純電動客車空調結構布局設計探討

辛 偉，高福學，張素麗

（山東朗進科技股份有限公司，山東 濟南 266400）

1 前言

隨著能源危機愈演愈烈，傳統燃油汽車由于消耗大量石油，對環境造成嚴重污染，已經不能滿足人們對環境保護的要求。純電動客車及純電動客車空調以其低能耗、低排放、對環境不造成污染、噪聲小等優點，以及接近甚至超越傳統燃油汽車的動力性和經濟性方面的特點而廣受世界關注。

近幾年，中國純電動客車市場發展迅速，國家產業政策也鼓勵純電動客車向產業化方向發展，投資者對純電動客車市場的關注越來越密切，這使得純電動客車市場的發展研究需求增大。為了提升乘客的乘車體驗和乘車舒適性，客車空調已經成為純電動客車必不可少的重要部件。與此同時，客車空調的能耗情況也直接影響著整車的續航里程。空調的結構布局設計不僅關系著產品的性能，而且與空調設備的能耗直接關聯，因此，對客車空調進行結構布局設計，可以滿足客車空調輕量化與節能降耗的需要，對提升純電動客車的續航里程有著非常重要的意義。

2 客車空調的發展歷程及工作原理

客車空調的發展經歷了由傳統空調向純電動空調的轉變，電動壓縮機取代了機械壓縮機，由機械驅動變更為電力驅動，空調系統的動力源由發動機變為車載動力電池。純電動客車空調內所有電器部件只靠車載電池來提供電源工作，純電動客車空調的使用消耗了大量的動力電池電量，由于動力電池的容量有限，空調系統的能耗對純電動客車充電一次后的續航里程有很大的影響。因此，研究在限定的外形尺寸下，將空調結構布局做到最優設計，可使空調運營更加高效節能。

與傳統空調一樣，純電動客車空調也由壓縮機、膨脹閥、冷凝器、蒸發器、冷凝風機、蒸發風機等主要部件組成。空調系統工作時，制冷劑經由壓縮、冷凝、膨脹、蒸發4個過程循環進行，通過蒸發器的熱交換，降低蒸發器周圍空氣的溫度，實現降溫功能，系統工作原理如圖1所示。

圖1 純電動客車空調系統原理圖

3 客車空調優化結構布局的意義及措施

空調作為整車一個非常重要的部件，其能效高低直接決定了客車的續航里程。目前運營公司在采購客車時，將空調的能效比作為一個重要參數寫入招標文件中，希望通過采購更加高效節能的空調來提升經濟效益。因此，從源頭探索更加合理的空調結構布局和設計更加高效節能的空調，對純電動客車的推廣具有重要意義。

優化空調的結構布局，可以從以下幾方面進行。

1）首先考慮外觀設計，空調的外觀要能與整車搭配得當、契合度高、流線型好，符合國人審美的設計外觀能受到購買者青睞。

2）外形尺寸及接口設計滿足整車的安裝，簡便可靠的安裝方案可以提升客車廠的生產效率。

3）選取更加合理的空調底殼和頂蓋的制作材料，以及選取更加輕量化的材料為整個空調減重。

4）采用CAE仿真分析等技術手段，量化強度等級，保證空調滿足整車運營過程中振動沖擊強度的前提下，優化結構設計，進一步為空調減重。

4 客車空調常見結構布局形式及優缺點

目前市面上的純電動客車空調結構布局常見的有經典三腔式結構布局、迎風式三腔結構布局、傳統兩腔式結構布局和新型兩腔式結構布局4種形式，下面分別展開討論一下4種結構形式的優缺點。

4.1 經典三腔式空調結構布局方案

經典三腔式結構布局是最常見的一種空調布局形式，整個空調布局劃分為3個腔體，如圖2所示。

圖2 經典三腔式空調結構布局圖

這種結構布局的優點有兩點：第一，空調內部空間富裕，便于各空調部件的安裝和維護；第二，各器件在空調高度方向上沒有相互重合的布置，與其他形式的結構布局相比，此種結構布局可使空調高度控制在250mm以內，這使空調與整車安裝后的契合度更高、更美觀。

此種空調結構布局的缺點是：空調的長度往往很長，以12m純電動客車用24kW空調機組為例（下同），空調長度需要做到3900mm左右。以往的傳統燃油車，車頂除空調外無其他部件，此種缺點顯得不夠明顯。純電動客車和燃料電池車車頂需要布置電池包和燃料電池反應發生裝置，空調長度會擠壓電池的布置空間，這種缺點就被無限放大。同時，整機長度大帶來的另一個問題就是整機的質量較重，一般在370kg左右，這會給整車帶來很大的負擔。

4.2 迎風式三腔空調結構布局方案

迎風式結構布局方式是三腔結構布局的一種變形。空調布局同樣劃分為3個腔體，如圖3所示。

圖3 迎風式三腔空調結構布局圖

與經典三腔式空調結構布局方案相比，其最大的區別就是冷凝腔的結構形式不同，因為冷凝風機布置在冷凝器的上方，且冷凝風機在空調寬度方向上一字排開，故而空調的長度可以縮短，空調長度可以縮短至3500mm左右，同時也減小了整機質量，一般在350kg左右。

冷凝腔結構布局的改變同時也給空調帶來了兩點不利影響：第一，冷凝風機布置在冷凝器上方，在高度方向上重合布置，這會增加空調的高度，整機高度一般能控制在260mm左右；第二，冷凝風從冷凝器下部進風，導致空調在整車的安裝具有一定的方向性，冷凝腔布置在整車的車頭側，更有利于冷凝風場的暢通和冷凝器的換熱，反向安裝或者冷凝腔前部有部件遮擋時空調的能效會降低。

4.3 傳統兩腔式空調結構布局方案

為了盡可能地縮短空調的長度，最大限度利用有限的空間尺寸，將空調的制冷能力和能效做到最大，兩腔式空調結構布局的形式隨之出現，傳統兩腔式空調結構布局如圖4所示。

圖4 傳統兩腔式空調結構布局圖

與經典三腔式空調結構布局方案相比，此種結構布局取消了原有的壓縮機和電控腔，將壓縮機布置在冷凝風機的下方，將電控布置在回風腔，利用整車回風對功率器件進行散熱。

此種結構布局的優點是在縮短空調長度的同時，保證空調的制冷能力和能效最大的輸出。空調長度可以縮短至3400mm左右，整機質量一般在330kg左右。同樣也存在兩點問題：第一，壓縮機布置在冷凝風機的下方，會增加空調的高度，一般整機高度在270mm左右，會降低與整車的適配性；第二，壓縮機及系統管路布置在冷凝風機的下方，不利于后期空調的維護保養工作，可操作性比較差。

4.4 新型兩腔式空調結構布局方案

為了解決傳統兩腔式空調結構布局方案存在的問題，近年來又出現了新型兩腔式結構布局的空調，其結構布局如圖5所示。

圖5 新型兩腔式空調結構布局圖

冷凝腔布置在回風腔的正上方，蒸發腔對稱布置在冷凝腔的兩側，壓縮機和電控單獨一個腔體布置。此種空調結構布局方案目前并無明顯的結構缺點，主要優點有以下幾個方面。

1）冷凝器和蒸發器平行對稱布置，在保證制冷能力和能效的前提下，空調長度可以大幅縮短，空調長度可以做到3200mm左右，整機質量一般在300kg左右，非常適合目前的純電動客車和燃料電池車，可以解決車頂空間有限的難題。

2）在保證回風面積的前提下，空調高度可以控制在250mm左右，保證整車適配性。

3）壓縮機和電控單獨設置一個腔體，大大方便后期的市場維保工作。

4）壓縮機和電控腔模塊化單元設計理念，易拓展系列化空調產品，適配不同長度的客車車型，縮短設計周期。

5）通過試驗數據得出，前3種結構布局的24kW的純電動客車空調COP一般在2.2～2.4之間，而新型兩腔式結構布局的24kW空調機組的COP可以達到2.7左右，大幅節省電量消耗，為整車增加續航里程。

另外，還可通過優化空調外殼材質，進一步提升空調性能。如：底殼采用鋁合金材質，既可以保證空間的充分利用，又能最大限度地實現空調輕量化設計理念，為整車減負；頂蓋采用玻璃鋼材質，可以根據整車外觀設計出圓滑的造型，保證與整車的搭配。

綜上，不同的空調結構布局形式各有優缺點，而新型兩腔式空調結構布局的方案，空調具有長度短、質量輕、能效高、可維護性好的優點，能更好適應新能源純電動車輛和燃料電池車輛，可以為整車節省很多的空間和能耗，值得推廣應用。

5 結束語

目前新能源純電動車輛和燃料電池車輛正在蓬勃發展，取代傳統燃油車輛的趨勢已不可逆轉，空調生產企業要積極適應并推動新能源汽車行業的發展。

本文通過對空調結構布局的探討，希望空調生產企業認識到空調結構布局設計的重要性，同時也希望空調工程師能夠積極探索新的結構布局形式，設計出更加高效節能的空調，為車輛運營公司節省成本，提升經濟效益，同時改善乘客的乘車體驗。