汽车空调技术浅析

摘要作为汽车在耗能上的关键零部件，汽车空调在技术上的发展与革新成为了人们关注的焦点。本文根据汽车的发展，介绍目前汽车空调在国内外的发展现状，通过对汽车空调定义的介绍后，对其特点进行分析；再将汽车空调与其他汽车空调的区别列出并进行比较，得出汽车空调在制热方向上的发展趋势。在对汽车空调的制冷技术与制热技术进行介绍后，对其工作原理进行分析；将几种类型的汽车空调系统优缺点进行概括对比后，得出热泵式汽车空调将会是未来的主流加热方案。其低温难启动问题可以使用PTC加热辅助热泵空调工作的方案来解决，这套系统能达到更高效节能的目标。在对汽车空调技术发展进行总结之后，对汽车空调系统的发展趋势进行分析并对汽车空调的发展前景进行预测。关键词：汽车空调；热泵空调系统；PTC加热系统AbstractAsakeycomponentoftheenergyconsumptionofelectricvehicles,thedevelopmentandinnovationofelectricvehicleairconditioningintechnologyhasbecomethefocusofpeople'sattention.AccordingtothedevelopmentofEV,thispaperintroducesthedevelopmentstatusofEVairconditioningathomeandabroad,andanalyzesthecharacteristicsofEVairconditioning,liststhedifferencesandcomparesthedevelopmenttrendofEVairconditioningintheheatingdirection.AfterintroducingtherefrigerationtechnologyandheatingtechnologyofEVs,analyzingtheworkingprinciple,andcomparingtheadvantagesanddisadvantagesofseveraltypes,weconcludethatheatpumpautomobileairconditioningwillbethemainstreamheatingschemeinthefuture.ItslowtemperatureisdifficulttostarttheproblemcanbesolvedbyusingthePTCheatingauxiliaryheatpumpairconditioningworksolution,thissystemcanachievethegoalofmorehighefficiencyandenergysaving.Aftersummarizingthedevelopmentofelectricvehicleairconditioningtechnology,thedevelopmenttrendofelectricvehicleairconditioningsystemisanalyzedandthedevelopmentprospectofelectricvehicleairconditioningispredicted.Keywords:electricvehicleairconditioning;heatpumpairconditioningsystem;PTCheatingsystem

目录TOC\o"1-3"\h\u19225摘要 23291Abstract 321146第一章绪论 5307821.1研究背景与意义 568811.2汽车空调研究现状 6204101.2.1国外研究现状 652701.2.2国内研究现状 611962第二章汽车空调特点分析 6116052.1汽车空调定义及作用 6299182.2汽车空调特点 753522.3汽车空调优缺点 7201662.4汽车空调与传统汽车空调区别 86504第三章汽车空调制冷制热研究 8159333.1汽车空调制冷技术 8146553.1.1蒸汽压缩式制冷 9257643.1.2热电制冷 10169953.2汽车空调制热技术 10107043.2.1PTC热敏电阻加热 11205453.2.2热泵式汽车空调 1327316第四章总结与展望 14179724.1总结 14303584.2发展趋势 1547334.2.1环保化 1557844.2.2智能化 1597374.2.3个性化 16314514.3展望 1612192参考文献 17404致谢 18

第一章绪论1.1研究背景与意义最早的汽车诞生于1886年⑴，距今已超过了100年的历史；但是第一套真正意义上具备调节空气功能的汽车空调系统却直到1925年才出现在美国。对于现代人而言，我们无法想象一辆汽车没有配备汽车空调系统，在寒冷的冬天和炎热的夏天，汽车内没有配备空调恐怕没有任何一个人能够待下去。但在当时，汽车空调并未发明出来，而早期的汽车没有封闭车身自然也不需要调节车内空气与温度，在后面1922年美国哈德逊公司设计出封闭式汽车后，如何让车内环境变得更舒适就变得迫在眉睫了，汽车空调系统也在那之后出现并就此得到发展。早期的汽车空调系统仅具有单一供暖功能，当时人们利用发动机冷却水通过加热的方式来制热，几年之后，这一套制热系统就发展为具有加热器，鼓风机等较为完善的系统。值得注意的式，时至今日，在像北欧这样的寒冷地区；单一供暖系统的汽车空调仍然在使用，并未被淘汰。汽车空调的功能有许多，但我们在生活中最常用的汽车空调功能为制冷和制热。事实上汽车上的制冷功能还要等到1938年之后才发明出来，当时美国人根据电冰箱冷气循环的原理创造出制冷空调。车用空调上拥有机械制冷功能还要追溯到上世纪40年代，美国Packard公司研发空调制冷成功；这也为当今世界汽车空调行业的发展开辟了一条新的道路。美国在上世纪四五十年代才首次出现了冷暖功能合一的汽车空调系统，可以说直到在那时，汽车空调系统才算是真正意义上具备了实时调节汽车室内温度、湿度变化的功能。再往后，自动控温的空调系统也在美国通用公司的凯迪拉克豪华型轿车上出现，数字化显示等功能也接踵而至。值得一提的是，我国的汽车空调系统最早出现在上世纪的70年代早期，当时长春一汽红旗轿车是第一批装备汽车空调系统的汽车。最近几年，关于新能源汽车的话题被炒热，节能环保的理念也切实落实在生活中的方方面面，汽车也由此得到了很快的发展。作为汽车的主要耗能部件，空调系统可以占到汽车总能耗的30%以上区，所以如何使空调系统得到优化也就成为了近年来研究的重中之重。因为车在制冷时都要消耗电池电量，这就需要考验车的续航能力。怎样提高汽车空调的效率，如何让空调的耗能更低也就成为了我们的追求。1.2汽车空调研究现状1.2.1国外研究现状像日本、德国等汽车发展强国，他们在很早的时间就针对纯汽车的空调系统进行研发。经历过PTC加热系统的发展后，在大众、奔驰等车上已经广泛应用了制热效率比较高的热泵式汽车空调系统。1.2.2国内研究现状我国的汽车空调发展较为缓慢，还处于起步阶段；但在近年来的政策推动和提倡之下，汽车空调的发展趋势加快；目前市场上绝大多数纯汽车所搭载的都是蒸汽压缩式空调制冷和PTC电加热供暖型空调系统。在夏季空调制冷时汽车续航里程会降低18%以上，而PTC实际工作中能效比通常低于0.95,极限效率也仅为1，因此冬季制热时续航里程会下降30%或者更多，再加上冬季气温较低时电池容量以及充放电效率会受到很大影响[3]，进一步影响续航里程。因为PTC加热的效率不高，它不是汽车空调在制热上的最优解，为提高汽车空调制热效率，行业内正在发展热泵式空调；它的效率是PTC的一倍以上，但受限于热泵空调的成本，热泵式汽车空调在中国一直未曾得到大面积普及。第二章汽车空调特点分析2.1汽车空调定义及作用汽车空调即汽车空气调节装置，它工作时的核心原理就是热交换，汽车的空调系统通过操纵制冷剂的状态来工作，当制冷剂液体变成气体时，蒸发吸收热量，反之则会释放热量；随着制冷剂的变化，它能从车辆中吸收热量和湿度，也能释放凉爽的空气。我们把能够将车厢内空气加热和制冷，同时能够调节车内湿度，保持通风换气以达到净化空气的装置称为汽车空调。汽车空调的作用就是能在车内温度不适宜的情况下对其进行调整，打开空调后便能调节车内空气；它能调节车内湿度，汽车空调系统能够为乘客和驾驶员提供良好的乘坐环境囹，一套合格的汽车空调能显著减少驾驶员旅途的疲劳。诸如除霜模式等可以为驾驶员提供良好的工作环境，为行车安全保驾护航。2.2汽车空调特点(1)因为追求效率，汽车空调中压缩机的结构普遍采用泵气效率更高的涡旋式压缩机，而非普通空调上采用的斜盘式、曲柄连杆式压缩机。该结构降低了压缩机的噪音，使用寿命更长，转速更高，效率也会更高；这些优势无比契合汽车对于空调的要求。由于压缩机是电力驱动，它采用了全封闭式结构；在抛弃了皮带传动后，没有了皮带打滑带来的风险，使整个空调系统的运行可靠性得到改善。(2)汽车自身的隔热层比较薄，车上门窗多，同时玻璃面积比较大，给汽车的隔热性能带来了影响；对于汽车空调的制热效果提出了很大的挑战。(3)与传统的汽车相同，汽车的空调系统是安装在车架上的。它会收到路面震动输入的影响，因此，其内部的每一个部件都必须具备足够的抗震能力，并且必须具备较好的气密性。(4)对于大部分人而言，汽车只能满足短途出行的需求；因为乘坐时间相对较短，而车内乘客往往占据汽车内部空间的很大一部分，再加上汽车行驶时自身产生的热量，这就需要具有快速冷却和制热功能的车空调。2.3汽车空调优缺点汽车空调的优点就是快速制冷制热，由电能驱动压缩机带来的就是系统能够根据温度实时调整压缩机转速；压缩机既能够按需分配转速，也可以一直保持在最高转速，即使在等车或者汽车低速行驶的时候，也能实现快速制冷或者制热。而燃油车依靠于发动机的皮带轮来带动压缩机做功，这一点也就意味着当发动机转速高，压缩机转速也会相对升高，空调系统制冷效果也会越好；但是当汽车低速行驶时，发动机的转速降低，压缩机做功减少，这时的燃油车空调制冷效果远不如汽车空调。汽车内部在空调膨胀阀前面设置了一个截止阀，这个阀的作用是直接关闭汽车内部空调的运作；当电池的温度过高，迫切需要降温时，控制系统会优先供给冷却来达到制冷降温的目的。电池降温的优先级是在车内空调之前的，也就是说当电池需要降温的情况出现后，车内空调系统是无法正常工作的，传统燃油车空调工作时就不会发生这种情况。汽车空调在耗电方面一直都是老生常谈的问题，在夏季这种情况出现的相对较少，因为我们可以选择打开车窗来散热；但是在冬天，人们对于制热的需求就是近在眼前了。当打开空调制热后，汽车的续航将会出现大幅度下降；尤其是冬天行车的时候，外界环境温度太低，电池的活性下降，双重因素影响之下汽车的续航会下降30%甚至更多，在续航里程这一点上汽车无法和燃油车相比。2.4汽车空调与传统汽车空调区别与汽车空调系统不一样的是，传统燃油车可以通过回收发动机的热量，再将其送入乘客舱中，完成制热；其系统的基本工作原理是：在发动机运转时，冷却水的温度相对较高，冷却水经过系统内的热交换器，由鼓风机输送的空气与引擎的冷却水进行热交换，经过热风处理后再由鼓风机经各出口进入汽车内部。该系统的结构简单，运行稳定，无需任何燃料，只需启动即可提供热的冷却液。这也就决定了汽车在制热上与传统汽车有着巨大差距；而缩小这个差距的方式，会是今后汽车空调的主要发展趋势[习。当汽车空调在制热时的续航里程能够增加，能够有新技术在制热效率方面获得更大的突破；凭借汽车无污染，节能等优点，在未来，汽车的市场将会扩大；而汽车空调将会拥有更广阔的发展前景。第三章汽车空调制冷制热研究3.1汽车空调制冷技术汽车空调最常用的制冷技术式蒸汽压缩式制冷回，这与传统燃油车空调相似；但在汽车空调的发展过程中，出现了以热电制冷空调为代表的新技术。3.1.1蒸汽压缩式制冷纯汽车空调的主要部件包括：压缩机、电冷凝器、节流装置，蒸发器总成等；对于汽车空调而言，蒸汽压缩制冷的方式与传统汽车空调大同小异；二者的不同在于其驱动方式，汽车的空调压缩机是以电机为动力，而燃油车的压缩机是以发动机为动力的。在制冷时，机驱动压缩机，压缩机将蒸发器出口的低温、低压气体制冷剂吸入，压缩成高温、高压的气体制冷剂(蒸汽压缩工艺)罔。然后通过高压管路输送到冷凝器，经过冷凝器进行冷却，制冷剂的压力和温度都会发生变化。但温度的变化会相对明显一些，从而使制冷剂变成液体，并能释放出大量的热量(凝结和释放热量过程)；液体制冷剂也是由高压管线输送到储液干燥器，在干燥器中进行干燥、过滤，将制冷剂中的水分和杂质吸收，再由高压管道流入节流式设备，随着容积的增大，压力和温度迅速降低，中温的液体制冷剂会转变为低温、低压的湿蒸汽(节流式扩张)。从膨胀阀排出的制冷剂，在蒸发器的作用下，会不断地膨胀，蒸发；并吸收汽车车厢内的热量，使其变化为低压、低温的气态制冷剂。在此过程中，会吸收大量的热量囹，使车厢温度下降；蒸发器出口的冷却液吸入压缩机再次进行一次循环。该工艺要求鼓风机持续工作，使车内的冷、热空气对流加快，大大改善了空调的制冷效果。图3.1汽车空调制冷图3.1.2热电制冷热电制冷作为一种制冷新技术，它的基本原理就是温差电现象，当电流通过不同的导体构成回路时，会吸收或放出一定热量如图3.2；当吸收的热量大于接头处产生的热量时，其整体表现为吸收热量，从而达到制冷的效果。因为热电制冷可以根据电流的大小来调节温度，这种调节方式比较精确；想要实现热电制热效果就只需要改变电流的方向。热电空调的体积很小，利于车内空间布置，但是因为热电元件很难获得，热电空调的发展也一直不温不火。图3.2热电制冷原理3.2汽车空调制热技术纯汽车与传统汽车的最大区别是它的压缩机[11],它是的。传统燃油车的发动机皮带带动压缩机旋转并给后续制热循环提供动力，而车辆的空调压缩机是一种电力系统，他们都依靠电机驱动。常见的汽车空调制热方式有空调热泵式制热；PTC热敏电阻加热两种，值得一提的是热泵式汽车空调正在逐渐成为汽车空调系统暖风应用的新潮。传统的汽车空调制热机理比较简单，因为有着发动机的存在，其冷却系统自身会携带大量热量，这些热量足以满足冬季车内的制热需要。纯汽车在机体结构形式上就少采用了发动机，也就意味着纯汽车空调的制热不能依靠发动机冷却水循环系统产生的热量。汽车在缺乏发动机提供能源的影响下,在制热上大多采用热敏电阻加热的形式。汽车空调的制热方式主要有以下几种：1.PTC热敏电阻式加热器；2.热泵式加热。3.2.1PTC热敏电阻加热PTC的全名是“PositiveTemperatureCoefficient”，通常表示与其成正比例的温度系数，通常表示半导体材料或元件的比例较高的温度系数。比如热敏电阻、电热陶瓷材料等，其简称为PTC热敏电阻"I。PTC热敏电阻在通电后能够自动发热并升温，在其温度升高的同时，电阻值也会随之增加(即温度系数为正)。但是，在热敏电阻达到某一特定的温度后，电阻的电阻会快速增大，而其表面的温度也会维持不变。这种现象也使PTC热敏电阻器具备恒温发热的特点，这个特点与周围的环境温度几乎没有关系。(1)PTC电热器工作原理：PTC电热器是采用PTC热敏电阻器的恒温热性能而研制的一种新型的加热元件，它可以做到自动控温并省电，PTC电热器的组成为：PTC元件、铜片、铝散热片。本产品采用PTC热敏陶瓷材料为发热源，采用铝合金波纹板，粘结焊接等工艺制造而成。PTC加热器的安装位置一般为空调暖风加热器的出风口，在我们觉得车内温度不高时，可以通过控制装置打开PTC加热器，在通电后，它会把空调暖风加热器出风口的温度较低的空气进行二次加热，如此便可满足我们的取暖需求；在冬天进行采暖时，PTC电加热器对蓄电池的耗电需求非常大，对于追求续航里程的汽车而言，这不是制热的最优解。但其优点是发热快，很多车辆为了解决汽车刚发动时水温达不到供暖要求的问题，而有的用户追求舒适体验的取暖需求，他们都会选择安装PTC电热器，让汽车内部迅速升温；PTC加热也是相对安全的，因为在加热时PTC热敏电阻器具有恒温的特点，相比较之下安全隐患较小；PTC电阻也相对结实耐用。这些优点也让PTC加热成为了当下汽车空调制热的扛把子。图3.3PTC元件外形图(2)PTC电热器优缺点：汽车空调PTC加热器通常是由空调控制器完成的[12]，它可以根据温度传感器的数据进行调整，从而达到设定温度的目的。PTC电加热系统的效率、出口温度与气流速度关系密切；出口气流速度与发热量成正比，风速越大，发热量也就越大。因此，可结合空调系统风道，设置一个风机让出风口风速更均匀，从而使PTC热敏电阻器的性能得到最大程度的发挥。PTC加热是当前纯汽车中最常用的一种，因为PTC电加热结构并不复杂只有三个元件、热效率高、恒温发热同时造价成本低廉；不过，PTC电加热器对车的消耗实在是太大了，当加热功率增大时，车的续航能力也会有所降低，如图3.3；续航里程在100公里的，使用PTC加热后，续航里程会下降一半多。所以在使用PTC加热时，驾驶员要注意车的续航能力；因为PTC加热需要电池组对热敏电阻供电，这会让锂电池容易产生深度放电，电池在长时间的深度放电后，电池寿命也会下降。在长时间使用PTC电加热器后汽车内部空气湿度会有很大幅度的下降[⑶，这会让车内人员感到不舒适。这两点也决定了PTC加热不会成为汽车空调制热的主流方案，它只适合作为备用方案。目前不少汽车制造商和汽车制造商都将目光转向了热泵技术，热泵式汽车空调在制热时的效率要远高于PTC加热，但是它在低温环境下的工作状况不好，这就有了两者并联的加热方案。环境温度。图3.4PTC加热对续航里程的影响3.2.2热泵式汽车空调热泵式汽车空调的组成与传统的汽车空调及无差别，它主要多了一个换向阀，能够将蒸发器与换热器功能互换；因为热泵空调没有发动机来提供动力来源，其电子压缩机的动力来自于独立式电机，这也就意味着热泵式汽车空调在工作时基本独立在汽车动力系统之外。正如抽水泵可以将较低的水送到更高的地方，热泵型汽车空调也能将低位的热能转移至高位，因为在制冷剂冷凝发热的过程中，在散热片的帮助下，将高温、高压气体制冷剂凝结成液体制冷剂；该工艺会放出大量的热，因此，研究人员在此循环中添加了一个换向阀，从而使蒸发器成为逆向循环的冷凝器，从而产生热量。热泵最开始应用在家具市场上，比如近年来逐渐流行的空气能热水器就是代表；从技术层面来看，热泵空调并非新技术的一种，但是将热泵与汽车空调系统联系到一起还是在2016年左右，汽车空调热泵技术的制热效率很高，有着极为广大的发展前景。(1)热泵式空调定义：热泵空调是一种在冬天可以利用冬季的低温冷气来供热的空调装置，在夏天可以车内热气排出，输送到户外。其特征在于，夏天能冷却降温，冬天能加热。适合在-543。。的温度范围内使用。热泵空调是在常规的空调器结构中，加入了一种四通换向阀。该四通换向阀能够改变阀芯的方向，从而将空调和冷凝器的功能相互替换，使冷气的作用变为对室内的空气进行加热。热泵空调，配有除霜机，保障了行车安全。(2)热泵式空调原理：热泵式空调器的制冷工艺与常规空调器的制冷法类似：在汽车运行时，将低温低压液体制冷剂吸入压缩机(入进。出)，压缩成高温高压的制冷剂蒸汽风，再经四通换向阀进入室外板式换热器 (主机厂一般称为“板换”)，而室外电风扇的吹风会带走室外板式换热器的热量，在这个时候，由于热量被带入车内，制冷剂变成高压的液体，再由过滤器过滤，过滤出多余的水分和杂质，在一定的压力下在蒸发器内蒸发，可在汽车内部吸收大量的热量。同时，通过鼓风机，使室内的空气与换热器的肋条保持一定的热交换，将这个过程中空气得到冷却，并会送入汽车内部。第四章总结与展望4.1总结我国汽车空调的发展较国外而言，才刚刚起步；这也就有着很多的发展问题等待解决。汽车空调相对传统空调在续航里程上是普遍的短板，目前市场上绝大多数纯汽车所搭载的都是蒸汽压缩式空调制冷和PTC电加热供暖型空调系统，制冷对于汽车空调的续航影响没有开启制热时明显，因为冬天的环境温度较低，电池的活性在此影响之下将会下降；双重因素影响之下导致汽车的续航里程大幅下降。为了提升汽车的续航，后面又推出了热泵式汽车空调。相对于PTC电加热系统，热泵空调的效率能提高汽车在制热时的效率，但是它存在低温启动难的问题，于是便有了PTC电加热辅助热泵系统制热的方案；这个方案主要用PTC电加热在低温下使用，热泵则在温度较高时使用。热泵式空调在结构上增加了四通换向阀、换热器、电子膨胀阀、和电磁阀；相比较传统空调，它的结构复杂，成本较高如图4.1，热泵空调的成本比普通汽车空调增加了1000元。这些因素影响了热泵空调的普及，但是业界普遍认为热泵式汽车空调将会是以后的主流发展方向。表4.1热泵空调新增元件成本本文对汽车空调的发展进行了调查研究，首先对汽车空调的定义和作用进行解释，再将汽车空调的工作原理进行了简要说明，同时将汽车空调的制冷与制热循环进行了说明。也对汽车空调的历史进行探究，对于汽车空调主流的两种加热方式进行了探讨，并得出PTC加热可以辅助热泵式空调在低温下的工作。也对汽车空调的发展趋势进行了眺望，这些都使得我对中国的汽车空调发展史有了更深层次的理解，也对汽车空调技术的发展有了自己的理解，对汽车空调的未来发展也有了判断。4.2发展趋势汽车空调将会保持高速的发展速度，在当今政策影响之下，汽车空调势必会向环保化、智能化和个性化等方向发展。4.2.1环保化在进入新世纪之后，环保的话题就一直在被人们提起，当环保的理念落实在汽车上时，如何让汽车更加环保就成为了所有从业者的追求；事实上，让汽车更加节能就会做到环保，对