基于正六面半導(dǎo)體純電動汽車空調(diào)

趙志宏 龐宏磊

摘 要：以半導(dǎo)體單元為制冷制熱元件，采用氣-液半導(dǎo)體系統(tǒng)作為純電動汽車的制冷制熱系統(tǒng)，通過兩個正六面體換熱器實現(xiàn)雙溫區(qū)控制，利用改變通入半導(dǎo)體單元的電流方向?qū)崿F(xiàn)制冷制熱互換，控制簡單方便，采用強(qiáng)制水冷系統(tǒng)為半導(dǎo)體單元工作時散熱，增加制冷功率和效果，采用模糊-PID控制實現(xiàn)空調(diào)的自動控制，達(dá)到對其制冷制熱的精確控制。解決了現(xiàn)有純電動汽車無內(nèi)燃機(jī)，無法為壓縮機(jī)式空調(diào)提供直接機(jī)械動力源，無法通過內(nèi)燃機(jī)冷卻水系統(tǒng)為壓縮機(jī)式空調(diào)提供制暖熱源的問題。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體;純電動汽車;正六面體;制冷;制熱

0 緒論

目前，純電動汽車作為一種新能源汽車，普遍受到用戶的青睞[1]。現(xiàn)有純電動汽車內(nèi)部沒有發(fā)動機(jī)、加熱裝置，在需要制熱時，必需通過電阻加熱來滿足車內(nèi)需求，導(dǎo)致電能耗費，影響續(xù)航里程，制熱效果也不令人滿意。國外電動汽車空調(diào)方面，采用電驅(qū)動熱泵式空調(diào)系統(tǒng)，如日本本田純電動汽車，系統(tǒng)內(nèi)通過設(shè)置反換流控制壓縮泵來實現(xiàn)制冷制熱[2]。有部分汽車廠家在傳統(tǒng)燃油車空調(diào)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將燃油發(fā)動機(jī)帶動的壓縮機(jī)用直流電動機(jī)直接驅(qū)動，但制冷效果不理想。也有采用半導(dǎo)體制熱制冷的熱電空調(diào)技術(shù)，但效率較低，不容易被電動車接受[3，4]。

1 幾種純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)比較

目前純電動汽車空調(diào)一般采用以下三種，即壓縮機(jī)式制冷空調(diào)、熱泵式空調(diào)、熱電式空調(diào)。傳統(tǒng)壓縮機(jī)式制冷空調(diào)的制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器構(gòu)成[5]。這種傳統(tǒng)壓縮機(jī)制冷式汽車空調(diào)，用在內(nèi)燃機(jī)車上，空壓機(jī)通過內(nèi)燃機(jī)帶動，把內(nèi)燃機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為空壓機(jī)機(jī)械能，能耗傳遞效率為0.95左右，制冷系數(shù)在1.5-2之間。但若應(yīng)用在純電動汽車上，電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，能耗轉(zhuǎn)化效率為0.44，制熱需另加設(shè)備。熱泵式空調(diào)，根據(jù)熱量傳遞只能從高溫物體→低溫物體的熱量傳遞原理，采用逆循環(huán)壓迫方式進(jìn)行熱量傳遞，工作原理圖如圖2所示[6]。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以維修，制冷系數(shù)在1.5-2之間。熱電式空調(diào)，通過改變電流方向來獲得制熱制冷效果，且熱電制冷片熱慣性小，制冷時間短，主要由半導(dǎo)體元件，換熱器，冷卻系統(tǒng)，鼓風(fēng)機(jī)，溫控元件。電動轉(zhuǎn)化為制冷制熱量[7，8，9]。冷效率只有壓縮機(jī)制冷效率的50%左右，只能在小體積和微型化上比傳統(tǒng)壓縮機(jī)制冷有較好表現(xiàn)。其在溫度小于0℃的環(huán)境下?lián)Q熱器結(jié)霜，系統(tǒng)無法在寒冷地區(qū)使用，如我國高緯度地區(qū)[10，11]。

2 正六面體半導(dǎo)體空調(diào)

正六面體半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)主要由換熱器、半導(dǎo)體單元、接線柱、鼓風(fēng)機(jī)、半導(dǎo)體水箱、散熱器、散熱風(fēng)扇和冷卻水泵構(gòu)成。其工作原理如圖1所示。

圖1（a）中，把一P型半導(dǎo)體元件和一N 型半導(dǎo)體元件連成熱電偶，接通電源，半導(dǎo)體單元的上端產(chǎn)生冷源，并將冷源傳遞至換熱器，將鼓風(fēng)機(jī)鼓入換熱器的空氣制冷，通入汽車內(nèi)部，下端產(chǎn)生的熱源被半導(dǎo)體水箱中的冷卻水吸收，通過冷卻水泵將水注入散熱器中，由散熱風(fēng)扇將熱量排到車廂外。制熱時，電流方向是P-N，溫度上升，并且放熱，形成熱端，如圖1（b），當(dāng)電流方向相反時，可以實現(xiàn)冷熱端互換。換熱器若采用正六面體結(jié)構(gòu)，體積更小，制冷量更大，制冷效果更好，效果圖如圖2所示。熱電元件工作時僅需12V直流電源、改變電流方向即可產(chǎn)生制冷、制熱逆效果，改變電流大小即可改變制冷制熱量，體積小、重量輕、有利于減小電動汽車的整備質(zhì)量，可靠性高、壽命長、維護(hù)方便，因沒有傳動部件，所以無振動、無噪聲且耐沖。直流電控制制冷片制冷量大小，控制方式更精確，半導(dǎo)體空調(diào)正六面體結(jié)構(gòu)設(shè)計更為優(yōu)化，節(jié)省空間和質(zhì)量。

3 制冷制熱試驗

本文從制冷制熱兩方面進(jìn)行試驗，對提出的正六面體半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)制冷制熱進(jìn)行分析。

制冷試驗，車速為0，處在靜止?fàn)顟B(tài)，測試時間為30分鐘，環(huán)境溫度為39℃，相對濕度為63%，日照強(qiáng)度為1200瓦/m2，車外交換器表面風(fēng)速為4.0m/s，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速保持在3000-5000轉(zhuǎn)/秒，車內(nèi)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為400m3/h，進(jìn)行測試。制冷30分鐘后，出風(fēng)口溫度≤12℃，回風(fēng)口溫度≤28℃，車內(nèi)平均溫度≤26℃。在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3000-5000r/min變化時，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速大小對出風(fēng)口溫度具有一定影響，如圖3所示。車內(nèi)風(fēng)機(jī)風(fēng)量在360-450m3/h變化，出風(fēng)口的溫度變化曲線如圖4所示。

通過對圖3 和4 分析可以看出，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從3000r/m開始運行時，出風(fēng)溫度為11.5℃，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升到5000r/m時，出風(fēng)口溫度下降到8.7℃左右。同時，車內(nèi)送風(fēng)量從剛開始的370m3/h上升到450m3/h，出風(fēng)溫度從7.5℃上升到10.25℃左右。總體來看，正六邊形半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)制冷效果可以接受。

制熱試驗，所需時間較長，測試50分鐘后，車內(nèi)的平均溫度變化情況。外界環(huán)境溫度為-5℃，在持續(xù)制熱40分鐘過后，車內(nèi)平均氣溫可以達(dá)到15℃，前席足部溫度≥18℃，后席足部溫度≥10℃。排氣溫度和回風(fēng)溫度變化曲線如圖5、6所示。圖5、6所示排氣溫度和回風(fēng)溫度變化曲線中，可以看出，空調(diào)系統(tǒng)制熱40分鐘后，排氣溫度從7℃上升到接近63℃，回風(fēng)溫度從零下2.5℃上升到接近25℃。比較燃油汽車制熱，顯然不足。但比較其他幾種純電動汽車而言，制熱效果仍具有明顯的優(yōu)勢。

4 總結(jié)

本文提出一種采用正六面體半導(dǎo)體電流方向來實現(xiàn)系統(tǒng)制熱與制冷，總結(jié)出適用于純電動汽車的制冷制熱方法，在實驗環(huán)境下獲得制冷制熱的節(jié)能高效，相比現(xiàn)在大多數(shù)純電動汽車上使用的傳統(tǒng)空調(diào)制冷和電加熱設(shè)備制熱裝置，可以節(jié)約30%左右的空調(diào)制造成本和維修成本。

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