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)汽車的應(yīng)用

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，并針對具體案例進(jìn)行了計(jì)算和分析，為電動(dòng)汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。

電動(dòng)汽車；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)制熱原理為熱量來源為發(fā)動(dòng)機(jī)余熱，電動(dòng)空調(diào)的熱原理為熱量來自空調(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)來驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)是由永磁直流無刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)［1］。

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

國內(nèi)汽車廠家就從傳統(tǒng)燃油汽車空調(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)汽車空調(diào)的制冷問題，但制冷效率有待提高。由于沒有燃油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的余熱，制熱功能國內(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足制熱效果，但這些加熱模式都是硬消耗電動(dòng)汽車上的蓄電池電能，制熱效率相對較低，影響電動(dòng)汽車的續(xù)行里程［2］-［4］。

國外電動(dòng)汽車空調(diào)發(fā)展相對國內(nèi)來說較成熟，國外電動(dòng)汽車空調(diào)不乏有跟國內(nèi)相似的模式，但在熱泵電動(dòng)汽車空調(diào)上已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，日本本田純電動(dòng)車就采用了電驅(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)車外機(jī)總成，通過散熱，將壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體液化，再流經(jīng)車內(nèi)蒸發(fā)器，通過蒸發(fā)，吸收車外熱量，達(dá)到降溫目的，然后將過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)車內(nèi)加熱器，通過散熱，將壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體液化，通過車外機(jī)的蒸發(fā)，吸收車外熱量，然后將過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車身得熱量來源

（1）夏季車身熱負(fù)荷來源是由于車外溫度高于車內(nèi)，加上太陽輻射的作用，會(huì)有大量熱量通過車壁及車窗玻璃傳人車內(nèi)；

（2）車廂密封性不好，會(huì)有不少熱空氣通過門窗及地板縫隙進(jìn)入車內(nèi)，或人為通入新風(fēng)也會(huì)帶來新風(fēng)熱負(fù)荷；

（3）人體發(fā)出的汗熱和濕熱也會(huì)使得車內(nèi)溫度升高，通過發(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)成了車身冷負(fù)荷。

3.1.2汽車空調(diào)的得熱量及制冷量

汽車空調(diào)設(shè)計(jì)制冷量是通過分別計(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： 汽車空調(diào)設(shè)計(jì)制冷量，單位為W；

QB： 通過車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量，單位為W；

QG： 通過各玻璃表面以對流方式傳入的熱量，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車身外表面所接受的太陽輻射強(qiáng)度

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

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

IN垂直于太陽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 ；

太陽高度角 β=83.5° ；

太陽輻射線在水平面上的投影與車身壁面法線的夾角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.水平面上的太陽直接輻射強(qiáng)度

b.豎直面（車壁面）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（車頂）上的太陽總輻射強(qiáng)度 JZ：

f.豎直面（側(cè)面）上的太陽總輻射強(qiáng)度JS：

g.朝陽面的太陽總輻射強(qiáng)度 I1：

h.背陽面的太陽總輻射強(qiáng)度 I2：

3.1.4車外空氣的綜合溫度tZ

3.1.5車身圍護(hù)結(jié)構(gòu)對流傳熱計(jì)算

車身維護(hù)結(jié)構(gòu)分為三部分：車頂、車身側(cè)面、車地板。

式中

3.1.6通過門窗玻璃傳入的熱量

考慮太陽輻射，傳入的熱量由兩部分組成：

車內(nèi)溫差而傳入的熱量QG1

太陽輻射通過玻璃傳入熱量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

由于該車沒有新風(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汽車空調(diào)的耗熱量及構(gòu)成

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

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

式中：

QH：汽車空調(diào)設(shè)計(jì)耗熱量，單位為W；

Qa： 車身頂部耗熱量，單位為W；

Qb： 玻璃門窗耗熱量，單位為W；

Qc： 車身裙部耗熱量，單位為W；

Qd： 車室內(nèi)地板耗熱量，單位為W；

Qe：冷空氣滲透耗熱量，單位為W；

Qp：車室內(nèi)乘員人體散熱量，單位為W；

Qf： 汽車前風(fēng)窗除霜耗熱量，單位為W；

3.2.3車身頂部耗熱量Qa

冬季時(shí)車內(nèi)空氣溫度，tin=18℃ ；

車內(nèi)頂部溫度，tina=tin+（5～10）=18+8=26℃

冬季時(shí)車內(nèi)空氣溫度，tout= -10℃ ；

3.2.4玻璃門窗耗熱量Qb

3.2.5車身裙部耗熱量Qc，

比較側(cè)圍和前圍的傳入系數(shù)，取

車室內(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，可以滿足性能要求。制熱方面在-10℃以上工況可以滿足制熱性能要求，相比單純用PTC制熱來說，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，以綜合滿足整車-18℃制熱要求。

［1］祁照崗，謝卓，陳江平，等. 汽車空調(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)車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析［J］. 汽車工程，2006，28（8）：763-765.

［3］馬國遠(yuǎn)，史保新. 電動(dòng)汽車熱泵空調(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)知識產(chǎn)權(quán)侵權(quán)及泄密內(nèi)容。可以發(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