电动汽车空调系统

3.1、电动汽车空调系统

全球气候变暖、大气污染以及能源成本高涨等问题日趋严峻，汽车作为环境污染和能源消耗的主要来源之一，其节能减排问题受到了越来越广泛的重视，各国政府和汽车企业均将节能环保当作未来汽车技术发展的指导方向，这样节能环保的电动也就应运而生。电动汽车是集汽车技术、电子及计算机技术、电化学技术、能源与新材料技术于一体的高新技术产品，与普通内燃机汽车相比，具有无污染、噪声低及节省石油资源的特点。基于以上电动汽车的特点，它极有可能成为人类新一代的清洁环保交通工具，它的推广普及具有不可估量的重要意义。

电动汽车的出现也为电动汽车空调的研究开发提出了新的课题与挑战。汽车空调的功能就是把车厢内的温度、湿度、空气清洁度及空气流动性保持在使人感觉舒适的状态。在各种气候环境条件下，电动汽车车厢内应保持舒适状态，以提供舒适的驾驶和乘坐环境。另外，拥有一套节能高效的空调系统对电动汽车开拓市场也起到至关重要的作用。因此，在开发研制电动汽车同时,必然也要对其配套的空调系统进行开发与研制。

对于目前传统燃油汽车空调系统，制冷主要采用发动机驱动的蒸汽压缩式制冷系统进行降温，而制热主要采用燃油发动机产生的余热。而对于电动汽车中的纯电动汽车以及燃料电池汽车来说，没有发动机作为空调压缩机的动力源，也不能提供作为汽车空调冬天制热用的热源，因此无法直接采用传统汽车空调系统的解决方案；对于混合动力车型来说，发动机的控制方式多样，故空调压缩机也不能采用发动机直接驱动的方案。综合以上原因，在电动汽车的开发过程中，必须研究适合电动汽车使用的新型空调系统。对于电动汽车来说，车上拥有高压直流电源，因此，采用电动热泵型空调系统，压缩机采用电机直接驱动，成为电动汽车可行的解决方案。

3.2、电动汽车空调的特点

电动汽车空调与普通空调装置相比，电动汽车空调装置以及车内环境主要有以下特点：

1) 汽车空调系统安装在运动的车辆上，要承受剧烈而频繁的振动与冲击，要求电动汽车空调装置结构中的各个零部件都应具有足够抗振动冲击的强度和良好的系统气密性能；

2) 电动汽车大部分属于短距离代步，乘坐时间较短，加上电动汽车内乘员所占空间比大，产生的热量相对较多，相对热负荷大，要求空调具有快速制冷、制热和低速运行能力；

3) 电动汽车空调使用的是车上蓄电池提供的直流电源，压缩机工作效率高，控制可靠性高，维护方便；

4) 汽车车身隔热层薄，而且门窗多，玻璃面积大，隔热性能差，电动汽车也不例外，致使车内漏热严重；

5) 车内设施高低不平且有座椅，气流分配组织困难，难以做到气流分布均匀。

3.3、国内外电动汽车空调发展现状

3.3.1、国内电动汽车空调发展现状

早期的国产电动汽车由于受到蓄电池能力的限制，为了不影响电动汽车的续行里程，大多数电动汽车都没有配备空调系统。

随着国内电动汽车逐步产业化、市场化，电动汽车必然要配备空调系统。由于受到电动汽车独特性影响，对于电动汽车中的纯电动汽车以及燃料电池汽车来说，没有发动机作为空调压缩机的动力源，也不能提供作为汽车空调冬天制热用的热源，国内汽车厂家就从传统燃油汽车空调的基础上进行部分替换设计，将燃油发动机带动的压缩机替换成直流电机直接驱动的压缩机，控制上相应改变，来完成空调制冷的功能，目前替换设计效果基本能解决电动汽车空调的制冷问题，但制冷效率有待提高。由于没有燃油发动机产生的余热，制热功能国内厂家目前主要采用PTC加热和电热管加热，这些加热模式虽能满足制热效果，但这些加热模式都是硬消耗电动汽车上的蓄电池电能，制热效率相对较低，影响电动汽车的续行里程。

在空调的主要零部件选用上，目前国内的电动汽车除了压缩机和控制模式，其他主要零部件还是沿用燃油汽车空调的零部件，冷凝设备主要用的是平行流冷凝器，蒸发设备主要用的是层叠式蒸发器，节流装置仍然是热力膨胀阀，制冷剂仍然是R134a。

据不完全了解，国内在大力开发电动汽车的厂家如奇瑞、比亚迪、一汽、上汽、江淮等目前电动汽车空调配套情况基本差不多，都处于上述的发展现状。

3.3.2、国外电动汽车空调发展现状

国外电动汽车空调发展相对国内来说较成熟，国外电动汽车空调不乏有跟国内相似的模式，但在热泵电动汽车空调上已经有了一定的基础，日本本田纯电动车就采用了电驱动热泵式空调系统，系统中内置了一个反换流器控制压缩泵。此外，在特别寒冷的地区使用时，部分车型顾客可以选装一个燃油加热器采暖系统。

日本电装（DENSO）公司早在几年前就开发了采用R134a制冷剂的电动汽车热泵型空调系统，其在热泵系统的风道中采用了车内冷凝器和蒸发器的结构。电装（DENSO）公司在2003年还开发了由于自然工质CO2良好的热物理性能，日本电装公司也为电动车开发了一套CO2热泵空调系统，系统也采用了在风道内设置2个换热器的方案，与R134a系统不同的是当系统为制冷模式时，制冷剂同时流经内部冷凝器和外部冷凝器。

为了减少空调对蓄电池的电能消耗，美国Amerigon公司开发了空调座椅，这种空调座椅上装有热电热泵，热电热泵的作用就是通过需要调温的空间之外的水箱转移热量，从而实现需要调温的空间制冷或制热。这种空调座椅除了节能还可以改善驾驶、乘坐的舒适性，在电动汽车上配套使用比较适合。

因此，国外电动汽车空调从节能高效和实用性上有所突破，国内电动汽车空调行业应积极向国外先进技术学习、借鉴，并在此基础上有所创新突破。

3.4、电动汽车空调的发展趋势

电动汽车驱动能量来源于蓄电池，有别于传统燃油汽车，使得它的空调系统也不同于燃油汽车空调，由于作为驱动能量来源的蓄电池容量有限，空调系统的能耗对电动汽车的续行里程有较大的影响。同燃油汽车相比，对电动汽车空调系统的节能高效提出了更高的要求。同时，电动汽车空调必须要解决制冷、制热两大问题。根据电动汽车特有性质，目前电动汽车空调可采用热电（偶）空调系统和电动热泵型空调系统。

3.4.1、热电（偶）电动汽车空调系统

该项技术具有很多适合电动汽车使用的特点，并且与传统机械压缩式空调系统相比，热电空气调节具有以下特点:

a) 热电元件工作需要直流电源;

b) 改变电流方向即可产生制冷、制热的逆效果;

c) 热电制冷片热惯性非常小，制冷时间很短，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差;

d) 调节组件工作电流的大小即可调节制冷速度和温度，温度控制精度可达0.001℃，并且容易实现能量的连续调节;

e) 在正确设计和应用条件下，其制冷效率可达90%以上，而制热效率远大于1;

f) 体积小、重量轻、结构紧凑，有利于减小电动汽车的整备质量;可靠性高、寿命长并且维护方便;没有转动部件，因此无振动、无摩擦、无噪声且耐冲击。

热电（偶）制冷、制热工作原理如图1所示：

图1热电（偶）制冷、制热工作原理图

3.4.2、热泵型电动汽车空调系统

该热泵型空调系统是在原有燃油汽车上进行改进的，压缩机是由永磁直流无刷电机直接驱动，系统的工作原理图如图2所示。该系统与普通的热泵空调系统并无本质区别，由于在电动车上使用，压缩机等主要部件有其特殊性。而且国外热泵技术具备了一定的基础，该技术最大的优点就是制冷、制热效率高，相关企业开发的全封闭电动涡旋压缩机，是由一个直流无刷电动机驱动，通过制冷剂回气冷却，具有噪声低，振动小，结构紧凑，质量轻等优点。在测试条件为环境温度40℃，车内温度27℃，相对湿度50％的工况下，系统稳定时它能以1kW的能耗获得2.9kW的制冷量；当环境温度为-l0℃，车内温度25℃，以1kW的能耗可以获得2.3kW的制热量。在-l0℃～40℃的环境温度下，均能以较高的效率为电动汽车提供舒适的驾乘环境。若能在零部件技术上得到改进，相应效率还可以得到提高。

图1热泵系统工作原理图

综合以上所述，从空调技术成熟性和能源利用效率比较来看，对于热电（偶）电动汽车空调系统，目前存在着热电材料的优值系数较低，制冷性能不够理想，并且热电堆产量受到构成热电元件的蹄元素产量的限制。不具备电动汽车空调节能高效的要求。这使得电动汽车空调更倾向于选用节能高效的热泵型空调，该技术方案对于不同类型电动汽车通用性较好，并且对整车结构改变较小，是将来电动汽车空调发展趋势。

目前热泵型电动汽车空调最大的软肋是低温制热问题，尤其是在东北地区，这也是将来该行业研究难题之一。为了使热泵型电动汽车空调更节能高效，可以从以下几个角度去着重解决：

a) 开发更高效的直流涡旋压缩机；

b) 开发控制更精准、更节能的硅电子膨胀阀；

c) 采用高效的过冷式平行流冷凝器；

d) 改善微通道蒸发器结构，使制冷剂蒸发更均匀。

此外，电动汽车开门的次数以及在行车中受车速、光照、怠速等因素的影响，空调湿热负荷大。压缩机乃至整个空调系统都要适应这种多因素变化的工况，因此热泵型电动汽车空调系统变工况设计尤为重要。

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