李雋杰，宋立濤，雋春玲

（1.總裝備部車船軍代局駐南京地區(qū)軍代室，江蘇 南京 210037；2.西安電子科技大學(xué)；3.總裝備部車船軍代局駐西安地區(qū)軍代室，陜西 西安 710043；4.西安昆侖汽車電子有限公司，陜西 西安 710043）

電動汽車空調(diào)與采暖系統(tǒng)的設(shè)計與參數(shù)匹配

李雋杰1，宋立濤2，3，雋春玲4

（1.總裝備部車船軍代局駐南京地區(qū)軍代室，江蘇 南京 210037；2.西安電子科技大學(xué)；3.總裝備部車船軍代局駐西安地區(qū)軍代室，陜西 西安 710043；4.西安昆侖汽車電子有限公司，陜西 西安 710043）

針對電動汽車的空調(diào)和采暖系統(tǒng)進行理論設(shè)計和參數(shù)匹配，并對電動空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件進行合理選型，提高電動汽車的舒適性，有效地減少能量消耗。

電動空調(diào)；變頻器；電動汽車；PTC；采暖

1 電動汽車的空調(diào)與采暖系統(tǒng)

電動汽車使用電池作為驅(qū)動動力，使得它的空調(diào)與采暖系統(tǒng)也不同于燃油汽車；由于作為驅(qū)動動力的電池容量有限，空調(diào)與采暖系統(tǒng)的能耗對電動汽車充電一次后的行程有很大的影響。同燃油汽車相比，對電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的能耗提出了更高的要求。

電動汽車和傳統(tǒng)燃油汽車的空調(diào)、采暖系統(tǒng)區(qū)別在于：電動汽車沒有用來采暖的發(fā)動機余熱，不能提供作為汽車冬天采暖用的熱源，必須自身具有供暖的功能，即電加熱系統(tǒng)；壓縮機需要采用電機直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)上與現(xiàn)有的壓縮機形式不完全相同。用來給空調(diào)與采暖系統(tǒng)提供動力的電池主要用來驅(qū)動汽車，其能量消耗對汽車每充一次電的行程影響很大。如果電動汽車仍采用現(xiàn)有能效比較低的空調(diào)系統(tǒng)，這就意味著增加電池的制造成本或是降低電動汽車的驅(qū)動性能指標(biāo)。

電動汽車的空調(diào)與采暖系統(tǒng)構(gòu)成和布置方案如圖1所示?？紤]到高壓電安全和電能的損耗，將電動壓縮機和變頻器盡可能布置在電池的附近，壓縮機由獨立的電機進行驅(qū)動，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)制冷負荷發(fā)生變化時，可通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速來控制制冷劑流量，進而控制空調(diào)系統(tǒng)制冷量，使室內(nèi)溫度控制更加準(zhǔn)確，并降低了系統(tǒng)能量消耗。當(dāng)需要取暖時，接通PTC加熱器回路，PTC加熱器恒溫發(fā)熱，超過一定的溫度（居里溫度）時，隨著溫度的升高它的電阻值陡增，也就是說PTC加熱器的功率將突然降低到最小值，使溫度回到其居里溫度以下，起到節(jié)能的效果。

2 空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)主要部件選型

電動汽車空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)主要由電動壓縮機、電動壓縮機控制器、冷凝器（包括冷凝風(fēng)機）、蒸發(fā)器、膨脹閥和管路系統(tǒng)形成一個封閉的系統(tǒng)。電動空調(diào)制冷循環(huán)簡圖見圖2。電驅(qū)動系統(tǒng)和電動空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)如圖3所示。

制冷劑在蒸發(fā)器中與駕駛室內(nèi)部空氣進行熱交換后，氣化成低溫低壓蒸氣后進入電動壓縮機，被壓縮機壓縮后，溫度和壓力升高，然后進入冷凝器，高溫制冷劑蒸氣與外界空氣進行熱交換，被冷卻后成為液體，經(jīng)過干燥儲液罐干燥過濾后，離開冷凝器的制冷劑變成高溫高壓液體流經(jīng)膨脹閥后，降低壓力和溫度，成為由氣體和液體組成的混合物，再進入蒸發(fā)器，吸收蒸發(fā)器周圍物體的熱量，使它的溫度降低。如此周而復(fù)始完成制冷循環(huán)。

電動汽車對電動壓縮機的要求首先是效率高，然后是結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、成本低、噪聲低，能在各種氣候下工作。另外，電動空調(diào)壓縮機采用電機直接驅(qū)動，對壓縮機高轉(zhuǎn)速性能也有較高要求。

2.1 壓縮機形式確定

對于渦旋式壓縮機來說，其原理是利用動、靜渦旋片的相對公轉(zhuǎn)運動形成閉死容積的連續(xù)變化，實現(xiàn)壓縮制冷的目的。這種壓縮機無吸、排氣閥，因此工作可靠、壽命長，容積效率高，吸排氣連續(xù)，氣流脈動小，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，且轉(zhuǎn)矩變化均勻。更為關(guān)鍵的是：相比其它形式的壓縮機，可節(jié)能30%，噪聲降低1／3，具有節(jié)能環(huán)保的亮點。作為目前空調(diào)活塞式壓縮機的換代產(chǎn)品，應(yīng)用在電動空調(diào)上有其它壓縮機不可替代的優(yōu)勢。基于渦旋式壓縮機的種種優(yōu)勢，采用其作為電動空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機。

2.2 壓縮機驅(qū)動電機形式確定

在電動空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機中，由于充滿了制冷劑蒸氣，而有刷電機的電刷及換向器在電機轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生火花、碳粉，容易釀成危險，且電刷及換向器容易磨損，故不用有刷電機。

無刷直流電機具有結(jié)構(gòu)簡單、無換相火花、調(diào)速性能好、運行可靠、效率高等優(yōu)點，在當(dāng)今生產(chǎn)生活各個領(lǐng)域中的應(yīng)用非常普及。直流無刷電機與傳統(tǒng)直流電機的基本特性相一致，具有一般直流低價的運行效率高、起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣和機械特性為線性等優(yōu)點，又具有交流電機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維修方便等特點。因此電動空調(diào)壓縮機驅(qū)動電機選用直流無刷電機。

3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計計算與參數(shù)匹配

3.1 設(shè)計參數(shù)

設(shè)定在7月中旬上海地區(qū)以30km／h的速度向正南方向行駛，駕駛室內(nèi)空氣干球溫度27℃，相對濕度50%，乘員1人。車內(nèi)空氣流速0.3m／s；人均通風(fēng)換氣量11m3／h，駕駛室內(nèi)部容積3.84m3。設(shè)計條件見表1。

表1 設(shè)計條件

3.2 車身熱負荷計算

3.2.1 車身壁面的傳熱Q1

不考慮太陽輻射熱影響時，在穩(wěn)定傳熱條件下，其傳熱量Q可表達為

式中：K——傳熱系數(shù)；F——傳熱面積，m2；tH——車外溫度，℃；tB——車內(nèi)溫度，℃。

式中：αH——車外放熱系數(shù)，W／（m2·K）。

式中：v——車速，m／s。

αB為內(nèi)表面放熱系數(shù)（車內(nèi)空氣自然循環(huán)時，取αB=31；車內(nèi)空氣強制循環(huán)時，取αB=29），單位為W／（m2·K）。RD為隔熱層熱阻。

式中：δi——隔熱材料厚度，m；λi——隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m2·K）。

以側(cè)圍為例進行計算，鋼板：δ1=0.001m，λ1= 48.5W／（m2·K）；聚氨酯發(fā)泡：δ2=0.003m，λ2=0.03 W／（m2·K），代入式（4），得到RD側(cè)≈0.1。

將v=8.33m／s，代入式（3），得到αH側(cè)=44.93 W／（m2·K）。

將RD側(cè)≈0.1，αH側(cè)=44.93W／（m2·K），αB=29代入式（2），得到K側(cè)=6.38W／（m2·K）。

而人造革的λ=0.04W／（m2·K），同理，得到K地= 6.56W／（m2·K），K頂=4.10W／（m2·K），K后=6.38W／（m2·K）。

將tH=40℃，tB=27℃，K側(cè)=6.38W／（m2·K），F(xiàn)= 2.56m2代入式（1），得到Q1側(cè)=424.66W。

同理可得Q1地=177.38W，Q1頂=89.54W，Q1后= 97.87W。則Q1=Q1側(cè)+Q1地+Q1頂+Q1后=789.45W。

3.2.2 太陽熱輻射時車身壁面的傳熱Q2

事實上，由于太陽輻射，將使車內(nèi)壁面溫度升高很多，此部分熱量Q2也將傳入車內(nèi)，構(gòu)成車身熱負荷之一。其傳熱量Q可表達為

式中：K——傳熱系數(shù)；F——傳熱面積，m2；ρ——車身外表面吸收系數(shù)，與表面顏色、新舊、粗糙度有關(guān)，本車ρ選取為0.1；αH——車外放熱系數(shù)，W／（m2·K）；I——太陽總的輻射強度，對于車頂和車身側(cè)面，由于太陽入射角的不同，輻射強度是不相同的，I頂=688W／m2，I側(cè)=550W／m2，I后=313 W／m2，而對于地板來說，太陽熱輻射可以忽略。

將相應(yīng)的參數(shù)代入式（6），得到Q2側(cè)=39.99W，Q2頂=10.55W，Q2后=5.24W。則Q2=Q2側(cè)+Q2頂+Q2后= 55.78W。

3.2.3 車內(nèi)外溫差通過門窗玻璃傳入的熱量Q3

車內(nèi)外溫差通過門窗玻璃傳入的熱量Q3表達式為

式中：F——傳熱面積，m2；tH——車外溫度，℃；tB——車內(nèi)溫度，℃；K——玻璃的傳熱系數(shù)，W／（m2·K）。

取K玻=0.754，則Q3側(cè)窗=20.09W，Q3前窗=10.86W，Q3后窗=8.5W。于是，Q3=Q3側(cè)窗+Q3前窗+Q3后窗=39.45W。

3.2.4 太陽熱輻射時通過門窗玻璃傳入的熱量Q4

汽車中午向正南方向行駛，前窗為朝陽面，其太陽輻射強度為I=688W／m2，左右側(cè)窗按I=550W／m2，后窗按I=313W／m2計算，則Q4的表達式為

式中：η——太陽輻射透入系數(shù)，η=0.84；ρ——玻璃對太陽輻射熱的吸收系數(shù)，一般取ρ=0.08；S——遮陽修正系數(shù)，取S=0.93；U——車窗的輻射量；αB——內(nèi)表面放熱系數(shù)（車內(nèi)空氣強制循環(huán)時，取αB=29），W／（m2·K）；αH——車外放熱系數(shù)，W／（m2·K）。

把以上參數(shù)代入式（8），則Q4前=684.61W，Q4側(cè)= 1012.48W，Q4后=262.34W。于是，Q4=Q4前+Q4側(cè)+Q4后= 1959.43W。

3.2.5 其它熱負荷Q5

其它熱負荷如人體散發(fā)的熱量QP和漏風(fēng)傳入駕駛室的熱量QT。QP=116N，N為乘員數(shù)，本車乘員為1，所以QP=116W。QT=200W（估值），那么Q5=QP+ QT=316W。

3.2.6 汽車駕駛室熱負荷Qe

上述熱負荷之和構(gòu)成汽車駕駛室熱負荷Qe，那么Qe=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=789.45+55.78+39.45+1959.43+ 316=3160.11W。

3.3 空調(diào)系統(tǒng)制冷負荷Q計算

空調(diào)系統(tǒng)制冷負荷至少要與汽車駕駛室熱負荷達到熱平衡，其表達式為

a為儲備系數(shù)，一般取1～1.2，本設(shè)計取1.2，代入式（9）中，則Q=1.2×3160.11=3792.13W。

3.4 空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)匹配

確定空調(diào)系統(tǒng)工況，并根據(jù)所確定的工況條件得出其熱力循環(huán)壓焓圖，如圖4所示，圖4中線段1—2表示壓縮過程，2—3—4表示冷凝過程，4—5表示節(jié)流膨脹過程，5—0表示蒸發(fā)過程。

根據(jù)汽車空調(diào)計算工況，并參考電動壓縮機總成技術(shù)條件，確定熱力循環(huán)的計算工況：冷凝溫度62℃，蒸發(fā)溫度-1℃，過熱度10℃，過冷度0℃。

根據(jù)該計算工況，由公式（10）可以得到該空調(diào)系統(tǒng)的等熵效率ηi

式中：T0——蒸發(fā)溫度，K；TK——冷凝溫度，K；t0——蒸發(fā)溫度，℃；b——常數(shù)，取0.0025。

本空調(diào)系統(tǒng)制冷劑采用R134a，根據(jù)其熱力性質(zhì)壓焓圖查得各工況點參數(shù)，如表2所列。

表2 各工況點熱力學(xué)參數(shù)

根據(jù)表2的工況點熱力學(xué)參數(shù)，計算空調(diào)系統(tǒng)的基本參數(shù)：單位制冷量q0=h0-h4=106.04kJ／kg；單位制冷量qk=h2-h4=164.38kJ／kg；制冷劑循環(huán)量G= Qe／q0=29.80；冷凝器熱負荷Qk=Gqk=4898.52W；單位壓縮功W=h2-h1=49.08kJ／kg；壓縮機壓縮功N= WG=1462.58W；壓縮機總效率ηe=ηi×ηm=0.81×0.94= 0.76，ηm為機械效率，取0.94；壓縮機軸功率Ne= N／ηe=1924.45W；制冷系數(shù)（COP）ε=Qe／Ne=1.64。

式中：Q——空調(diào)系統(tǒng)制冷負荷，W；v1—狀態(tài)1下的比容，m3／kg；n——壓縮機轉(zhuǎn)速，r／min；λ——輸氣系數(shù)，一般取0.8～0.95，本計算取0.9；q0——單位制冷量，kJ／kg。

根據(jù)式（11），計算出滿足該熱力循環(huán)的電動壓縮機、冷凝器的相關(guān)參數(shù)，見表3。

表3 電動壓縮機、冷凝器的相關(guān)參數(shù)

分析表3和圖5結(jié)果可知，電動壓縮機功率、冷凝器熱負荷與壓縮機轉(zhuǎn)速無關(guān)，其排量隨著轉(zhuǎn)速增大而減小，轉(zhuǎn)速在3000～4000r／min區(qū)間，電動壓縮機的排量趨于平緩，變化范圍不大。因此選用南京奧特佳一體式ATC-E26型電動壓縮機，功率為2kW，額定電壓320V，額定電流6.5A，啟動電流12A，壓縮機排量50mL／r，其實物如圖6所示。冷凝器熱負荷6kW、蒸發(fā)器熱負荷4kW，即可滿足設(shè)計要求。

3.5 空調(diào)系統(tǒng)變頻器的匹配

電動汽車空調(diào)系統(tǒng)使用變頻器直接驅(qū)動壓縮機的電動機，所引起的能耗特性與傳統(tǒng)汽車的能耗特性的不同點主要有：①變頻器自身存在較大的能量損耗（如正向損耗、開關(guān)損耗和恢復(fù)損耗）；②變頻器輸出的非正弦波形電壓帶來的電氣諧波損耗和機械運動諧波引起的機械脈動損耗。

變頻器容量的選擇必須遵循：①變頻器的額定電流大于電動機的額定電流；②變頻器1.5倍額定電流需大于電動機的啟動電流；③變頻器的功率大于1.2倍電動機的啟動功率。因此，I變≥max{I機，I啟／1.5}，即I變≥max{6.5A，8A}；P變≥1.2×P機，即P變≥2.4kW。

所選變頻器額定功率為3kW，型號為DJC3K300—M，輸入電壓范圍DC 400～600V，輸出電壓DC 320V。實物如圖7所示。

4 空調(diào)系統(tǒng)的舒適度評價

空調(diào)系統(tǒng)的舒適度是一個模糊量，其主要評價指標(biāo)有：溫度、濕度和風(fēng)速。圖8所示的ASHRAE舒適線圖（由美國空調(diào)冷凍空氣調(diào)和工程學(xué)會制作）是被常采用的方法之一。圖8中陰影部分是夏季感到舒適的范圍，該空調(diào)的設(shè)計指標(biāo)覆蓋其中，達到良好的制冷效果。

5 PTC采暖系統(tǒng)設(shè)計與參數(shù)匹配

該車PTC采暖系統(tǒng)使用的裝置為PTC材質(zhì)帶式空氣預(yù)熱器。該空氣預(yù)熱器具有節(jié)能、過熱自動控溫及缺風(fēng)自動（最高溫時）保護功能，有較高的安全性。實物如圖9所示。

5.1 PTC材質(zhì)采暖系統(tǒng)特性

PTC熱敏陶瓷具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)體功能陶瓷，主要有兩個特性：即電阻-溫度特性和電流-時間特性。

1）PTC元件的電阻-溫度特性指在規(guī)定的測量電壓下，元件的功率電阻值與其電阻體溫度之間的關(guān)系，如圖10所示。

Tc居里溫度：它是PTC半導(dǎo)瓷相變的開始點，一般為PTC元件Rmin二倍阻值時所對應(yīng)的溫度點。Tmax最大溫度：元件可達到的最高溫度。Tp最大工作溫度：工作范圍內(nèi)的上限溫度。Tmin最小溫度：元件（正常）呈現(xiàn)最小電阻時的溫度。T25標(biāo)準(zhǔn)室溫：25℃。

Rmax最大電阻：元件達到最高溫度時的電阻。Rp最大工作電阻：上限工作溫度所對應(yīng)的電阻。Rmin最小電阻：元件（正常）可呈現(xiàn)的最小電阻。

2）PTC元件的電流-時間特性指當(dāng)PTC元件兩端加上額定電壓工作時，流過元件的電流I與時間t之間的關(guān)系，如圖11所示。

PTC效應(yīng)：PTC元件在達到居里溫度Tc之前，電阻隨著溫度的升高而下降；當(dāng)溫度處在居里溫度到最大工作溫度之間時，電阻隨溫度的升高而顯著增大。

5.2 PTC采暖系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

在1月中旬上海地區(qū)，將車輛靜態(tài)置于室外溫度為-7℃的環(huán)境，為使駕駛室內(nèi)空氣干球溫度達到16℃，相對濕度30%；乘員為1人。車內(nèi)空氣流速0．3m／s；人均通風(fēng)換氣量11m3／h，駕駛室內(nèi)部容積3.84m3。

為了使駕駛室在一定時間內(nèi)達到規(guī)定的溫度，需要PTC產(chǎn)生一定的熱量滿足駕駛員的需求，其需求熱量為

式中：CP——空氣質(zhì)量定壓熱容，kJ／kg·K，取1.009（溫度在-10～20℃之間）；ρ——空氣的密度，kg／m3；V——駕駛室內(nèi)部容積，m3；Td——駕駛室達到的設(shè)計溫度，℃；Ta——環(huán)境溫度，℃。

將各個參數(shù)代入式（12），得到Q=114.96kJ。

鑒于PTC元件的上述特性，因此PTC采暖系統(tǒng)的功率也在發(fā)生動態(tài)變化，而從環(huán)境溫度達居里溫度的時間非常短，可以忽略，近似認為穩(wěn)態(tài)工作電流為其最大值的一半。所以PTC采暖系統(tǒng)的功率必須滿足以下條件才能滿足采暖需要。

式中：Q——駕駛室從環(huán)境溫度升到設(shè)計溫度時從外界吸收的熱量，kJ；t——駕駛室從環(huán)境溫度升到設(shè)計溫度時需要的時間，s。

若PPc≥0.96kW（此功率為在電流為I0／2狀態(tài)下計算），其變頻器額定電壓為320V，可知I0min=6A，PPcmin=1920W，因此選用額定電壓為320V，額定功率為2kW的PTC加熱器給駕駛室提供取暖熱源。

6 結(jié)束語

通過實車實際環(huán)境的測試，空調(diào)的設(shè)計參數(shù)能為空調(diào)系統(tǒng)提供足夠的制冷量，電動汽車選用PTC采暖，制熱速度快，效果明顯。據(jù)此所選擇的空調(diào)與采暖系統(tǒng)，經(jīng)過整車初步驗證合理。

［1］曹中義.電動汽車電動空調(diào)系統(tǒng)分析研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

［2］方貴銀，李輝.汽車空調(diào)技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［3］陳芝久.制冷系統(tǒng)熱動力學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998.

［4］汽車工程手冊——設(shè)計篇［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［5］陳沛霖，岳孝方.空調(diào)與制冷技術(shù)手冊［M］.上海：同濟大學(xué)出版社，1990.

（編輯習(xí)習(xí)）

Design and Parameter Matching of Air Conditioning and Heating System for EV

LIJun-jie1，SONGLi-tao2，3，JUANChun-ling4
（1.Military Representative Office of General Armaments Department of PLA Stationed in Nanjing，Nanjing 210037，China；2.Military Representative Office of General Armaments Department of PLA Stationed in Xi’an，Xi’an 710043，China

Theory design and parameter matching for air conditioning and heating system for EV have been elaborated. The types of key part of cooling cycle system of electric air conditioner are selected to improve comfort performance and reduce energy consumption effectively.

electric air conditioner；transducer；EV（Electric Vehicle）；PTC；heating

U463.851

A

1003－8639（2014）06－0004－05

2013-10-08；

2013-10-14

李雋杰（1971-），男，陜西綏德人，高級工程師，主要從事電動汽車的研究論證工作；宋立濤（1978-），男，陜西藍田人，工程師，在讀博士，主要從事電動汽車的研究論證工作和汽車及零部件可靠性研究；雋春玲（1969-），女，工程師，TS16949內(nèi)審員，從事汽車電子電器零部件品質(zhì)管理工作。