空調熱泵技術在電動汽車的應用

盧俊宇、孫人杰（東北大學秦皇島分校控制工程學院、秦皇島066003　東風汽車股份有限公司商品研發院、武漢430057）

空調熱泵技術在電動汽車的應用

盧俊宇、孫人杰
（東北大學秦皇島分校控制工程學院、秦皇島066003東風汽車股份有限公司商品研發院、武漢430057）

本文比較分析了空調熱泵系統與傳統空調系統的區別，探討了空調熱泵技術的循環原理，并針對具體案例進行了計算和分析，為電動汽車空調熱泵系統設計提供了參考。

電動汽車；空調熱泵；應用分析

盧俊宇

東北大學秦皇島分校控制工程學院在讀 ，專業為：機械工程。

1　技術背景

1.1電動空調與傳統空調差別

電動空調與傳統空調差別主要體現在制熱方面。傳統空調制熱原理為熱量來源為發動機余熱，電動空調的熱原理為熱量來自空調本身產生的熱源。壓縮機的差別在于傳統壓縮機由發動機來驅動，電動空調壓縮機是由永磁直流無刷電機直接驅動［1］。

1.2國內外目前電動空調的發展現狀

國內汽車廠家就從傳統燃油汽車空調的基礎上進行部分替換設計，將燃油發動機帶動的壓縮機替換成直流電機直接驅動的壓縮機，控制上相應改變，來完成空調制冷的功能，目前替換設計效果基本能解決電動汽車空調的制冷問題，但制冷效率有待提高。由于沒有燃油發動機產生的余熱，制熱功能國內廠家目前主要采用PTC加熱和電熱管加熱，這些加熱模式雖能滿足制熱效果，但這些加熱模式都是硬消耗電動汽車上的蓄電池電能，制熱效率相對較低，影響電動汽車的續行里程［2］-［4］。

國外電動汽車空調發展相對國內來說較成熟，國外電動汽車空調不乏有跟國內相似的模式，但在熱泵電動汽車空調上已經有了一定的基礎，日本本田純電動車就采用了電驅動熱泵式空調系統，系統中內置了一個反換流器控制壓縮泵。此外，在特別寒冷的地區使用時，部分車型顧客可以選裝一個燃油加熱器采暖系統［5］-［6］。

2　方案原理

2.1制冷循環原理

制冷系統采用電動壓縮機方案，由電磁閥控制制冷劑的流向，將加熱器側制冷劑截止，流經車外機總成，通過散熱，將壓縮機排出的高溫高壓氣體液化，再流經車內蒸發器，通過蒸發，吸收車外熱量，達到降溫目的，然后將過熱蒸汽再回流到壓縮機，形成一個制冷循環。由于此時，車外機散熱=壓縮機功耗+蒸發器吸熱，電動壓縮機可以通過控制轉速，達到最佳效率點，可以獲得較高的制冷效率，系統中系統最佳匹配后，制冷量可以達到輸入功率的2.0倍以上，從而以最小能耗，達到最大限度制冷目的。

2.2熱泵制熱循環原理

制熱系統采用熱泵方案，由電磁閥控制改變制冷劑的流向，將蒸發器側制冷劑截止，流經車內加熱器，通過散熱，將壓縮機排出的高溫高壓氣體液化，通過車外機的蒸發，吸收車外熱量，然后將過熱蒸汽再回流到壓縮機，形成一個熱泵循環。由于此時，加熱器散熱=壓縮機功耗+室外機吸熱，因此車內加熱器可以獲得高效率的采暖所需的熱量，系統中系統最佳匹配后，制熱量可以達到輸入功率的3倍以上，從而以最小能耗，達到最大限度制熱目的。

3　系統冷熱負荷計算與分析

3.1系統冷負荷計算-穩態傳熱

3.1.1車身得熱量來源

（1）夏季車身熱負荷來源是由于車外溫度高于車內，加上太陽輻射的作用，會有大量熱量通過車壁及車窗玻璃傳人車內；

（2）車廂密封性不好，會有不少熱空氣通過門窗及地板縫隙進入車內，或人為通入新風也會帶來新風熱負荷；

（3）人體發出的汗熱和濕熱也會使得車內溫度升高，通過發動機室也會傳人部分熱量；

（4）同時還有地面發射熱傳人等等，這些熱量之和就構成了車身冷負荷。

3.1.2汽車空調的得熱量及制冷量

汽車空調設計制冷量是通過分別計算各部分得熱量求得。

QT=QB+QG+QP+QA+QE+QF+QS

QO=kQT

式中：

QT：總熱量，單位為W；

QO： 汽車空調設計制冷量，單位為W；

QB： 通過車體圍護結構傳入的熱量，單位為W；

QG： 通過各玻璃表面以對流方式傳入的熱量，單位為W；

QP： 乘員散發的熱量，單位為W；

QA： 由通風和密封性泄露進入車內的熱量，單位為W；

QE： 發動機室傳入的熱量，單位為W；

QF： 通風系統中傳入的熱量，單位為W；

QS：車內電器散發的熱量，單位為W；

K ：修正系數，可取k=1.05～1.15，這里取k=1.1；

3.1.3車身外表面所接受的太陽輻射強度

計算時，假定汽車向正南方向行使時，前窗和右側窗為朝陽面，后窗和左側窗為背陽面。相關計算參數如下：

I0太陽常數（是地球在日地平均距離處與太陽光垂直的大氣上界單位面積上在單位時間內所接收的所有波長太陽輻射的總能量），這里取I=1353W/m2；0

IN垂直于太陽光線平面上的直接輻射強度，單位W/m2；

I=I Pm=1353×0.71.0065=1353×0.698=944.9W/m2；

N0

大氣透明率 P=0.7 ；

太陽高度角 β=83.5° ；

太陽輻射線在水平面上的投影與車身壁面法線的夾角θ=22.5°

由上訴計算參數，可得下列各個面的直接輻射強度，如下：

a.水平面上的太陽直接輻射強度

b.豎直面（車壁面）上的直接輻射強度

c.水平面上的天空散射輻射強度 JP，S

d.豎直面上的天空散射輻射強度 JC，S：

JC，S=0.5 JP，S=67.65

e.水平面（車頂）上的太陽總輻射強度 JZ：

f.豎直面（側面）上的太陽總輻射強度JS：

g.朝陽面的太陽總輻射強度 I1：

h.背陽面的太陽總輻射強度 I2：

3.1.4車外空氣的綜合溫度tZ

3.1.5車身圍護結構對流傳熱計算

車身維護結構分為三部分：車頂、車身側面、車地板。

式中

3.1.6通過門窗玻璃傳入的熱量

考慮太陽輻射，傳入的熱量由兩部分組成：

車內溫差而傳入的熱量QG1

太陽輻射通過玻璃傳入熱量QG2

QG=QG1+QG2=84.5+1058=1142W

3.1.7室外空氣帶入熱

室外進入的空氣主要是新風和漏風兩部分QA=QA1+QA2。

室外新風帶入熱量QA1

漏入空氣帶入的熱量QA2

QA=QA1+QA2=607.4+364.4=971.8W

3.1.8乘員散熱負荷計算

QP司機人體散熱：170W

q 室內乘員：1

QS乘員散熱：108W

n 集群數：0.89

3.1.9由前圍或發動機室傳入的熱量

由于汽車行駛時發動機罩蓋發動機側表面的風速一般僅有外面的2/3左右，

F=0.3m2

前圍

QE=KEFE（tE-ti）=3.66×0.3×（38-25）=14W

3.1.10設備散熱及照明產生的熱負荷計算QS（含 QF）

其中按照經驗取Q1= 100W

QT=QB+QG+QP+QA+QE+QF+QS

=319.4+1142+266+971.8+14+60=2773.2W

QO=kQT=1.1×2565.3=2911W

由于該車沒有新風要求，故QO=kQT=1.1× （2273.2-607.4）=2382W

取整后制冷量 QO= 2400W

3.2熱負荷計算-穩態傳熱

3.2.1汽車空調的耗熱量及構成

汽車空調設計采暖量是通過分別計算各部分耗熱量求得。

QH=Qa+Qb+Qc+Qd+Qe+Qp+Qf

式中：

QH：汽車空調設計耗熱量，單位為W；

Qa： 車身頂部耗熱量，單位為W；

Qb： 玻璃門窗耗熱量，單位為W；

Qc： 車身裙部耗熱量，單位為W；

Qd： 車室內地板耗熱量，單位為W；

Qe：冷空氣滲透耗熱量，單位為W；

Qp：車室內乘員人體散熱量，單位為W；

Qf： 汽車前風窗除霜耗熱量，單位為W；

3.2.3車身頂部耗熱量Qa

冬季時車內空氣溫度，tin=18℃ ；

車內頂部溫度，tina=tin+（5～10）=18+8=26℃

冬季時車內空氣溫度，tout= -10℃ ；

3.2.4玻璃門窗耗熱量Qb

3.2.5車身裙部耗熱量Qc，

比較側圍和前圍的傳入系數，取

車室內地板耗熱量Qd

3.2.6冷空氣滲透耗熱量Qe

3.2.7汽車前風窗除霜耗熱量Qf

在純回風的情況下，按風量與所載制冷量的比例關系1：9～10，除霜風量，

4　結論

電泵空調系統在制冷方面由于原理和傳統空調原理一致，可以滿足性能要求。制熱方面在-10℃以上工況可以滿足制熱性能要求，相比單純用PTC制熱來說，可以節約60%以上的能耗。但目前由于壓縮機在-10℃以下環境溫度時的低溫效率、可靠性等等問題熱泵技術需要結合低溫時PTC的輔助加熱，以綜合滿足整車-18℃制熱要求。

［1］祁照崗，謝卓，陳江平，等. 汽車空調熱泵系統可行性分析［C］// 上海市制冷學會二〇〇五年學術年會. 2005.

［2］謝卓，陳江平，陳芝久. 電動車熱泵空調系統的設計分析［J］. 汽車工程，2006，28（8）：763-765.

［3］馬國遠，史保新. 電動汽車熱泵空調系統的試驗研究［J］. 低溫工程，2000（4）：40-44.

［4］彭慶紅，杜群貴. 電動客車變頻熱泵空調系統及其性能的試驗研究［J］. 流體機械，2013（12）：65-69.

［5］周光輝，陳杰，陳通，等. 電動汽車熱泵空調系統低溫供熱實驗研究［J］. 低溫與超導，2015（3）：42-45.

［6］李麗，魏名山，彭發展，等. 電動汽車用熱泵空調系統設計與實驗［J］. 制冷學報，2013，34（3）：60-63.

專家推薦

鄧耀文：

該論文論點、論據明確，思路清晰，理論分析正確。文章中未發現知識產權侵權及泄密內容。可以發表。

Deat Pump Air Conditioning Technology Applied in Electrical Vehicle

LU Jun-yu，SUN Ren-jie
（Northeastem University in Qinhuangdao Controi Engineering College Qinhuangdao 066003 DongFeng Automobile Co.Ltd. wuhan 430057，China ）

In this paper，the difference between heat pump air condition system and traditional air condition system was comparative discussed. Then the working principles of refrigeration cycle were introduced. Finally a calculation case was operated and analyzed，which provided a reference for the design of heat pump air conditioning system applied for electrical vehicle.

Electrical Vehicle； Heat Pump Air Conditioning； Application Analysis

2016-05-30

TH122

A

1005-2550（2016）04-0095-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.04.018