新能源汽車熱泵空調(diào)技術(shù)研究與應(yīng)用探討

王俊倩

摘要： 伴隨著不斷提升的汽車技術(shù)水平，逐漸出現(xiàn)了一些新型的空調(diào)系統(tǒng)。但是出現(xiàn)的這些制冷制熱系統(tǒng)中，能夠真正達(dá)到高效節(jié)能并不多，其中熱泵空調(diào)技術(shù)自身存在著較多優(yōu)勢，相較于PTC電加熱來說，熱泵空調(diào)系統(tǒng)在制熱期間，有著明顯的高效性。基于此，筆者針對于新能源汽車熱泵空調(diào)技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)行了深入分析與探討，以此為相關(guān)學(xué)者以及從業(yè)人員提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

Abstract： With the continuous improvement of automotive technology， some new air-conditioning systems have gradually emerged. However， among these refrigeration and heating systems， there are not many that can really achieve high efficiency and energy saving， and the heat pump air conditioning technology itself has many advantages. Compared with PTC electric heating， the heat pump air conditioning system has obvious efficiency during heating. Based on this， the author makes an in-depth analysis and discussion on the research and application of heat pump air conditioning technology for new energy vehicles， so as to provide valuable reference for relevant scholars and practitioners.

關(guān)鍵詞： 新能源;汽車;熱泵空調(diào);技術(shù);應(yīng)用

Key words： new energy;cars;heat pump air conditioning;technology;application

中圖分類號：U472.43? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0215-02

0? 引言

從工作原理角度來說，傳統(tǒng)燃油和新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)工作原理相同，只是在暖風(fēng)產(chǎn)生方式和驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)方式方面，有一定的差異性。通過高壓電，新能源汽車能夠驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)電動(dòng)壓縮機(jī)，通過壓縮，電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)能夠在冷凝器中加壓低壓低溫的蒸汽，從而循環(huán)環(huán)繞制冷劑系統(tǒng)。本文將從新能源汽車熱泵空調(diào)技術(shù)研究、新能源汽車熱泵空調(diào)的應(yīng)用兩大方面來進(jìn)行深入剖析。

1? 新能源汽車熱泵空調(diào)技術(shù)研究

針對于新能源汽車熱泵空調(diào)技術(shù)研究，筆者整理了三點(diǎn)，分別是：熱泵空調(diào)溫控原理、部分傳感器以及執(zhí)行器選型、硬件電路設(shè)計(jì)，本章將一一進(jìn)行論述。

1.1 熱泵空調(diào)溫控原理

熱泵空調(diào)并沒有十分復(fù)雜的原理，在制熱或者是制冷環(huán)境下，都能轉(zhuǎn)移熱量。

電動(dòng)壓縮機(jī)在車內(nèi)制冷的過程中，會(huì)將低壓高溫的冷媒轉(zhuǎn)化成高壓高溫的液體形態(tài)，采用控制閥的方法，朝著車外流向液體，轉(zhuǎn)化為熱器，相較于車內(nèi)來說，車外溫度低，在降溫后，冷媒會(huì)轉(zhuǎn)化為液體，此液體低溫且高壓，通過閥的膨脹后，冷媒膨脹經(jīng)過車內(nèi)換熱器轉(zhuǎn)化為低壓低溫的液珠，降低車內(nèi)氣溫。而后，冷媒朝著低壓高溫氣體方向轉(zhuǎn)化，并直接流入電動(dòng)壓縮機(jī)。就在這樣循環(huán)的狀態(tài)下，能夠?qū)崿F(xiàn)制冷車內(nèi)的目的[1]。

電動(dòng)壓縮機(jī)在車內(nèi)制熱的過程中，會(huì)將低壓高溫的冷媒轉(zhuǎn)化成高壓高溫的液體，經(jīng)過切換閥，在車內(nèi)熱交換器中流入冷媒，這樣的環(huán)境下，會(huì)升高車內(nèi)溫度，與此同時(shí)，會(huì)將冷媒轉(zhuǎn)化為液體，此液體高壓且低溫，通過膨脹的電子閥后，冷媒膨脹為液珠，此液珠低壓低溫，并朝著車外換熱器內(nèi)流向;相較于車外來說，冷媒?jīng)]有較高的溫度，在對車外氣體熱量完全吸收過后，會(huì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，氣體具有較高的溫度和較低的氣壓，而后朝著電動(dòng)壓縮機(jī)流。在這樣的循環(huán)情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)制熱車內(nèi)的目的。

1.2 部分傳感器以及執(zhí)行器選型

1.2.1 電磁閥SOV

電流在線圈影響作用下，會(huì)發(fā)生一定的電磁吸力，對內(nèi)部芯片進(jìn)行上下移動(dòng)，在開啟控制閥后，來有效控制介質(zhì)流通的一種執(zhí)行器件，即為電磁閥。

Dc9V-16V是該熱泵控制系統(tǒng)選擇的電磁閥電壓具體的變化范圍，12V為額定電壓值，0.8A為具體的工作電流額定值，10W為具體的額定功率，介質(zhì)具體流動(dòng)的方向?yàn)閱蜗?，適宜且合理的制冷劑為R134a，具體工作壓力值不大于3.6MPa。感性負(fù)載為負(fù)載的具體類型。組成內(nèi)容為兩pin腳，且不分負(fù)正，一個(gè)引腳高低電平引腳，另一個(gè)引腳需要接地。

1.2.2 電子膨脹閥EXV

在電動(dòng)車空調(diào)系統(tǒng)中，熱力膨脹閥會(huì)逐漸替代為電子膨脹閥。通過對電子膨脹閥的使用，能夠提高控制過熱度的精確性和準(zhǔn)確性，從而強(qiáng)化最終的節(jié)能效果。LIN控制是熱泵控制系統(tǒng)選擇的電子膨脹閥。12V為具體的額定電壓值，9V-16V為具體的工作電壓范圍，0.35V為最大的額定電流值，30-120PPS為具體的驅(qū)動(dòng)頻率范圍，依據(jù)脈沖數(shù)，對膨脹閥開度進(jìn)行改變，如若0為具體的脈沖數(shù)時(shí)，就會(huì)緊閉膨脹閥，如若480為具體的脈沖數(shù)時(shí)，就會(huì)全開膨脹閥，適合的制冷劑有多種，包括：R410A等等，雙向?yàn)榻橘|(zhì)的具體流動(dòng)方向[2]。

1.2.3 PT傳感器

壓力溫度傳感器能夠達(dá)到同一點(diǎn)一個(gè)傳感器能夠?qū)涿綔囟群蛪毫M(jìn)行同時(shí)測量，無論客戶安裝閥座，亦或是對配線束時(shí)，都會(huì)相應(yīng)的節(jié)省時(shí)間，第一時(shí)間做出反應(yīng)，而后加強(qiáng)維護(hù)和保護(hù)壓縮機(jī)，從而有效提高空調(diào)系統(tǒng)工作質(zhì)量。R1234yf、R134a、R410a為工作介質(zhì)。-30攝氏度至130攝氏度為具體的工作溫度范圍。0.8攝氏度-1.8攝氏度為溫度精度的具體值。

1.3 硬件電路設(shè)計(jì)

1.3.1 主控芯片

現(xiàn)階段，市場上存在的單片機(jī)，具有多樣化的種類，但是能夠切實(shí)滿足于汽車實(shí)際需要的單片機(jī)種類，屈指可數(shù)，在滿足于汽車需要的種類中，飛思卡爾單片機(jī)存在著較為明顯的優(yōu)勢，即強(qiáng)可靠性、快運(yùn)行速度、芯片好實(shí)時(shí)性等，通過優(yōu)化調(diào)整后，飛思卡爾單片機(jī)中的MC9S12G128轉(zhuǎn)化為了16bits MCU，優(yōu)點(diǎn)是低消耗、功能齊全、低成本等。

1.3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

四相步進(jìn)電機(jī)是一種步進(jìn)電機(jī)，能夠有效對風(fēng)門進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)芯片選擇L9826，此芯片被汽車行業(yè)所專用，通過SPI，能夠有效控制八個(gè)out的輸出，其中CLK為時(shí)鐘引腳，數(shù)據(jù)輸出為SDO，數(shù)據(jù)輸入為SDI。并且，在電流能力輸出方面，芯片最高可以達(dá)到450Ma，能夠保護(hù)過熱、過壓、負(fù)載短路等，實(shí)際滿足于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的切實(shí)需要。無論是內(nèi)外循壞風(fēng)門、混合風(fēng)門，亦或是模式風(fēng)門都使用了三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，為此需要在控制器中使用L9826芯片，具體數(shù)量為兩片[3]。

1.3.3 SOV閥驅(qū)動(dòng)電器

首款智能型四通道低側(cè)開關(guān)為英飛凌TL9104SH，在12V系統(tǒng)中，可以達(dá)到5A的電流值。這就能驅(qū)動(dòng)多種類的負(fù)載，例如：高精度端口燃油噴射器等。

目前，在市場上，TLE9104SH相較于同種類產(chǎn)品來說，能夠驅(qū)動(dòng)更大的電流，也擁有更強(qiáng)的負(fù)載能力，不需要太大的封裝面積，能夠?qū)Σ季置娣e進(jìn)行極大的縮減。由于加入了16位串行外設(shè)接口，在功能方面，能夠?qū)崿F(xiàn)診斷和控制的目的，任何一個(gè)通道能夠達(dá)到保護(hù)過流和過溫的情況，通過增強(qiáng)有源鉗位電路，負(fù)載于驅(qū)動(dòng)感性。能夠通過負(fù)載狀態(tài)SPI：電池短路、開路負(fù)載、對地短路。這四個(gè)輸入引腳能夠?qū)崿F(xiàn)對開關(guān)的直接控制，與此同時(shí)還包括一系列安全功能。

1.3.4 CAN總線驅(qū)動(dòng)

通過恩智浦半導(dǎo)體公司，選擇該控制器CAN通信芯片為TJA1042，此芯片適用于汽車行業(yè)，并且應(yīng)用十分廣泛，擁有較高的成熟度。相較于TJ1040，次芯片對靜電的防范能力更強(qiáng)，不僅如此，能夠符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。此電路不僅能夠?qū)an類型的壓縮機(jī)進(jìn)行有效控制和把握，還能通信整個(gè)車，與此同時(shí)，可以應(yīng)用在多個(gè)方面，例如：故障反饋、上電自檢等。

1.3.5 EXV通信Lin總線驅(qū)動(dòng)

因?yàn)樾枰ㄟ^對LIN通信控制的使用，來控制電子膨脹閥，為此設(shè)計(jì)并且加入了LIN通信電路在該控制器中，LIN通信電路是常見的電路，電容以及二極管能夠?qū)V波噪音進(jìn)行有效祛除，基于LIN2.0/SAEJ2602收發(fā)器，恩智浦公司的TJA1021在TJA1021芯片內(nèi)部集成了ESD保護(hù)電路，能夠提高抵抗靜電的能力和水平，與此同時(shí)，還能同時(shí)兼容TJA1020和TJA1021，相應(yīng)的提高波特率，從而能夠?qū)唧w需要進(jìn)行滿足。LIN通信芯片為常見的芯片類型，通過接口LIN中物理總線和本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用在汽車LIN通信領(lǐng)域中。

1.3.6 鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

加強(qiáng)使用鼓風(fēng)機(jī)，在新能源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，這一方面，與傳統(tǒng)空調(diào)大體一致，所以，可以對以往空調(diào)控制鼓風(fēng)機(jī)的電路進(jìn)行繼續(xù)沿用。經(jīng)過積分電路和運(yùn)放，輸出PWM信號能夠根據(jù)實(shí)際需要，對鼓風(fēng)機(jī)的速度進(jìn)行改變和調(diào)整，通過優(yōu)化PWM信號占空比，可以對鼓風(fēng)機(jī)的端電壓進(jìn)行優(yōu)化和改變，從而達(dá)到調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)速度的這一功能[4]。

1.3.7 Pt傳感器采集電路

此電路的ADC采集電路具有一定的典型性，在添入RC后，能夠有效預(yù)防干擾，提高防范能力，該電路可以有效獲取6個(gè)PT傳感器。實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)化的獲取冷媒溫度值和壓力值，能夠監(jiān)控?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)工作的具體情況。單片機(jī)AD采集的具體位數(shù)值為10bits，準(zhǔn)確性較高，可以對客戶切實(shí)需求進(jìn)行滿足。

2? 新能源汽車熱泵空調(diào)的應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用熱泵式空調(diào)系統(tǒng)后，通過車內(nèi)頂部位置，吸取空氣，加熱空氣之后，完成處理除霜工作在擋風(fēng)玻璃位置，并隨之噴灑出熱氣，在經(jīng)過一系列處理后，沿著風(fēng)道左側(cè)和右側(cè)同時(shí)吹出。這樣的情況可以對能耗進(jìn)行節(jié)省，還能有效解決和處理車內(nèi)起霜以及較多濕氣的情況，不會(huì)對安全汽車駕駛情況產(chǎn)生嚴(yán)重影響?；诖耍ㄟ^步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電子膨脹閥，對出口空氣溫度、制冷劑流量以及閥門開度進(jìn)行合理控制。制冷系統(tǒng)適用的環(huán)境條件為百分之五十相對濕度、27攝氏度車內(nèi)溫度、40攝氏度環(huán)境溫度，在系統(tǒng)功能方面，每1kW能夠得到2.9kW制冷量。制熱系統(tǒng)適用的環(huán)境條件為環(huán)境溫度值為-10攝氏度、車內(nèi)溫度為25攝氏度，在系統(tǒng)功能方面，每1kW能夠得到2.3kW制熱量[5]。

如若處于低溫環(huán)境的時(shí)候，可以充分發(fā)揮出PTC熱敏電阻的功能，從而實(shí)現(xiàn)加熱處理工作，并對空調(diào)制熱效率進(jìn)行有效控制，保障除霜工作的順利展開。可以通過車載蓄電池，PTC加熱裝置能夠得到直流電，對軸流式風(fēng)機(jī)和離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)行安裝，合理設(shè)計(jì)風(fēng)道，保障PTC發(fā)熱器周邊有均勻的風(fēng)俗，將發(fā)熱性能的功能發(fā)揮到極致。

3? 結(jié)束語

總而言之，熱泵空調(diào)系統(tǒng)能效比較高，在新能源汽車中應(yīng)用熱泵空調(diào)系統(tǒng)，具有較多益處。為此，相關(guān)人員要全面掌握和熟悉熱泵空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)，明確實(shí)際應(yīng)用方法，從而最大程度的發(fā)揮出熱泵空調(diào)系統(tǒng)功能，進(jìn)而推動(dòng)新能源汽車的健康發(fā)展。

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