 护。同时，当系统出现故障时，会及时采取相应的保护措施，以免故障进一步扩 大。 2.2 电动汽车空调的驱动方式 汽车空调根据驱动方式不同可以分为独立式空调和非独立式空调.：对于独 立式,与传统压缩机的主要区别是: 传统压缩机采用主机作为动力, 电动压缩 机直接通过电机驱动； 传统压缩机转速受主机转速限制, 电动压缩机单独驱动, 转速单独可调; 传统压缩机受主机限制转速范围较小, 电动压缩机驱动电机 调速范围较宽。 对于非独立式, 在驱动形式上传统压缩机由发动机通过皮带带动, 电动压 缩机则由主驱动电机通过皮带带动。 考虑到作为新时代的汽车，在设计上更应该有所改进和突破，本次设计采用 独立式全电动为驱动方式。 独立式全电动压缩机通过采用无刷直流电机和压缩机 的一体化设计，既可以充分发挥电机调速性能好、体积小、效率高的优点，为压 缩机提供高效动力， 同时又可以利用压缩机的循环冷液为电机提供良好的散热条 件， 但这种设计方法也有它自身缺陷，传统的无刷直流电机需要通过位置传感器 8 产生正确的换向信息来进行控制， 由于电动空调压缩机的制冷液对霍尔穿感情有 腐蚀性， 且不易安装， 在高温和频繁振动的工作环境下， 对于传感器会产生影响， 这将降低电机控制系统的性能和可靠性， 因此有必要开发无位置无刷直流电机控 制系统。 2.3 电动汽车空调系统布置方案设计 电动汽车与传统汽车系统构成上存在着差别， 纯电动汽车没有发动机作为空 调压缩机的动力源，也没有发动机余热可以利用以达到取暖、除霜的效果，因此 电动汽车空调系统在构成上也与传统汽车存在着一定差别。 基于电动汽车是以电 池作为动力源，因此可以采用电动压缩机制冷空调系统。电池组的直流电经逆变 为空调压缩机电机供电， 空调电机带动压缩机旋转工作， 从而达到空调制冷功能。 电动汽车空调系统的设计方案确定应该是一个系统的工程， 主要有以下几个 因素确定： 1）整车热负荷。由于轿车相对而言整车热负荷小，就有多种制冷解决方案可以 选择。为减小整车热负荷，可以在设计电动汽车车型时尽量采用低透射率的 玻璃材料；增强车身的密封性，并且采用导热系数低的隔热材料。 2）空调系统的制冷能力。 3）空调系统的控制模式的节能性能。 4）空调系统的技术成熟度以及复杂性。 5）空调系统的通透性。 电动压缩机空调系统相对于传统汽车空调系统改变较小， 在结构上只是将由 发动机带动压缩机改成由电机驱动电动压缩机。 整个空调系统布置也几本类似于 传统汽车空调系统的布置，本次设计的电动汽车空调系统如下图 2 所示： 9 图 2- 2 电动汽车空调系统 蒸发器放在仪表板中间，以利于送风均匀，膨胀阀安装在蒸发器进口处。冷 凝器置于车头前部，由于是电动汽车，不存在发动机，因此没有水箱，所以此设 计方案不会影响到汽车的散热，且这样设计还可借助迎面风强化换热。另外还可 在冷凝器前增设风扇，这样可以增大风量，以达到更好的散热效果。 10 第三章电动汽车冷负荷分析及压缩机的匹 配 确定电动轿车的实施方案后，首先对空调系统的参数进行匹配计算，并进行 电动汽车空调系统压缩机的选型。 本次设计 5 座电动轿车为设计中心对齐进行分 析研究。 3.1 冷负荷计算 冷负荷计算传统方法是将各部分冷负荷一一算出，然后加起来，这种方法目 的很明确，就是为了准确的出各部分的冷负荷，以便于设计和运行中有针对性地 减少热能损失， 在本系统设计中仅仅为了估算冷负荷以便于压缩机的选配和蒸发 机.冷凝机的设计。现采取计算出较易确定的太阳辐射热 QT 和玻璃渗入热 QB， 然后由 QT+BT 占总冷负荷的比例（占 70%），即可的出总热负荷 Qg，为安全 起见，取修正系数 K=1.05，得到实际负荷 Qs=KQg。 1 工作条件确定 冷凝温度63.蒸发温度te=0.过冷温度t4=57.吸气温度t1=10.室外 温度.t0=35.室内温度 ti=27.轿车正常行驶速度 We=40km/h,压缩机正常转 速 n=1800r/min. 2 冷负荷构成 Qg=QT+QB+Qm+QA+QE+Qq (3-1) 式中：QT太阳辐射及太阳照射得热量 QB 玻璃窗渗入量 Qm 人体放热量 QA 室外空气漏入热量 QE 发动机室传入热量 Qq 其他仪器。 设备发热量。 3 太阳辐射热的确定 由于太阳照射，汽车车身温度升高，在温差的作用下，热量以导热方式传如车室 内， 太阳辐射是由直射或散射辐射构成， 车体外表面由于太阳辐射而提高了温度， 同时向外反射辐射热，因此，车体外表面所受的辐射强度按下式计算： 11 FIIIQ VG )( 1 = + =)()(WFII SG + (3- 2) 其中 表面吸收系数，深色车体取 =0.9，浅色车体取 =0.4； G I 太阳直射辐射强度，取 IG=1000W/ 2 m S I 太阳散射辐射强度，取 IS=40W/ 2 m VI 车体表面反射辐射强度，单位为 W/ 2 m F车体外表面积，单位为 2 m ，实测 F=4.5 2 m 可将太阳辐射强度化成相当的温度形式，与室外空气温度叠加在一起，构成太阳 辐射表面的综合温度 m t 。 对车身维护结构由太阳辐射和照射热对流换热两部分热 量组成： 应采用对流换热推测式求解，但是由于车速变化范围大，车身外表面复杂， 难以精确计算 ，一般采用近似计算公式： Qt=a（ m t - t0）+（ m t - ti）*F (3- 3) 式中: Qt太阳辐射及太阳照射得热量，单位为 W； a室外空气与日照表面对流放热系数，单位为 W/ 2 m K m t 日照表面的综和温度，单位为C。 K车体围护结构对室内的传热系数，单位为 W/ 2 m K； to车室外设计温度，取为 35C 。 ti车室内设计温度，取为 27C 。 应采用对流换热推测式求解，但是由于车速变化范围大，车身外表面复杂， 难以精确计算 ，一般采用近似计算公式： () 1.163 4 12 w =+ （3- 4） W 是汽车行驶速度，可以采用 40km/h 计算： 代入上式得: a=51.15W/( 2 m k) 12 取 K=4.8 W /（K）, =0.9, I= IG+IS=1040 W, 因为 Q1 =Qt 所以: tm= 0 1 i tKtA I KK + + + （3- 5） 由于室内外温差不大，上式后项近似 t 0，得： 0 10.9*1040 1.154.8 A I t K += + +35=51.73 将各式带入（3- 3）所以可得: Qt =1145.58.77W。 4 玻璃窗渗入的热量 Qb 太阳辐射通过玻璃窗时，一部分被玻璃吸收，提高了玻璃本身的温度，然后通过 温差传热将热量导入车室内，另有大部分热量将通过玻璃直接射入车内，玻璃的 渗入热量是由温差传热和辐射热两部分组成。 *()* bib QbA K ttCA q=+ （3- 6） 上式中， A 玻璃窗面积，A=2.63 2 m K 玻璃窗的传热系数， K=6.4W/( 2 m K)； tb 玻璃外表面温度，取车室外温度，35； ti车室外温度，27 C玻璃窗遮阳系数，C=0.6 非单层玻璃的校正系数， =1 qb 通过单层玻璃的太阳辐射强度 qb = G GSS II+ 单位为（W/）； G 通过玻璃窗的太阳直射透射率，取 = 0.84 S 通过玻璃窗的太阳散射透射率，取 = 0.08 将以上各参数代入（3- 6）式 可得: *()* bib QbA K ttCA q=+ =1465.22W 2.2.5.制冷量的确定 Qg =（Qt + Qb）/70%=（1145.58+1465.22）/0.7=3729.7W 实际冷负荷 13 Qs= kQg=1.053829.7=3916.19 故而，机组取制冷量 Qo=4000W 即可 3.2 电动汽车空调系统压缩机的选配 电动汽车空调系统与传统汽车空调系统最大的差别在于压缩机的不同， 电动 汽车空调的压缩机可以由车载动力电池提高能量， 用调速电机可以根据车内热负 变化调节压缩机转速，控制制冷量输出，使车内温度保持在设定值附近。 电动汽车与传统内燃机汽车的本质区别是驱动能源的不同， 这对空调压缩机 的匹配将带来两个方面的影响：空调压缩机驱动方式的改变；应选用高效节 能的压缩机。这就要求在进行空调压缩机的匹配时，必须对电动汽车的动力系统 结构进行分析，并综合考虑上述两方面的影响，选择合适类型的压缩机及驱动方 案。 3.2.1 驱动方案设计 由于动力源从发动机转变为电源，汽车空调的压缩机驱动也有所不同。考虑 到对空调系统要求尽量仅够紧凑简单，高效节能，低成本，本次设计采用蓄电池 +调速电机+机械压缩机的驱动方案。 这种方案是通过调速电机系统将电能转换为机械能， 然后通过皮带传动方式 驱动机械压缩机工作(图 3 所示)。一般采用直流无刷永磁电机，通过脉宽调制 方法调整电机的转速，改变压缩机的制冷量。且该技术在当今已较为成熟，可以 广泛应用到电动汽车的空调系统当中 图 3- 3 纯电动汽车空调压缩机工作方式 第二章已经介绍过，直流无刷电机是当今世界上一种先进的电子驱动电机， 它采用先进的电子技术， 使之具有普通交流电机和直流有刷电机无可比拟的优越 性能。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 14 高等优点，因此在当今生产、生活各个领域中的应用日益普及。电动汽车留给压 缩机的空间位置有限，只能采用体积较小的电动机。因此本设计选用无刷直流电 机和目前广泛应用的斜盘式压缩机一体化的设计方案。 3.2.2 工作参数匹配工作参数匹配 根据此纯电动轿车的动力系统结构方案，对比各个型号的压缩机，最终采用 的压缩机形式为涡旋式，电机为直流无刷式，在制冷量相同的情况下能耗比普通 压缩机低 50，非常适合电动汽车使用。本文第三章第一节中已计算得出此次 设计的电动汽车冷负荷为 4KW。根据此，压缩机的匹配参数计算如下： 1)循环状态参数确定 测试工况循环与额定工况循环各状态点的压焓值比较如图 4 所示。 根据空调 系统参数及制冷剂特性参数，可以确定上述各循环状态点的参数值（表 1 所示） 。 先设压缩机等熵效率72 . 0 = s 。 图 1 汽车空调系统压焓图 表 1 各循环状态点参数 状态号 参数 单位 数字 注 1 t 1 v1 h1 M 3/kg KJ/kg 10 0.058163 15 357.96 2 2 t 2 h kg kJ 94.3 401.07 2s s t2 s h2 kg kJ 80 389 4 4 t 4 h kg kJ 57 256 5 s x 0.37 0 0 t 0 h kg kJ 0 351.495 2)循环热力计算 单位制冷量： q。=h。- 4 h =95.495 kg kJ （3- 7） 制冷量： Qo=4KW=14400KJ/h 制冷剂循环量： G=Qo/q。 =41.887g/s=150.793kg/h （3- 8） = += s s hh hh 12 12 401.07 kg kJ （3- 9） 单位压缩功： 1 W = 2 h - h1=43.111 kg kJ （3- 10） 压缩功： N= 1 W G=1805.795W 取输气系数=0.7，从而压缩机排量可得： h V = nq QoV o 14 1067 . 1 32.87ml/r （3- 11） 根据上述计算结果，结合三电公司可选择的电动压缩机排量 ，最终选择排 16 量为 33.1ml/r 的电动压缩机 ，具体参数如表 1 所 示。按照这种排量进行反算， 制冷量可达 3.25kW，大于设定值 3kW;符合电动汽车的节能要求 。 表 3-2 全封闭涡旋式电动压缩机参数 制冷剂 R134a 型号 排量 电机种类 外径 长度 重量 SHS-33A 33.1ml/r 无刷直流电机 125mm 265mm 9.8kg 3.2.4 结论结论 1)电动汽车的形式不同，空调压缩机的工作方式也有所不同，应进行具体分 析 。 2)电动空调压缩机高效、节能、制冷量易于调节，是电动汽车空调系统的最 终选择。 3)电动汽车空调压缩机的匹配计算与传统汽车空调压缩机的匹配计算既有相 同之处，也有不同的地方，在系统匹配时应当予以重视 。 17 第四章 电动汽车空调系统的设计 4.1 电动汽车空调系统电动机的匹配 4.1.1 电动汽车空调系统电动机的选型 传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动领域中有着广泛的 应用，但机械电刷却是它的致命弱点。电刷的存在带来了一系列的问题，如存在 机械摩擦、噪声、电火花、无线电干扰及寿命短，再加上它制造成本高及维修困 难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围。 因此本次设计中选用当今在电动汽车空调中应用较为广泛的无刷直流电机。 无刷直流电动机具有调速性能好、体积小、效率高等优点，在很多领域得到了广 泛的应用。转子位置传感器对于无刷直流电动机正常工作具有十分重要的作用， 它为电机的换相提供基本换相信息。但位置传感器存在一定的弊端，不仅增加了 成本 ，增加了电机结构的复杂性，而且由于位置传感器的存在在一些高精度及 环境复杂的场合，位置传感器的信号会受到影响 ，降低系统的性能。无刷直流 电动机采用无位置传感器控制技术后 ， 不但克服了有位置传感器无刷直流 电动 机的的缺点 ，还更进一步地拓宽了其应用领域。电动汽车作为一种无污染 、能 源多样化配置的新型交通工具 ， 正越来越受到社会各界尤其是政府部门的重视， 无刷直流电动机 由于其具有很高的效率和转矩质量比，在电动汽车空调系统 中也将被广泛应用。 4.1.2 无刷直流电机的参数匹配 由上一章中计算所得电动空调系统的冷负荷为 4KW，而目前空调能效比一 般都高于 2.8，因此电机功率选择为 1.2KW 时，可以满足空调制冷要求。参考 现在市场上各型号的直流无刷电机， 本次设计选择电动机具体要求技术参数如下 表所示： 表 4- 3 直流无刷电机参数 直流 无刷 电动机 额定电压 24VDC 电机功率 1.2KW 额定转速 2500rpm 18 最高转速 5000rpm 4.2 空调系统的电源匹配 图中模糊控制器根据温差和误差变化率计算出压缩机应有的转速， 然后由单 片机输出与转速相对 应的不同占空比的脉宽调制（PWM）信号给直流无刷电机，以控制其转速。 最后由直流电机带动压缩机转动。 图 4- 5 电动机模糊控制图 本次设计是以电动轿车为模板，其电池组额定参数如下表所示： 表 4- 4：电动汽车电源参数表 锂离子 电池组 额定电压 348V 额定容量 200Ah 额定功率 200KW 总质量 535kg 由表中参数可以看出锂离子电池组的容量较大，完全可以满足电动轿车驱 动电机的需求。而本设计所选压缩机电机的功率为 1.2 kW，占动力电池功率较 小。因此对轿车动力性影响不大，但要进行 DC- DC 变换，将 348V 直流变成 24V 直流电源。 4.3 冷凝器与蒸发器的选配计算 冷凝器和蒸发器是汽车空调系统中两个重要的部件。 他们的作用是实现两种 不同温度流体之间的热量交换。由于汽车空调系统安装在汽车上，其载荷和空间 要求是极其苛刻的。因此，研究高效率的换热器，紧凑换热器的结构，使之强化 19 传热，降低热阻，提高传热效率，提高单位体积的传热面积。达到小型轻量化的 目的极为重要的，也是有现实意义的。 同时，冷凝器和蒸发器作为汽车空调装置中的两个部件。他们和系统其他部 件之间是相互关联，相互制约。 4.3.1 蒸发器的作用与设计参数 蒸发器的作用是将经过截流降压后的液态制冷剂在蒸发器内沸腾气化， 吸收 蒸发器周围的空气的热量而降温，风机再将冷风吹到车室内，达到降温的目的。 由于汽车车厢内空间小，对空调器的尺寸有很大的限制，为此要求空调器（主要 是蒸发器）具有制冷效率高，尺寸小，重量轻的特点。 蒸发器的设计较核计算: 1.工况参数 进口空气状态参数；干球温度 27、相对温度 51%；出口空气状态参数；干 球温度 12、相对湿度 90%；当地大气压 Pa=101.32KPa，蒸发温度 0，要求制 冷量 Qo=4KW。 2.几何参数选定 选10*0.35 紫铜管、翅片厚 f =0.2mm 的铝片、片距 Sf=2.2mm、横向管中 心距 S1=25mm、管簇正三角形叉排、管排数为 6 根据以上条件进行结构尺寸计算如下： 翅片根部外径： =+= fb dd2 0 10.4mm 翅片管当量直径： = + = )(2 )(4 1 1 ffb ffb eq SdS SdS d 3.51mm 管内经： =2 0 ddi9.3mm 管平均直径： )( 0 ddd im +=/2=9.65mm 单位管长管子平均面积： 20 dmfm=0.030301 2 m /m 单位管长管子内表面积： difi=0.02922 2 m /m 单位管长的翅片面积： 3 2 21 10 ) 4 (2 = f b f S dSS f =0.4148 2 m /m 单位管长管子外表面： 3 10 )( = f Ffb b S Sd f =0.0297 2 m /m 翅化系数： i t f f =15.21 迎风面积比： f bff f SS dSS A A 1 1 min )( = =0.531 （4-1） 3.确定空气在蒸发器内的状态变化过程 由给定的进出风参数查湿空气的焓湿图得出： 1 I =60 kg kJ ； = 2 I32.5 kg kJ ， 1 d =12.3g/kg， 2 d =8.9g/kg 在湿空气的焓湿图上查得参数是 w I =29.0 kg kJ ， w d =7.51g/kg。 在蒸发器中平均焓： w w wm II II II II += 2 1 21 ln =41.6 kg kJ （4- 2） 查图并分析得湿系数 =1.62 4循环空气量计算 3600 21 0 = II Q Gda=523.6kg/h 21 进口状态干空气比容： = + = B a P dTR V )0016 . 0 1 ( 11 1 0.872 2 m /kg 故空气体积流量： = 1 VGV daa 456.79 3 m /h （4- 3） 5空气侧换热系数的计算 （1）空气侧干换热系数 0 a 的计算：取迎面风速 Wf=2.5m/s，翅片沿气流方 向长 L=6 0 1 30cosS=0.1299m，当量直径 eq d=3.51mm0.0035m，最窄处风速 Wmax=4.7m/s. 2 )( 21aa f tt t + =20.3 查的空气特性参数如下：空气运动黏度 f = 6 10 7 . 15 m/s，空气导热系数 2 1052 . 2 = f W/(m.K) 11.37 0035 . 0 1299 . 0 = eq d L ; 3 max 10048 . 1 = f eq ef dW R