電動客車空調的研制

潘振利,黃漢濤

(鄭州科林車用空調有限公司,鄭州450001)

近幾年,我國純電動客車市場發展迅速,研發投入持續提高。國家產業政策也鼓勵純電動客車向產業化方向發展,國內汽車企業、蓄電池企業等新增針對純電動客車投資項目逐漸增多。投資者對純電動客車市場的關注越來越密切,這使得純電動客車市場的發展研究需求增大。

目前,我國研發的純電動客車主要有公交客車和旅游客車。其中純電動公交客車占80%;豪華旅游客車占18%,其它用途市場份額很少占2%。新能源公交客車因為需求主要來自各級政府相關公司,使用環境也更利于新技術的推廣,將受到更大的政策推動,在2年左右的時間內可能將對相關企業產生實際收益。針對此情況,我單位對電動客車空調進行了研制。

1 空調系統的設計

電動客車是指以車載電源為動力,選配合適的車載蓄電池提供電能驅動行駛的客車。由于電池的容量有限,空調系統的能耗對電動客車充電一次后的行程有很大的影響。因此電動客車對空調系統的能耗提出了更高的要求。

由于電動客車沒有發動機,不能像傳統客車那樣通過機械傳動驅動壓縮機,所以必須采用電驅動的壓縮機。壓縮機結構與現行客車上使用的壓縮機不完全相同。同時冬季采暖時無法像傳統空調那樣利用發動機的余熱,要求空調必須具有制熱功能。為了充分降低空調的能耗,需采用容積效率高的制冷劑。

根據電動客車的特點,我單位在充分研究論證的基礎上,開發出了電動客車用變頻冷暖空調系統,機組采取一體化形式,布置于車輛的頂部,安裝時只要提供直流電源即可。系統工作原理如圖1所示。圖中表示出了系統制冷時的流程,制熱時通過四通閥改變制冷劑的流通途經,使蒸發器和冷凝器互換。該系統基于普通的冷暖空調,針對電動客車的使用環境和要求,選配了特殊的空調壓縮機。

圖1 系統工作原理

2 壓縮機的選擇

壓縮機是制冷系統的心臟,壓縮機的性能直接決定系統的性能和經濟性。電動客車空調壓縮機除了需要電力直接驅動外,由于整個空調系統全部頂置,壓縮機的外形尺寸、壓縮機的振動強度都是選定壓縮機的關鍵因素。目前適合電動客車空調的壓縮機有谷輪的ZRH系列,Bitzer的ELH7系列,BOCK的HG系列。其中谷輪的ZRH系列、bitzer的ELH7系列屬于全封式渦旋壓縮機,Bock的HG系列屬于半封式往復活塞壓縮機。全封式渦旋壓縮機相對半封式往復活塞壓縮機而言,具有振動小、噪聲低、效率高、外形尺寸小的特點。基于壓縮機的穩定性,外形尺寸等方面的考慮,我們采用了谷輪的ZRH系列壓縮機。

谷輪柔性渦旋壓縮機具有獨特的優越性,高能效比,低噪聲,高可靠性,低的系統設計成本和運行成本。谷輪基于成熟的壓縮機技術,開發出了適于移動式空調和熱泵應用的臥式渦旋壓縮機,臥式渦旋壓縮機利用了和立式壓縮機相同的技術,并增加了一個正壓式油泵來保證臥式的應用。谷輪臥式渦旋壓縮機同時提供交流變頻壓縮機電機選項,谷輪變頻系列壓縮機能夠精確滿足負荷的變化,可以適應更寬廣的應用范圍。

3 制冷劑的選擇

ZRH系列壓縮機可以使用R134a與R407c制冷劑,由于R407c具有較高的容積制冷量,可以有效減少機組的尺寸,減少機組重量,更適合機組頂置。圖2為ZRH72KJE-TFD壓縮機應用于R134a和R407c時的性能曲線,該曲線基于谷輪壓縮機選型樣本數據繪制,數據測試條件為:

電源:交流三相380V定頻50Hz

冷凝溫度:45℃

回氣過熱度:11.1K

過冷度:8.3K

環境溫度:35℃

可以看出R407c具有明顯的優越性。R407c屬于安全環保制冷劑,安全環保性根據美國標準ANS1/ASHRAE34-1989,對制冷劑的安全性主要考慮毒性和可燃性。R407C是由 R32、R125、R134a組成的非共沸混合工質,低毒不可燃,屬安全性制冷劑。

圖2 ZRH72KJE-TFD應用于R134a和R407c時制冷能力的比較

制冷劑的環保性能主要由兩個重要的環境指標來體現,即臭氧衰減指數ODP和溫室效應指數GWP,R407C的ODP為0,GWP約為0.05。

4 電控系統的設計

根據電動客車的特點以及壓縮機的性能要求,結合本單位空調電控系統的特點,我們開發了一套新的電控系統,系統原理如圖3所示。車輛過來的直流電源到變頻器和直流變換器,變頻器在控制器的控制下將直流電源逆變為電壓和頻率可調的三相交流電驅動壓縮機工作;經過直流變換器調節為24V的直流電源供給蒸發器和冷凝器的風機、以及系統的傳感器使用。電控系統采用變頻技術主要基于降低系統能耗的目的,同時便于系統以后的升級,在條件成熟時空調系統使用的風機也做成變頻調速的。變頻系統根據車廂內的溫度,控制變頻器輸出頻率可調的交流電,使壓縮機實現無級調速,不但能有效節約能源,減輕車載電源的負荷;還能穩定車廂內溫度的波動,營造舒適的車廂環境。

圖3 電控系統的原理

本電控系統具有以下特點:

1)采用變頻技術,控制器根據車內負荷的變化自動調節制冷量,實現節能,穩定溫度波動的目的。

2)柔性啟動壓縮機,降低啟動電流,減少啟動電流對電源的沖擊,同時保護壓縮機。

3)系統的交流直流分開控制,即保持了系統的簡單使用,又避免了相互之間的干擾。

5 系統的安全防護

由于電動客車的特殊性,電源電壓高達600V DC,空調系統不但要保證正常運行時較高的安全性,還要防止特殊情況下的安全性。系統的絕緣保護相當重要。本空調系統的防護等級達到IP55,可滿足空調全天候下各種環境使用要求。系統對高壓電源電路、變頻器、調壓器、電器件作了加強絕緣,絕緣性能達到F級,各器件與空調外殼間的耐電壓＞3500V AC。設置了有效的接地保護,一旦意外情況下出現接地,系統馬上自動切斷高壓電源。

6 結論

筆者所在單位研制的空調系統具有外形美觀、節能環保,安裝方便的特點。

由于電動客車本身還處于發展研究階段,配套的空調系統也處于起步階段,隨著電動客車技術的不斷成熟,技術標準的逐漸完善。電動客車空調也會逐步繁榮發展。

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