新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的設計

徐文清

摘 要：傳統(tǒng)汽車正朝著新能源汽車快速轉型發(fā)展，空調(diào)作為駕乘舒適性功能的基本要求，也勢必會隨著新能源汽車發(fā)展而發(fā)展，從空調(diào)技術的發(fā)展和工作效率來說，熱泵型空調(diào)系統(tǒng)良好的工作性能將成為重要的發(fā)展趨勢。本文主要從熱泵型空調(diào)系統(tǒng)技術、系統(tǒng)零部件設計選型、試驗驗證、發(fā)展趨勢等方面進行總結和介紹。

關鍵詞：新能源汽車;熱泵型空調(diào);設計選型

0 概要

新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)需要兼顧供熱、制冷、除霜、動力系統(tǒng)熱管理、空氣品質及舒適性控制等多項汽車重要功能，成為整車可靠性、安全性和舒適性的重要手段，如何提升新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)設計質量將成為空調(diào)研發(fā)工程師的首要研究課題。

1 熱泵式汽車空調(diào)系統(tǒng)技術

（1）汽車空調(diào)系統(tǒng)是指在空調(diào)正常運轉過程中采用電動壓縮機來驅動，能源供應方式是獨立的，利用汽車所配備的電池為壓縮機和系統(tǒng)驅動電機提供電力支持，保證汽車空調(diào)系統(tǒng)正常工作。熱泵式空調(diào)系統(tǒng)技術主要是通過對熱泵技術進行應用，實現(xiàn)對汽車內(nèi)部的制熱供暖，理論上能夠達到3倍以上的制熱能效比，切合新能源汽車的發(fā)展趨勢，并且熱泵式空調(diào)系統(tǒng)的驅動方式是電動壓縮機，具有獨立的能源提供方式。

（2）熱泵型汽車空調(diào)系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)空調(diào)結構形式復雜，如圖1所示，熱泵型空調(diào)在傳統(tǒng)空調(diào)的基礎上增加了電子膨脹閥、電磁閥、室內(nèi)冷凝器、氣液分離器等部件，系統(tǒng)布局更加復雜，夏季制冷時電磁閥1開2關，冬季制熱時電磁閥1關2開。

（3）熱泵型空調(diào)系統(tǒng)冬季室外換熱器結霜，化霜成為不得不考慮的問題，目前常用的方式有四種：逆循環(huán)化霜，短時間運行夏季制冷模式;熱氣旁通化霜，通過旁通將壓縮機排氣引導室外換熱器;電加熱化霜，在室外換熱器上布置加熱絲;蓄能化霜，在熱氣旁通基礎上增加蓄熱器;各類化霜系統(tǒng)各有優(yōu)缺點鮮明，就目前來說，逆循環(huán)化霜的方式在新能源汽車中較為廣泛。

2 系統(tǒng)零部件設計選型

（1）空調(diào)系統(tǒng)熱力計算，制冷工況的設計依據(jù)GB/T2136-2008《汽車用空調(diào)器》進行核算，分析系統(tǒng)性能，如：壓縮機功耗、系統(tǒng)COP等。

（2）參考熱泵型汽車空調(diào)系統(tǒng)實際運行過程的復雜性和工況的多樣性，選取熱泵型汽車空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機采用渦旋式壓縮機。冷凝器的選型，換熱器作為工質與外界進行換熱的主要部件，其結構對熱泵型空調(diào)系統(tǒng)性能有直接影響，現(xiàn)在主要采用平行流換熱器，其較管翅式換熱器結構復雜，結構緊湊，單位體積換熱量大，方便車上布置。

（3）根據(jù)系統(tǒng)熱力核算結果和結構設計，結合新能源汽車上熱換器安裝尺寸的要求，進而實施對熱換器的定型設計。

（4）根據(jù)熱泵型新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的特殊性，進行其相關聯(lián)零部件的設計選型，如：具有雙向性能的儲液器、氣液分離器、熱氣旁通閥、四通閥、截止閥等關鍵零部件的設計選型和系統(tǒng)匹配。

3 試驗驗證

（1）搭建的樣機系統(tǒng)在標準工況（制冷工況）下通過“平臺法”進行系統(tǒng)制冷劑加注量標定，最佳制冷劑充入量為750g。

（2）系統(tǒng)性能試驗中，在制冷和制熱工況下，系統(tǒng)的各項性能參數(shù)要求是否達到前期設計時的要求。

（3）針對熱泵型汽車空調(diào)在冬季低溫、高濕度的環(huán)境條件下，測試系統(tǒng)中室外換熱器結霜時系統(tǒng)的一些關鍵參數(shù)變化趨勢及換熱器表面結霜情況。

（4）在除霜工況下，根據(jù)室外換熱器出口溫度判斷結霜化霜情況，及時轉換工作模式，保證系統(tǒng)正常工作。

（5）當環(huán)境溫度過低時，熱泵型空調(diào)換熱效率明顯降低，此時需要開啟PTC進行輔助加熱，此外PTC還要能在車輛啟動初期保證快速升溫。

4 熱泵式汽車空調(diào)系統(tǒng)技術發(fā)展趨勢

（1）熱泵型汽車空調(diào)系統(tǒng)技術雖然取得了階段性成果，但仍然存在著很多的不足，主要有以下方面需進一步研究：①電子膨脹閥的應用技術不夠成熟，各空調(diào)廠商缺少應用經(jīng)驗;②根據(jù)車輛電池的需求，熱泵型空調(diào)系統(tǒng)需要增加Chiller，用以對電池進行降溫，其系統(tǒng)開發(fā)難度更大;③結霜、化霜均會影響系統(tǒng)性能及乘客感受，尚未有效避免方案;④強化熱泵型汽車空調(diào)的匹配問題以及系統(tǒng)控制策略的研究等。

（2）伴隨新能源車的興起，熱管理系統(tǒng)的概念被提出并快速發(fā)展，成為整車安全性和舒適性的重要組成。熱管理系統(tǒng)的核心就是具有制熱制冷功能空調(diào)系統(tǒng)，并在其基礎上新增了Chiller、電池冷卻板、水冷中冷器、高壓PTC、電子水泵和各種閥門，隨著部件的增多對熱泵型空調(diào)系統(tǒng)的設計提出了嚴重考驗，如何解決這些問題，開發(fā)出一套成熟的熱管理系統(tǒng)成為當前的重中之重。

5 總結

熱泵型汽車空調(diào)系統(tǒng)是最有前途的新能源汽車空調(diào)技術，它的前身是具有制冷功能的傳統(tǒng)空調(diào)，未來將發(fā)展成為整車必不可少的熱管理系統(tǒng)。隨著人們對新能源汽車需求品味和空調(diào)系統(tǒng)性能要求的提升，促使新能源汽車的空調(diào)系統(tǒng)技術發(fā)生質的提升，結合現(xiàn)代新能源汽車技術的整體發(fā)展，不斷提高能源使用效率。

參考文獻：

[1]鐘文京.新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)技術研究[J].電子技術與軟件工程，2015.

[2]曹汝恒，劉松，張書義，曹建明.新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].汽車實用技術，2016.