純電動汽車空調系統負荷特性的試驗研究*

孫 樂，李紅旗，程 睿，馬天琦

(北京工業大學制冷與低溫工程系，北京 100124)

前言

隨著化石能源的日益枯竭和環境污染的不斷加劇，節能與環保成為了21世紀的主旋律，各國政府都加大力度扶持新能源產業的發展，不僅在資金上給予大力支持，在政策層面更是給予重點照顧。與傳統燃油汽車相比，純電動汽車具有節能、環保的雙重優勢，受到了國內外的廣泛關注。與傳統燃油汽車一樣，純電動汽車也需要一個舒適的駕駛和乘坐環境，這就離不開空調系統的支持。汽車空調系統的設計開發，要明確它的冷負荷，進而得到空調系統所需提供的制冷量，然后進行后續的熱力計算等設計開發工作。

純電動汽車與普通燃油汽車最根本的區別就是動力源的不同，而發動機傳入熱是普通汽車空調冷負荷的主要來源之一，沒有發動機的純電動汽車冷負荷的計算尚有待研究。據此，本文中針對一臺純電動汽車樣車，首先根據現有的理論計算方法對其進行冷負荷計算，然后實際測量了該樣車的冷負荷，并分析比較了兩種方式得到的不同結果。

1 理論計算

汽車的車型眾多，結構復雜多變，而且大部分時間處于運動狀態，因此，計算空調負荷時隨機因素多，難度大。鑒于建筑物空調負荷計算方法較為成熟，往往把汽車視為“運動的建筑物”，車廂視為“移動的房間”，汽車空調冷負荷的計算方法可分為3大類，即穩態傳熱法、準穩態傳熱法和非穩態傳熱法(即動態傳熱法)[1]。3種方法各有優劣，為了簡便計算，本文中采用穩態傳熱法進行近似計算。

1.1 冷負荷來源

普通汽車車廂(駕駛室)與外界環境的熱交換如圖1所示。熱傳遞以導熱、對流、輻射3種方式進行。車室內冷負荷的來源主要包括以下4個方面[2]：

(1) 由于車外溫度高于車內，加上太陽輻射的作用，有大量熱量通過車壁和門窗玻璃傳入車內；

(2) 由于密封不良，會有不少熱空氣通過門窗及地板縫隙漏入車內(或人為通入新風)，帶來新風熱；

(3) 人體發出的汗熱和濕熱也使車內溫度升高，發動機室的部分熱量還會通過車身前圍和發動機罩傳入；

(4) 暴露在車廂下面的冷風管道和地板還會有地面反射熱傳入。車廂內的零件如座椅、儀表板等會吸收大量太陽輻射熱，然后慢慢向車內散出。

這些熱量之和就構成了普通汽車空調冷負荷。對純電動汽車來說，車體圍護結構與普通汽車并無差異，只是發動機室變成了電動機室，并且車底附著了一塊電池包。但是，計算純電動汽車空調冷負荷時不能簡單地照搬原有的公式，必須考慮這兩點不同對空調冷負荷帶來的影響。

1.2 設計參數選擇

根據我國對轎車空調設計的要求，結合國內外熱舒適性的研究結果和中國人的冷熱習慣，并參考文獻[3]，確定負荷計算時車室內外的相關參數如表1所示。表2則列出了車體本身的部分參數。

1.3 計算結果

汽車空調冷負荷與得熱量有時相等，有時不等，這主要與汽車壁面、隔熱層、殼體結構的蓄熱性能有關。但由于汽車空調工作條件惡劣、汽車圍護結構蓄熱能力較小、以及要求汽車空調在短時間內降溫或升溫等特殊性，故汽車空調制冷容量大小的選取一般都按照其得熱量來進行，這使汽車空調容量稍許偏大，但更安全可靠。根據文獻[2]和文獻[3]中的冷負荷計算公式，對樣車進行了冷負荷計算，結果如表3所示。

表1 車室內外空調設計參數

表2 車體部分參數

表3 冷負荷計算結果 W

計算時，考慮到純電動汽車與普通汽車的不同，對兩個地方進行了改進。首先，類比于普通汽車上的發動機室傳入熱，引入電動機室傳入熱的概念，可認為電動機室的空氣溫度比室外空氣高20℃；其次，該款電動汽車的電池包安裝在車底板上，幾乎占據了整個車底面，充放電過程中會不斷向周圍空氣散發熱量，故在計算通過車底傳入的熱量時認為車底的空氣溫度比室外空氣高10℃。

計算結果顯示，該款純電動汽車空調冷負荷中，車窗得熱量和圍護結構得熱量之和占總的空調冷負荷的55.3%，符合汽車空調冷負荷比例標準[4](一般車窗得熱量和圍護結構得熱量之和占總的空調冷負荷的40%～60%)，因此，該計算結果是合理的。

2 實際測試

2.1 測試方法與設備

在一年中最熱的季節(夏至日前后)，用熱流量計測得該電動汽車的熱流密度，并測量車體各部分的面積，即可得到各部分圍護結構的得熱量，進而可獲得該車的夏季冷負荷。表4列出了主要的測試儀器及其功能。

表4 冷負荷測試試驗所用儀器及其功能

在正式進行測試之前，先對車艙內各個部位的熱流密度進行了初步試測。試測方法是對車內各個位置進行隨機布點，找出車內得熱量的主要來源。試測結果顯示，車內熱流密度由大到小依次為：玻璃>>車門、車頂、車底>其他部分。因此，將電動汽車車內得熱量的來源簡化為4部分：(1)車窗玻璃(主要來源)；(2)車門；(3)車頂和車底；(4)座椅，前后面板和其他部分。

2.2 測試結果

測試時間：2012年7-8月，測試期間當地天氣晴朗、氣候炎熱，室外環境溫度在30～35℃左右，日照強度在12kW/m2左右，測試選在每天中午氣溫最高的時間段進行，測試時將車內空調打開，使車內溫度維持在25℃左右，并在怠速和行駛兩種工況下進行測試。

2.2.1 怠速工況測試結果

怠速工況是指在電動汽車起動，但不掛D擋行駛的條件下使電動機空轉，此時，電動機沒有功率輸出，也不會對動力電池產生影響。試驗前，先將已經布好點并連接好所用儀器的電動汽車開到室外空曠地帶，放置一段時間，待車室內外溫度穩定以后再打開相關儀器，開始測試。測試區域劃分和布點數目如圖2所示。

數據處理時先對所測得的原始數據進行篩選，剔除一些不穩定的、有突變的無效數據，再對有效數據進行處理，可以得到每一區域的熱流密度隨時間的變化曲線，再乘以相對應的區域面積，即可得到從該區域進入車內的熱量隨時間的變化曲線。最終測試結果如圖3和圖4所示。

從得熱量隨時間的變化曲線中可以清楚地看到電動汽車不同部位得熱量的最大值、最小值和一個相對的穩態值，也不難看出，透過車窗玻璃進入車內的熱流量遠大于車體其它部分，充分證明這部分熱量是車內冷負荷的主要來源。圖中曲線有個別地方波動比較大，這是因為測試過程中天氣突然轉陰，太陽被遮住，導致太陽輻射熱顯著減少，這也從一個側面反映了太陽輻射對車內得熱量的影響很大。怠速工況下車體各部分得熱量測試結果匯總于表5。

表5 怠速工況車體各部分得熱量測試結果 W

2.2.2 行駛工況測試結果

行駛工況測試前的準備工作與怠速工況完全相同，只是在測試過程中電動汽車一直處于行駛狀態。由于目前尚無電動汽車冷負荷實車測試的統一標準，所以在路試過程中參考了GB/T 18386—2005電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法[5]中的相關測試工況，按照該標準中規定的行駛工況控制電動汽車的速度、加速和減速過程。但由于試驗條件所限，無法找到一條專用道路進行相關試驗，而實際道路路況復雜，車輛眾多，行駛過程中不可避免地須根據路面情況控制車速和行駛方向，因此，測試過程并未嚴格遵照標準中的要求行駛。行駛工況下部分測試結果如圖5所示。

從圖5可以看出，行駛工況下車底得熱量和儀表盤處得熱量的數值大于怠速工況，在汽車加速或爬坡過程中數值的增幅更為明顯，充分說明電動汽車在行駛過程中，電動機和電池包的散熱量對空調冷負荷的影響很大。行駛工況下其它測試區域的測試結果遠小于怠速工況，且數值變化波動很大，這一方面是因為車輛在行駛過程中周圍空氣流速加快，與外界環境的對流換熱加強；另一方面則是因為在實際行駛過程中，路況多變，行駛方向的改變會馬上使車體與太陽輻射的夾角發生顯著變化，而且道路兩邊綠化帶、房屋建筑等設施也會遮擋陽光，所以說這樣的測試結果應屬正常。行駛工況下車體各部分得熱量測試結果匯總于表6。

表6 行駛工況車體各部分得熱量測試結果 W

綜合考慮怠速工況和行駛工況下的測試結果，用兩種工況下各測試區域得熱量的最大值的算術平均值作為估算該電動汽車空調冷負荷的參考值，并將門窗漏風得熱量、新風得熱量、人體散熱量和其它設備散熱量考慮進去，即可得到該樣車空調最大冷負荷的實測值(3 587.73W)。這里簡單地認為儀表盤及腿擋板處的得熱量就是電動機室的傳入熱和車頂、車底與車門3部分的得熱量之和構成了車體圍護結構得熱量。

3 數據分析

通過理論計算和測試兩種方式得到了純電動汽車空調的冷負荷，二者在數值上相差了近600W。一方面，如前所述，理論計算結果本身就偏大一些；另一方面，在實際測試中并未得到輻射得熱量的具體數值，結果中也將其忽略，因此，實際測試結果偏小。真實的冷負荷應該介于二者之間，約為4 000W。

實際測試的電動機室傳入熱為100W(兩種工況測試結果的平均值)，而理論計算值為154W，說明理論計算時所作的電動機室空氣溫度比室外空氣溫度高20℃的假設有偏差。將實測值帶入理論計算式，可反推得到該樣車電動機室空氣溫度為47.8℃，高出室外空氣12.8℃，因此，在純電動汽車空調冷負荷計算時，可認為二者溫差在10～15℃之間。

兩種方式得到的車底得熱量相差不大(5W)，說明理論計算時考慮到車底電池包的影響，認為車底空氣溫度比室外空氣溫度高10℃左右是合理的，可在純電動汽車空調冷負荷計算中推廣使用。

實際測試中測得了座椅和車內其它內飾的散熱量，數值偏小，對整車冷負荷的影響不大，說明車體本身的蓄熱能力較弱，在理論計算時可以忽略，即認為得熱量與瞬時冷負荷相等。

另外，為了使電池始終工作在最佳溫度區間內，純電動汽車必須對電池進行主動冷卻，這也需要空調系統的支持。因此，純電動汽車空調冷負荷計算時，不僅要將電池包的散熱作為計算車廂冷負荷的邊界條件，還須將其作為冷負荷的一部分加以考慮。

綜上所述，傳統汽車空調負荷計算的方法應用在純電動汽車空調上是不可行的，必須充分考慮電動機室傳入熱及電池包散熱的影響。

4 結論

負荷特性對純電動汽車空調系統設計極為重要，傳統的理論計算方法不完全適合純電動汽車。在探索純電動汽車空調系統負荷計算方法時，可用相關儀器設備進行實車測試試驗。本文提出的純電動汽車空調冷負荷的測試方法為相關設計人員提供一種思路；但還有待今后進一步完善，以提高測試數據的準確性。

[1] 吳雙.汽車空調車身熱負荷計算方法分析與比較[J].制冷與空調,2002(6):20-23,27.

[2] 陳孟湘.汽車空調—原理、結構、安裝、維修[M].上海:上海交通大學出版社,1997:76-83.

[3] 方貴銀,李輝.汽車空調技術[M].北京:機械工業出版社,2002:82-94.

[4] 李夔寧,楊穎,童明偉.微型汽車空調冷負荷計算[J].重慶大學學報(自然科學版),2002(8):65-69.

[5] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 18386—2005電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2005.