盧俊宇、孫人杰（東北大學(xué)秦皇島分校控制工程學(xué)院、秦皇島066003　東風(fēng)汽車(chē)股份有限公司商品研發(fā)院、武漢430057）

空調(diào)熱泵技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用

盧俊宇、孫人杰
（東北大學(xué)秦皇島分?？刂乒こ虒W(xué)院、秦皇島066003東風(fēng)汽車(chē)股份有限公司商品研發(fā)院、武漢430057）

本文比較分析了空調(diào)熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的區(qū)別，探討了空調(diào)熱泵技術(shù)的循環(huán)原理，并針對(duì)具體案例進(jìn)行了計(jì)算和分析，為電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。

電動(dòng)汽車(chē)；空調(diào)熱泵；應(yīng)用分析

盧俊宇

東北大學(xué)秦皇島分?？刂乒こ虒W(xué)院在讀 ，專(zhuān)業(yè)為：機(jī)械工程。

1　技術(shù)背景

1.1電動(dòng)空調(diào)與傳統(tǒng)空調(diào)差別

電動(dòng)空調(diào)與傳統(tǒng)空調(diào)差別主要體現(xiàn)在制熱方面。傳統(tǒng)空調(diào)制熱原理為熱量來(lái)源為發(fā)動(dòng)機(jī)余熱，電動(dòng)空調(diào)的熱原理為熱量來(lái)自空調(diào)本身產(chǎn)生的熱源。壓縮機(jī)的差別在于傳統(tǒng)壓縮機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)是由永磁直流無(wú)刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)［1］。

1.2國(guó)內(nèi)外目前電動(dòng)空調(diào)的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)汽車(chē)廠家就從傳統(tǒng)燃油汽車(chē)空調(diào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行部分替換設(shè)計(jì)，將燃油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的壓縮機(jī)替換成直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，控制上相應(yīng)改變，來(lái)完成空調(diào)制冷的功能，目前替換設(shè)計(jì)效果基本能解決電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)的制冷問(wèn)題，但制冷效率有待提高。由于沒(méi)有燃油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的余熱，制熱功能?chē)?guó)內(nèi)廠家目前主要采用PTC加熱和電熱管加熱，這些加熱模式雖能滿(mǎn)足制熱效果，但這些加熱模式都是硬消耗電動(dòng)汽車(chē)上的蓄電池電能，制熱效率相對(duì)較低，影響電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)行里程［2］-［4］。

國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)發(fā)展相對(duì)國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)較成熟，國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)不乏有跟國(guó)內(nèi)相似的模式，但在熱泵電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)上已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，日本本田純電動(dòng)車(chē)就采用了電驅(qū)動(dòng)熱泵式空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)中內(nèi)置了一個(gè)反換流器控制壓縮泵。此外，在特別寒冷的地區(qū)使用時(shí)，部分車(chē)型顧客可以選裝一個(gè)燃油加熱器采暖系統(tǒng)［5］-［6］。

2　方案原理

2.1制冷循環(huán)原理

制冷系統(tǒng)采用電動(dòng)壓縮機(jī)方案，由電磁閥控制制冷劑的流向，將加熱器側(cè)制冷劑截止，流經(jīng)車(chē)外機(jī)總成，通過(guò)散熱，將壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體液化，再流經(jīng)車(chē)內(nèi)蒸發(fā)器，通過(guò)蒸發(fā)，吸收車(chē)外熱量，達(dá)到降溫目的，然后將過(guò)熱蒸汽再回流到壓縮機(jī)，形成一個(gè)制冷循環(huán)。由于此時(shí)，車(chē)外機(jī)散熱=壓縮機(jī)功耗+蒸發(fā)器吸熱，電動(dòng)壓縮機(jī)可以通過(guò)控制轉(zhuǎn)速，達(dá)到最佳效率點(diǎn)，可以獲得較高的制冷效率，系統(tǒng)中系統(tǒng)最佳匹配后，制冷量可以達(dá)到輸入功率的2.0倍以上，從而以最小能耗，達(dá)到最大限度制冷目的。

2.2熱泵制熱循環(huán)原理

制熱系統(tǒng)采用熱泵方案，由電磁閥控制改變制冷劑的流向，將蒸發(fā)器側(cè)制冷劑截止，流經(jīng)車(chē)內(nèi)加熱器，通過(guò)散熱，將壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體液化，通過(guò)車(chē)外機(jī)的蒸發(fā)，吸收車(chē)外熱量，然后將過(guò)熱蒸汽再回流到壓縮機(jī)，形成一個(gè)熱泵循環(huán)。由于此時(shí)，加熱器散熱=壓縮機(jī)功耗+室外機(jī)吸熱，因此車(chē)內(nèi)加熱器可以獲得高效率的采暖所需的熱量，系統(tǒng)中系統(tǒng)最佳匹配后，制熱量可以達(dá)到輸入功率的3倍以上，從而以最小能耗，達(dá)到最大限度制熱目的。

3　系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計(jì)算與分析

3.1系統(tǒng)冷負(fù)荷計(jì)算-穩(wěn)態(tài)傳熱

3.1.1車(chē)身得熱量來(lái)源

（1）夏季車(chē)身熱負(fù)荷來(lái)源是由于車(chē)外溫度高于車(chē)內(nèi)，加上太陽(yáng)輻射的作用，會(huì)有大量熱量通過(guò)車(chē)壁及車(chē)窗玻璃傳人車(chē)內(nèi)；

（2）車(chē)廂密封性不好，會(huì)有不少熱空氣通過(guò)門(mén)窗及地板縫隙進(jìn)入車(chē)內(nèi)，或人為通入新風(fēng)也會(huì)帶來(lái)新風(fēng)熱負(fù)荷；

（3）人體發(fā)出的汗熱和濕熱也會(huì)使得車(chē)內(nèi)溫度升高，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)室也會(huì)傳人部分熱量；

（4）同時(shí)還有地面發(fā)射熱傳人等等，這些熱量之和就構(gòu)成了車(chē)身冷負(fù)荷。

3.1.2汽車(chē)空調(diào)的得熱量及制冷量

汽車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)制冷量是通過(guò)分別計(jì)算各部分得熱量求得。

QT=QB+QG+QP+QA+QE+QF+QS

QO=kQT

式中：

QT：總熱量，單位為W；

QO： 汽車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)制冷量，單位為W；

QB： 通過(guò)車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量，單位為W；

QG： 通過(guò)各玻璃表面以對(duì)流方式傳入的熱量，單位為W；

QP： 乘員散發(fā)的熱量，單位為W；

QA： 由通風(fēng)和密封性泄露進(jìn)入車(chē)內(nèi)的熱量，單位為W；

QE： 發(fā)動(dòng)機(jī)室傳入的熱量，單位為W；

QF： 通風(fēng)系統(tǒng)中傳入的熱量，單位為W；

QS：車(chē)內(nèi)電器散發(fā)的熱量，單位為W；

K ：修正系數(shù)，可取k=1.05～1.15，這里取k=1.1；

3.1.3車(chē)身外表面所接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度

計(jì)算時(shí)，假定汽車(chē)向正南方向行使時(shí)，前窗和右側(cè)窗為朝陽(yáng)面，后窗和左側(cè)窗為背陽(yáng)面。相關(guān)計(jì)算參數(shù)如下：

I0太陽(yáng)常數(shù)（是地球在日地平均距離處與太陽(yáng)光垂直的大氣上界單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)所接收的所有波長(zhǎng)太陽(yáng)輻射的總能量），這里取I=1353W/m2；0

IN垂直于太陽(yáng)光線平面上的直接輻射強(qiáng)度，單位W/m2；

I=I Pm=1353×0.71.0065=1353×0.698=944.9W/m2；

N0

大氣透明率 P=0.7 ；

太陽(yáng)高度角 β=83.5° ；

太陽(yáng)輻射線在水平面上的投影與車(chē)身壁面法線的夾角θ=22.5°

由上訴計(jì)算參數(shù)，可得下列各個(gè)面的直接輻射強(qiáng)度，如下：

a.水平面上的太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度

b.豎直面（車(chē)壁面）上的直接輻射強(qiáng)度

c.水平面上的天空散射輻射強(qiáng)度 JP，S

d.豎直面上的天空散射輻射強(qiáng)度 JC，S：

JC，S=0.5 JP，S=67.65

e.水平面（車(chē)頂）上的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度 JZ：

f.豎直面（側(cè)面）上的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度JS：

g.朝陽(yáng)面的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度 I1：

h.背陽(yáng)面的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度 I2：

3.1.4車(chē)外空氣的綜合溫度tZ

3.1.5車(chē)身圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)流傳熱計(jì)算

車(chē)身維護(hù)結(jié)構(gòu)分為三部分：車(chē)頂、車(chē)身側(cè)面、車(chē)地板。

式中

3.1.6通過(guò)門(mén)窗玻璃傳入的熱量

考慮太陽(yáng)輻射，傳入的熱量由兩部分組成：

車(chē)內(nèi)溫差而傳入的熱量QG1

太陽(yáng)輻射通過(guò)玻璃傳入熱量QG2

QG=QG1+QG2=84.5+1058=1142W

3.1.7室外空氣帶入熱

室外進(jìn)入的空氣主要是新風(fēng)和漏風(fēng)兩部分QA=QA1+QA2。

室外新風(fēng)帶入熱量QA1

漏入空氣帶入的熱量QA2

QA=QA1+QA2=607.4+364.4=971.8W

3.1.8乘員散熱負(fù)荷計(jì)算

QP司機(jī)人體散熱：170W

q 室內(nèi)乘員：1

QS乘員散熱：108W

n 集群數(shù)：0.89

3.1.9由前圍或發(fā)動(dòng)機(jī)室傳入的熱量

由于汽車(chē)行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)表面的風(fēng)速一般僅有外面的2/3左右，

F=0.3m2

前圍

QE=KEFE（tE-ti）=3.66×0.3×（38-25）=14W

3.1.10設(shè)備散熱及照明產(chǎn)生的熱負(fù)荷計(jì)算QS（含 QF）

其中按照經(jīng)驗(yàn)取Q1= 100W

QT=QB+QG+QP+QA+QE+QF+QS

=319.4+1142+266+971.8+14+60=2773.2W

QO=kQT=1.1×2565.3=2911W

由于該車(chē)沒(méi)有新風(fēng)要求，故QO=kQT=1.1× （2273.2-607.4）=2382W

取整后制冷量 QO= 2400W

3.2熱負(fù)荷計(jì)算-穩(wěn)態(tài)傳熱

3.2.1汽車(chē)空調(diào)的耗熱量及構(gòu)成

汽車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)采暖量是通過(guò)分別計(jì)算各部分耗熱量求得。

QH=Qa+Qb+Qc+Qd+Qe+Qp+Qf

式中：

QH：汽車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)耗熱量，單位為W；

Qa： 車(chē)身頂部耗熱量，單位為W；

Qb： 玻璃門(mén)窗耗熱量，單位為W；

Qc： 車(chē)身裙部耗熱量，單位為W；

Qd： 車(chē)室內(nèi)地板耗熱量，單位為W；

Qe：冷空氣滲透耗熱量，單位為W；

Qp：車(chē)室內(nèi)乘員人體散熱量，單位為W；

Qf： 汽車(chē)前風(fēng)窗除霜耗熱量，單位為W；

3.2.3車(chē)身頂部耗熱量Qa

冬季時(shí)車(chē)內(nèi)空氣溫度，tin=18℃ ；

車(chē)內(nèi)頂部溫度，tina=tin+（5～10）=18+8=26℃

冬季時(shí)車(chē)內(nèi)空氣溫度，tout= -10℃ ；

3.2.4玻璃門(mén)窗耗熱量Qb

3.2.5車(chē)身裙部耗熱量Qc，

比較側(cè)圍和前圍的傳入系數(shù)，取

車(chē)室內(nèi)地板耗熱量Qd

3.2.6冷空氣滲透耗熱量Qe

3.2.7汽車(chē)前風(fēng)窗除霜耗熱量Qf

在純回風(fēng)的情況下，按風(fēng)量與所載制冷量的比例關(guān)系1：9～10，除霜風(fēng)量，

4　結(jié)論

電泵空調(diào)系統(tǒng)在制冷方面由于原理和傳統(tǒng)空調(diào)原理一致，可以滿(mǎn)足性能要求。制熱方面在-10℃以上工況可以滿(mǎn)足制熱性能要求，相比單純用PTC制熱來(lái)說(shuō)，可以節(jié)約60%以上的能耗。但目前由于壓縮機(jī)在-10℃以下環(huán)境溫度時(shí)的低溫效率、可靠性等等問(wèn)題熱泵技術(shù)需要結(jié)合低溫時(shí)PTC的輔助加熱，以綜合滿(mǎn)足整車(chē)-18℃制熱要求。

［1］祁照崗，謝卓，陳江平，等. 汽車(chē)空調(diào)熱泵系統(tǒng)可行性分析［C］// 上海市制冷學(xué)會(huì)二〇〇五年學(xué)術(shù)年會(huì). 2005.

［2］謝卓，陳江平，陳芝久. 電動(dòng)車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析［J］. 汽車(chē)工程，2006，28（8）：763-765.

［3］馬國(guó)遠(yuǎn)，史保新. 電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究［J］. 低溫工程，2000（4）：40-44.

［4］彭慶紅，杜群貴. 電動(dòng)客車(chē)變頻熱泵空調(diào)系統(tǒng)及其性能的試驗(yàn)研究［J］. 流體機(jī)械，2013（12）：65-69.

［5］周光輝，陳杰，陳通，等. 電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)低溫供熱實(shí)驗(yàn)研究［J］. 低溫與超導(dǎo)，2015（3）：42-45.

［6］李麗，魏名山，彭發(fā)展，等. 電動(dòng)汽車(chē)用熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)［J］. 制冷學(xué)報(bào)，2013，34（3）：60-63.

專(zhuān)家推薦

鄧耀文：

該論文論點(diǎn)、論據(jù)明確，思路清晰，理論分析正確。文章中未發(fā)現(xiàn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)侵權(quán)及泄密內(nèi)容?？梢园l(fā)表。

Deat Pump Air Conditioning Technology Applied in Electrical Vehicle

LU Jun-yu，SUN Ren-jie
（Northeastem University in Qinhuangdao Controi Engineering College Qinhuangdao 066003 DongFeng Automobile Co.Ltd. wuhan 430057，China ）

In this paper，the difference between heat pump air condition system and traditional air condition system was comparative discussed. Then the working principles of refrigeration cycle were introduced. Finally a calculation case was operated and analyzed，which provided a reference for the design of heat pump air conditioning system applied for electrical vehicle.

Electrical Vehicle； Heat Pump Air Conditioning； Application Analysis

2016-05-30

TH122

A

1005-2550（2016）04-0095-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.04.018