電動汽車空調與采暖系統的設計與參數匹配

李雋杰，宋立濤，雋春玲

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

電動汽車空調與采暖系統的設計與參數匹配

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軍代室，江蘇 南京 210037；2.西安電子科技大學；3.總裝備部車船軍代局駐西安地區軍代室，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和采暖系統進行理論設計和參數匹配，并對電動空調制冷循環系統關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；變頻器；電動汽車；PTC；采暖

1 電動汽車的空調與采暖系統

電動汽車使用電池作為驅動動力，使得它的空調與采暖系統也不同于燃油汽車；由于作為驅動動力的電池容量有限，空調與采暖系統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，對電動汽車空調系統的能耗提出了更高的要求。

電動汽車和傳統燃油汽車的空調、采暖系統區別在于：電動汽車沒有用來采暖的發動機余熱，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；壓縮機需要采用電機直接驅動，結構上與現有的壓縮機形式不完全相同。用來給空調與采暖系統提供動力的電池主要用來驅動汽車，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有能效比較低的空調系統，這就意味著增加電池的制造成本或是降低電動汽車的驅動性能指標。

電動汽車的空調與采暖系統構成和布置方案如圖1所示。考慮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動，當空調系統制冷負荷發生變化時，可通過調節電機轉速來控制制冷劑流量，進而控制空調系統制冷量，使室內溫度控制更加準確，并降低了系統能量消耗。當需要取暖時，接通PTC加熱器回路，PTC加熱器恒溫發熱，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，起到節能的效果。

2 空調制冷循環系統主要部件選型

電動汽車空調制冷循環系統主要由電動壓縮機、電動壓縮機控制器、冷凝器（包括冷凝風機）、蒸發器、膨脹閥和管路系統形成一個封閉的系統。電動空調制冷循環簡圖見圖2。電驅動系統和電動空調制冷循環系統如圖3所示。

制冷劑在蒸發器中與駕駛室內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，再進入蒸發器，吸收蒸發器周圍物體的熱量，使它的溫度降低。如此周而復始完成制冷循環。

電動汽車對電動壓縮機的要求首先是效率高，然后是結構緊湊、質量輕、成本低、噪聲低，能在各種氣候下工作。另外，電動空調壓縮機采用電機直接驅動，對壓縮機高轉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運動形成閉死容積的連續變化，實現壓縮制冷的目的。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，氣流脈動小，運轉平穩，且轉矩變化均勻。更為關鍵的是：相比其它形式的壓縮機，可節能30%，噪聲降低1／3，具有節能環保的亮點。作為目前空調活塞式壓縮機的換代產品，應用在電動空調上有其它壓縮機不可替代的優勢。基于渦旋式壓縮機的種種優勢，采用其作為電動空調系統的壓縮機。

2.2 壓縮機驅動電機形式確定

在電動空調系統的壓縮機中，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動時會產生火花、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構簡單、無換相火花、調速性能好、運行可靠、效率高等優點，在當今生產生活各個領域中的應用非常普及。直流無刷電機與傳統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、起動轉矩大、調速范圍廣和機械特性為線性等優點，又具有交流電機的結構簡單、運行可靠、維修方便等特點。因此電動空調壓縮機驅動電機選用直流無刷電機。

3 空調系統設計計算與參數匹配

3.1 設計參數

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

表1 設計條件

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，在穩定傳熱條件下，其傳熱量Q可表達為

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

式中：αH——車外放熱系數，W／（m2·K）。

式中：v——車速，m／s。

αB為內表面放熱系數（車內空氣自然循環時，取αB=31；車內空氣強制循環時，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——隔熱材料導熱系數，W／（m2·K）。

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

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

將RD側≈0.1，αH側=44.93W／（m2·K），αB=29代入式（2），得到K側=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=6.38W／（m2·K），F= 2.56m2代入式（1），得到Q1側=424.66W。

同理可得Q1地=177.38W，Q1頂=89.54W，Q1后= 97.87W。則Q1=Q1側+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，將使車內壁面溫度升高很多，此部分熱量Q2也將傳入車內，構成車身熱負荷之一。其傳熱量Q可表達為

式中：K——傳熱系數；F——傳熱面積，m2；ρ——車身外表面吸收系數，與表面顏色、新舊、粗糙度有關，本車ρ選取為0.1；αH——車外放熱系數，W／（m2·K）；I——太陽總的輻射強度，對于車頂和車身側面，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=550W／m2，I后=313 W／m2，而對于地板來說，太陽熱輻射可以忽略。

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

3.2.3 車內外溫差通過門窗玻璃傳入的熱量Q3

車內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——車內溫度，℃；K——玻璃的傳熱系數，W／（m2·K）。

取K玻=0.754，則Q3側窗=20.09W，Q3前窗=10.86W，Q3后窗=8.5W。于是，Q3=Q3側窗+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，η=0.84；ρ——玻璃對太陽輻射熱的吸收系數，一般取ρ=0.08；S——遮陽修正系數，取S=0.93；U——車窗的輻射量；αB——內表面放熱系數（車內空氣強制循環時，取αB=29），W／（m2·K）；αH——車外放熱系數，W／（m2·K）。

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

3.2.5 其它熱負荷Q5

其它熱負荷如人體散發的熱量QP和漏風傳入駕駛室的熱量QT。QP=116N，N為乘員數，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 空調系統制冷負荷Q計算

空調系統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，一般取1～1.2，本設計取1.2，代入式（9）中，則Q=1.2×3160.11=3792.13W。

3.4 空調系統參數匹配

確定空調系統工況，并根據所確定的工況條件得出其熱力循環壓焓圖，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表示節流膨脹過程，5—0表示蒸發過程。

根據汽車空調計算工況，并參考電動壓縮機總成技術條件，確定熱力循環的計算工況：冷凝溫度62℃，蒸發溫度-1℃，過熱度10℃，過冷度0℃。

根據該計算工況，由公式（10）可以得到該空調系統的等熵效率ηi

式中：T0——蒸發溫度，K；TK——冷凝溫度，K；t0——蒸發溫度，℃；b——常數，取0.0025。

本空調系統制冷劑采用R134a，根據其熱力性質壓焓圖查得各工況點參數，如表2所列。

表2 各工況點熱力學參數

根據表2的工況點熱力學參數，計算空調系統的基本參數：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（COP）ε=Qe／Ne=1.64。

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

根據式（11），計算出滿足該熱力循環的電動壓縮機、冷凝器的相關參數，見表3。

表3 電動壓縮機、冷凝器的相關參數

分析表3和圖5結果可知，電動壓縮機功率、冷凝器熱負荷與壓縮機轉速無關，其排量隨著轉速增大而減小，轉速在3000～4000r／min區間，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、蒸發器熱負荷4kW，即可滿足設計要求。

3.5 空調系統變頻器的匹配

電動汽車空調系統使用變頻器直接驅動壓縮機的電動機，所引起的能耗特性與傳統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、開關損耗和恢復損耗）；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 空調系統的舒適度評價

空調系統的舒適度是一個模糊量，其主要評價指標有：溫度、濕度和風速。圖8所示的ASHRAE舒適線圖（由美國空調冷凍空氣調和工程學會制作）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，該空調的設計指標覆蓋其中，達到良好的制冷效果。

5 PTC采暖系統設計與參數匹配

該車PTC采暖系統使用的裝置為PTC材質帶式空氣預熱器。該空氣預熱器具有節能、過熱自動控溫及缺風自動（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材質采暖系統特性

PTC熱敏陶瓷具有正溫度系數的導體功能陶瓷，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系，如圖10所示。

Tc居里溫度：它是PTC半導瓷相變的開始點，一般為PTC元件Rmin二倍阻值時所對應的溫度點。Tmax最大溫度：元件可達到的最高溫度。Tp最大工作溫度：工作范圍內的上限溫度。Tmin最小溫度：元件（正常）呈現最小電阻時的溫度。T25標準室溫：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的電阻。Rmin最小電阻：元件（正常）可呈現的最小電阻。

2）PTC元件的電流-時間特性指當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之間的關系，如圖11所示。

PTC效應：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采暖系統設計參數

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

為了使駕駛室在一定時間內達到規定的溫度，需要PTC產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——駕駛室內部容積，m3；Td——駕駛室達到的設計溫度，℃；Ta——環境溫度，℃。

將各個參數代入式（12），得到Q=114.96kJ。

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

式中：Q——駕駛室從環境溫度升到設計溫度時從外界吸收的熱量，kJ；t——駕駛室從環境溫度升到設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 結束語

通過實車實際環境的測試，空調的設計參數能為空調系統提供足夠的制冷量，電動汽車選用PTC采暖，制熱速度快，效果明顯。據此所選擇的空調與采暖系統，經過整車初步驗證合理。

［1］曹中義.電動汽車電動空調系統分析研究［D］.武漢：武漢理工大學，2008.

［2］方貴銀，李輝.汽車空調技術［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［3］陳芝久.制冷系統熱動力學［M］.北京：機械工業出版社，1998.

［4］汽車工程手冊——設計篇［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［5］陳沛霖，岳孝方.空調與制冷技術手冊［M］.上海：同濟大學出版社，1990.

（編輯習習）

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內審員，從事汽車電子電器零部件品質管理工作。