基于正六面半導體純電動汽車空調

趙志宏 龐宏磊

摘 要：以半導體單元為制冷制熱元件，采用氣-液半導體系統作為純電動汽車的制冷制熱系統，通過兩個正六面體換熱器實現雙溫區控制，利用改變通入半導體單元的電流方向實現制冷制熱互換，控制簡單方便，采用強制水冷系統為半導體單元工作時散熱，增加制冷功率和效果，采用模糊-PID控制實現空調的自動控制，達到對其制冷制熱的精確控制。解決了現有純電動汽車無內燃機，無法為壓縮機式空調提供直接機械動力源，無法通過內燃機冷卻水系統為壓縮機式空調提供制暖熱源的問題。

關鍵詞：半導體;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]。現有純電動汽車內部沒有發動機、加熱裝置，在需要制熱時，必需通過電阻加熱來滿足車內需求，導致電能耗費，影響續航里程，制熱效果也不令人滿意。國外電動汽車空調方面，采用電驅動熱泵式空調系統，如日本本田純電動汽車，系統內通過設置反換流控制壓縮泵來實現制冷制熱[2]。有部分汽車廠家在傳統燃油車空調基礎上進行改進，將燃油發動機帶動的壓縮機用直流電動機直接驅動，但制冷效果不理想。也有采用半導體制熱制冷的熱電空調技術，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系統比較

目前純電動汽車空調一般采用以下三種，即壓縮機式制冷空調、熱泵式空調、熱電式空調。傳統壓縮機式制冷空調的制冷系統主要由壓縮機、冷凝器、節流閥和蒸發器構成[5]。這種傳統壓縮機制冷式汽車空調，用在內燃機車上，空壓機通過內燃機帶動，把內燃機機械能轉化為空壓機機械能，能耗傳遞效率為0.95左右，制冷系數在1.5-2之間。但若應用在純電動汽車上，電能轉換為機械能，能耗轉化效率為0.44，制熱需另加設備。熱泵式空調，根據熱量傳遞只能從高溫物體→低溫物體的熱量傳遞原理，采用逆循環壓迫方式進行熱量傳遞，工作原理圖如圖2所示[6]。其結構復雜，難以維修，制冷系數在1.5-2之間。熱電式空調，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，主要由半導體元件，換熱器，冷卻系統，鼓風機，溫控元件。電動轉化為制冷制熱量[7，8，9]。冷效率只有壓縮機制冷效率的50%左右，只能在小體積和微型化上比傳統壓縮機制冷有較好表現。其在溫度小于0℃的環境下換熱器結霜，系統無法在寒冷地區使用，如我國高緯度地區[10，11]。

2 正六面體半導體空調

正六面體半導體空調系統主要由換熱器、半導體單元、接線柱、鼓風機、半導體水箱、散熱器、散熱風扇和冷卻水泵構成。其工作原理如圖1所示。

圖1（a）中，把一P型半導體元件和一N 型半導體元件連成熱電偶，接通電源，半導體單元的上端產生冷源，并將冷源傳遞至換熱器，將鼓風機鼓入換熱器的空氣制冷，通入汽車內部，下端產生的熱源被半導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），當電流方向相反時，可以實現冷熱端互換。換熱器若采用正六面體結構，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量，可靠性高、壽命長、維護方便，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，半導體空調正六面體結構設計更為優化，節省空間和質量。

3 制冷制熱試驗

本文從制冷制熱兩方面進行試驗，對提出的正六面體半導體空調系統制冷制熱進行分析。

制冷試驗，車速為0，處在靜止狀態，測試時間為30分鐘，環境溫度為39℃，相對濕度為63%，日照強度為1200瓦/m2，車外交換器表面風速為4.0m/s，壓縮機轉速保持在3000-5000轉/秒，車內風機風量為400m3/h，進行測試。制冷30分鐘后，出風口溫度≤12℃，回風口溫度≤28℃，車內平均溫度≤26℃。在壓縮機轉速為3000-5000r/min變化時，壓縮機轉速大小對出風口溫度具有一定影響，如圖3所示。車內風機風量在360-450m3/h變化，出風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，發動機轉速從3000r/m開始運行時，出風溫度為11.5℃，當發動機轉速升到5000r/m時，出風口溫度下降到8.7℃左右。同時，車內送風量從剛開始的370m3/h上升到450m3/h，出風溫度從7.5℃上升到10.25℃左右。總體來看，正六邊形半導體空調系統制冷效果可以接受。

制熱試驗，所需時間較長，測試50分鐘后，車內的平均溫度變化情況。外界環境溫度為-5℃，在持續制熱40分鐘過后，車內平均氣溫可以達到15℃，前席足部溫度≥18℃，后席足部溫度≥10℃。排氣溫度和回風溫度變化曲線如圖5、6所示。圖5、6所示排氣溫度和回風溫度變化曲線中，可以看出，空調系統制熱40分鐘后，排氣溫度從7℃上升到接近63℃，回風溫度從零下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勢。

4 總結

本文提出一種采用正六面體半導體電流方向來實現系統制熱與制冷，總結出適用于純電動汽車的制冷制熱方法，在實驗環境下獲得制冷制熱的節能高效，相比現在大多數純電動汽車上使用的傳統空調制冷和電加熱設備制熱裝置，可以節約30%左右的空調制造成本和維修成本。

參考文獻：

[1]潘仕瑯.電動汽車空調系統制冷量的計算分析[J/OL].中國戰略新興產業.http：//h-s.doi.org.niit.vpn358.com/10.19474/j.cnki.10-1156/f.006779.

[2]陳景亮，李凱強，李宇威.電動汽車熱泵空調系統實驗研究[J].電子測試，2018（18）：32+30.

[3]鄭思宇，魏名山，宋盼盼.電動汽車熱泵空調發展概述[J].重慶理工大學學報（自然科學），2018，32（08）：14-23.

[4]吳會麗，李俊峰.R410A制冷劑在電動汽車熱泵空調中的應用研究[J].家電科技，2018（07）：51-53.

[5]王帆.電動汽車空調壓縮機控制系統設計[D].武漢理工大學，2015.

[6]許林林.新能源汽車電動空調壓縮機驅動器的研究[D].福建農林大學，2014.

[7]胡楊，李夔寧，劉彬，譚文林.基于氨工質的新型電動汽車空調系統性能研究[J].制冷與空調（四川），2018，32（03）：221-226.

[8]曹云波.基于ADVISOR純電動汽車電動空調模塊開發及仿真分析[D].吉林大學，2009.

[9]曹中義.電動汽車電動空調系統分析研究[D].武漢理工大學，2008.

[10]陳觀生，史保新，馬國遠.電動汽車空調壓縮機的試驗研究[J].廣東工業大學學報，2000（02）：11-14.

[11]張磊.電動汽車空調多溫區控制系統設計[J].汽車與駕駛維修（維修版），2018（03）：119-120.