基于24V鋰電的行駐一體式空調系統的研究

王鋒軍，李國慶，韓思捷，崔璇，陸冰清，施駿業*

（1-北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206；2-上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

0 引言

“十三五”計劃明確指出節能減排和輕量化是汽車空調產業的發展重點，重型卡車（重卡）的空中運輸系統制冷能耗約占發動機的10%，在保證空調制冷效果的前提下，降低能耗尤為重要[1-2]。

重卡作為中長途物流的主要車型，其駕乘場景與空調的應用場景大致分為以下三個部分：夜間停車休息、裝卸貨等待和怠速等待。具體應用場景如圖1所示。重卡的經濟性和環保性與駕乘舒適性要求比較突出，目前一般采用駐車空調[3-5]的技術路線來解決，現有解決方案分為頂置一體式、內置分體式、雙模一體式和家用空調改制四大類，特點如表1所示。目前，常見的的駐車空調形式，無法在性能、成本、可靠性和經濟性之間達到最佳配置，且普遍存在空調待機時間不足、啟動電池易損和制冷功率不夠等問題[6-7]。

表1 駐車空調特點

圖1 空調應用場景

針對能耗和舒適性的研究，整車熱負荷一直都是影響能耗和熱舒適性分析的重要一環[8-9]。影響整車熱負荷的因素有很多，對于傳統車而言，整車熱負荷的大小主要與乘客艙內外溫度、太陽輻射強度，車身材料、車輛速度、乘客艙內電器總散熱量以及乘客總數有關[10-13]。

鑒于駐車空調的特點，本文基于24 V鋰電電池和電動渦旋壓縮機開發了行駐一體式空調系統，并對此系統進行了整車熱負荷分析和電平衡計算。研究表明：行駐一體式空調系統可以解決空調待機時間不足和制冷功率不夠等問題，滿足整車制冷需求；同時采用24 V鋰電電池代替啟動鉛酸電池，兼顧發動機啟動，實現整車“減重節能”的目的。

1 系統架構和控制原理

1.1 系統架構

在現空調系統基礎上開發行駐一體空調系統，系統結構原理如2所示。行車模式和駐車模式下系統架構圖如圖3和圖4所示。

圖2 系統結構原理

圖3 行車模式下的系統架構

圖4 駐車模式下的系統架構

行車模式下，由發動機帶動24 V發電機發電，由24 V/48 V DC-DC進行電壓轉換，供給48 V電動壓縮機工作，并給24 V鋰電池充電，空調為正常模式（不作功率限制），預計整車用電設備全開情況下連續行車6 h，充滿24 V鋰電池，行車過程用電負載開啟相對少時，相對會縮短充電時間。

駐車模式下，由24 V鋰電池或者外接電源給電動壓縮機供電進行工作，通過控制器策略，限定駐車空調工作模式下空調系統功率。駐車空調分為：日間降溫、日間維溫、夜間降溫、夜間維溫四種工況，日間降溫和日間維溫可連續使用3 h，夜間降溫和夜間維溫可連續使用5 h。

1.2 控制原理

整車空調控制通訊信號[13]如表2所示。系統控制拓撲圖如圖5所示。圖6所示為空調控制邏輯原理。

表2 整車空調控制信號

圖5 電子控制拓撲圖

圖6 空調控制邏輯原理

行駐一體式空調系統運行過程中，通過發動機轉速判定行車或駐車模式；通過可見光傳感器判定日間或夜間模式；通過蒸發器溫度和車內溫度計算并輸出壓縮機目標轉速；通過行駐車狀態、鋰電池電量判定DC-DC工作狀態。行車工況下，空調系統有制冷請求時，AC發出制冷請求信號和DC-DC工作狀態信號給ECM和DC-DC，同時發出壓縮機目標轉速給壓縮機，此時BMS控制鋰電池為充電模式；DC-DC升壓給電動壓縮機供電，壓縮機收到制冷請求信號和目標轉速值后工作。

駐車工況下：空調系統有制冷請求時，AC發出制冷請求信號和DC-DC工作狀態信號給ECM和DC-DC，同時發出壓縮機目標轉速給壓縮機，此時BMS控制鋰電池為放電模式，壓縮機收到制冷請求信號和目標轉速值后工作。

電能控制策略：為保證整車鋰電池發動機啟動功能，增加鋰電池電池電量保護功能；保證行車模式下鋰電池充電功能，增加特殊工況下的壓縮機降轉速控制，夜間最高轉帶小于2 000 r/min，日間小于4 000 r/min；為保證駐車模式下的空調系統工作時長，對駐車工況下的鼓風機檔位、壓縮機轉速均做降功率處理。

2 整車熱負荷計算

本文的環境工況選擇國內夏季工況38 ℃[14]。車身和環境參數如表3所示。

表3 車身和環境參數

2.1 空調系統熱負荷計算

汽車車體結構熱負荷QB：

式中，K為車廂傳熱系數，車頂、側圍傳熱系數一般取2.5 W/(m2·℃)；F為車廂結構的內表面積，m2；Δt為車內外溫差，℃；tR為車頂外部溫度，℃；tS為車身側面溫度，℃；t2為車內目標溫度，℃。

發動機艙傳入車廂的熱負荷QF：

式中，KF為發動機傳熱系數，取2.5 W/(m2·℃)；tF為發動機艙溫度，取80 ℃。

通過地板傳入車廂的熱負荷QD：

式中，KD為地板傳熱系數，取2.5 W/(m2·℃)；tD為地板溫度，℃。

太陽輻射熱（車窗和擋風玻璃）QG：

式中，KB為玻璃傳熱系數，一般取5.5 W/(m2·℃)；η為太陽輻射通過玻璃的透入系數，一般取0.84；ρ為玻璃對太陽輻射熱的吸收系數，一般取0.08；I為太陽輻射，一般取550 W/m2；Is為太陽散射，一般取42 W/m2；S為遮陽修正系數，6 mm吸熱玻璃取0.46；αB為內表面放熱系數，一般取7.5；αH為外表面放熱系數，一般取3。

對于乘員人體放熱，人體時刻不停的進行著生理活動。這些生理活動將不斷的產生熱量和水分，并將最終通過人體釋放到周圍的環境中，給汽車空調造成一定的負荷。對于人體熱負荷，其數值相對于其他負荷（如太陽輻射熱負荷、新風負荷等）通常較小。其計算可根據乘客的身高體重等參數進行計算，或直接查表得到[15]。基于ISO 8996的規定，對計算公式進行簡化。本文中乘員為2人，其中一人為駕駛員，乘員的放熱量一般為150 W，駕駛員的放熱量一般為220 W，人體放熱總量為370 W。

新風、漏風熱負荷QX：

式中，V為漏風量，取值22 m3/h；ρ為空氣密度，取值1.14 kg/m3；i1為外部空氣焓值，取值101 kJ/kg；i2為車內空氣焓值，取值47.8 kJ/kg。

綜上所述，空調系統維溫工況下熱負荷為：

降溫工況下熱負荷為：

根據樣車性能參數和熱負荷目標溫度設定值，部分溫度參數如表4所示。帶入上述公式后，可得出日間降溫和維溫、夜間降溫和維溫4種工況的熱負荷，計算結果如表5所示。由表5可知，日間工況和夜間工況的Q1分別為2 958.83 kW和1 231.79 kW；Q2分別為3 254.71 kW和1 354.97 kW根據空調系統熱負荷計算結果，分解到空調蒸發器、冷凝器的熱負荷結果如表6所示。

表4 溫度參數值

表5 空調系統熱負荷

表6 蒸發器冷凝器熱負荷

2.2 壓縮機及換熱器選型計算

根據整車熱負荷計算結果，駕駛室降溫需求從25~38 ℃，所需總制冷量3.2 kW，其中壓焓圖狀態點的確定如圖7所示。

圖7 空調系統工作壓焓圖

2.2.1 設計狀態參數的選定

1-2為等比熵壓縮過程；2-3為等壓冷凝過程；3-4為等比焓節流過程；4-1為等壓蒸發過程。冷凝壓力pd=1.67 MPa；蒸發壓力ps=0.196 MPa；吸氣溫度ts=5 ℃；排氣溫度td=85 ℃；蒸發器過熱度Sh=5 ℃；冷凝器過冷度Sc=10 ℃；

參照劉金偉等[16]的研究，各狀態點參數為：壓縮機吸氣點1的t1=ts=5 ℃，焓值h1=402 kJ/kg；比容v1=0.07 m3/kg；壓縮機排氣點2的t2=85 ℃，焓值h2=458.4 kJ/kg；3點的p3=pd=1.67 MPa，焓值h3=271.6 kJ/kg；4點的焓值h4=h3=271.6 kJ/kg。

2.2.2 制冷劑循環流量

質量流量m：

式中，Q為系統制冷量，W。

體積流量V：

壓縮機排量qv：

式中，V為體積流量，取V=1 680 mL/s；n為壓縮機轉速，取n=4 000 r/min；ηv為壓縮機容積效率，渦旋式壓縮機取0.98，旋葉式壓縮機取0.8，活塞式壓縮機取0.6~0.65，本文選取0.9。

根據計算，系統質量流量0.024 kg/s，體積流量1 680 mL/s，排量應為28 mL/r，結合市場現有電動壓縮機資源，選取27 mL/r排量壓縮機。其制冷性能參數見表7。

表7 27 mL/r電動壓縮機制冷性能

3 整車電負荷計算及發電機匹配

3.1 空調系統電功率計算

根據空調系統電器件的功率特性，可以計算出日間降溫（Daytime Cooling，DC）和維溫（Daytime temperature Maintenance，DM）、夜間降溫（Night Cooling，NC）和維溫（Night temperature Maintenance，NM）4種工況下的空調系統電功率值，如表8所示。

表8 空調系統電功率

3.2 鋰電池容量需求計算

根據整車性能指標要求，車內平均溫度需在0.75 h內達到舒適值，此時間段為降溫工況，其余時間段為維溫工況。結合空調系統駐車時長（日間連續使用3 h，夜間連續使用5 h）的需求及維溫、降溫電功率計算結果可得，日間駐車鋰電池容量需要大于5.25 kW·h，夜間駐車鋰電池容量需要大于4.84 kW·h，見表9。

表9 電池容量計算

考慮駐車空調的實際使用工況，日間長時間駐車工況使用較少，因此以滿足夜間駐車電池容量作為設計基準，鋰電池容量選型設定為4.8 kW·h。

3.3 電平衡匹配計算

整車電平衡設計原則是發電機必須在絕大多數運行工況下，能夠給各用電設備提供足夠的電能，同時能保證給電池充電[17]。

根據空調系統所選零部件的功率負載及鋰電池容量，對整車電平衡進行匹配計算。按整車新增用電器的總負荷計算發電機功率。

整車用電設備在不同場合[18]、不同氣候條件[19]下使用，一般不全部工作，而許多用電設備的工作時間長短，取決于季節和環境的變化，對汽車在行駛中較為典型的用電情況進行分析，大致可分為平常日間、平常夜間、夏季日間、夏季夜間、夏季雨夜、冬季日間、冬季夜間和冬季雪夜（表10）。

電氣系統負荷與用電設備的使用和工作狀態相關，用電設備工作狀態決定于季節、環境、交通狀況和個人使用習慣。為了分析計算方便，采用用電設備使用的頻度系數來計算整車的用電量，在傳統用電器功率和頻度不變的前提下，針對行駐一體式空調系統行車工況下電氣架構增加的電動壓縮機、冷凝風扇和DC-DC等用電量進行電平衡計算，在日間6 h完成鋰電池充電，選擇180 A以上的發電機。按表10中使用頻度系數，“√”為使用，“×”為不使用，μo為與季節氣候無關頻度系數，即平常日間、夜間，μs為與夏季（日間、夜間和雨夜）相關頻度系數，μw為與冬季（日間、夜間和雪夜）相關頻度系數，計算出用電設備各工況功率（表11），“A類”為永久及長期用電設備，“B類”為怠速提升。

表10 整車用電設備工況及使用頻度系數

表11 用電設備各工況功率計算

4 仿真分析及結果

4.1 整車降溫一維仿真分析及結果

根據空調系統擬選型的零部件參數[20]，進行整車乘員艙降溫的一維KULI仿真分析，分別對系統降溫空氣側、制冷劑側和冷卻液側進行模型搭建，根據模型參數擬合壓焓圖如圖8所示，與系統預選壓焓值誤差不超過1%，仿真分析結果基本契合系統真實降溫性能。仿真分析結果表明：在環境溫度38 ℃、壓縮機轉速4 500 r/min、鼓風機最大風量的穩態工況下，乘員艙室內平均溫度隨時間變化曲線的仿真結果如圖9所示。降溫結果為45 min整車平均溫度將低至23 ℃以下，擬選擇的零部件性能滿足整車降溫性能需求。

圖8 KULI擬合壓焓圖

圖9 整車降溫性能曲線

4.2 整車電平衡仿真分析及結果說明

根據整車電負荷計算及各用電器負載選型，用MATLAB仿真系統電能匹配模型表明，使用180 A發電機滿足整車低壓用電器負載正常工作，滿足DC-DC輸出功率給鋰電充電和電動空調壓縮機工作達到整車駕駛室舒適溫度。

5 臺架測試驗證

為驗證行駐一體空調系統設計方案可行性，按空調系統零部件選型搭載臺架，并依據各工況運行條件增加模擬負載，模擬整車運行中其它用電器耗電（如圖3所示）。臺架驗證日間行車、日間駐車、夜間行車和夜間駐車4個工況。日間行車工況：壓縮機最高轉速4 500 r/min、鼓風機最高8檔風。日間駐車工況：壓縮機最高轉速4 500 r/min、鼓風機最高8檔風運行20 min后調整為壓縮機最高轉速4 000 r/min、鼓風機最高4檔風運行至鋰電保護。夜間行車工況：壓縮機最高轉速2 000 r/min、鼓風機最高8檔風。夜間駐車工況：壓縮機最高轉速2 000 r/min、鼓風機8檔風運行20 min后調整為2 000 r/min、鼓風機4檔風，直至鋰電池保護。詳細實驗數據見表11，由表11可知，本設計方案基本滿足初期制定的整車降溫指標、駐車時長指標及充電時長指標，其它指標也在誤差范圍。

表11 臺架實驗數據

6 結論

本文基于24 V鋰電池的行駐一體式空調系統開發方案，將行車與駐車空調的功能通過電動化技術整合和功能集成，提升了整車的經濟性與駕駛舒適性，并通過理論計算、仿真分析和實車驗證的方式證實此方案的可行性，得出如下結論：

1）通過匹配4.8 kW·h鋰電池，可最終實現日間3 h、夜間5 h駐車的空調持續工作指標；

2）采用電動壓縮機，根據熱負荷需求精準控制壓縮機的功率及轉速，可實現低功耗和低排放，在38 ℃環境溫度下頭部平均可降低至25 ℃以下，滿足全國絕大多數地區物流卡車的空調需求；

3）由于采用鋰電池代替啟動鉛酸電池，作為電動壓縮機的動力源，既可以增加啟動電池使用壽命，還可以拓展能量回收，節能高效；

4）采用電動壓縮機及專用動力電池，可提高壓縮機的容積效率和整車空調性能系數，也可以實現空調系統的遠程控制而不需要啟動發動機，降低能耗與噪聲；

5）由于采用DC-DC電源轉換控制模塊，可以實現外接市電充電及空調制冷功能。