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1、上海理工新能源汽车空调系统技术探索赵举低温与超导 第 41卷 第 7期制冷技术 Refrigeration CryoSupercondVol41No7收稿日期 :20130327作者简介 :赵举 (1990 , 男 , 硕士生 , 主要研究方向为多级热电制冷 。新能源汽车空调系统技术探索赵举 , 陈曦(上海理工大学制冷技术研究所 , 上海 200093摘要 :在能源与环境的双重压力下 , 新能源汽车产业迅速发展 。 其空调系统的研究也引起了人们重视 。 对应 用在新能源汽车上的热泵式和燃料电池余热利用空调系统进行了调研 , 并对其进行分析 。 从压缩机 、 制冷 、 供热系 统等方面介绍了新能

2、源汽车空调系统与传统汽车空调系统的区别 。 介绍了用作汽车空调系统的 R1234yf 和 CO 2两种新型制冷剂 。 论述了新能源汽车空调系统发展的关键性技术问题 。关键词 :汽车空调 ; 新能源 ; 压缩机 ; 制冷剂Technical exploration of new energy vehicle air conditioning systemZhao Ju , Chen Xi(Institute of Refrigeration Technology , University of Shanghai for Science and Technology , Shanghai 2000

3、93, China Abstract :New energy vehicle industry has developed rapidly under the dual pressures of energy and environmentIts air conditioning system has also caused peoples attentionSeveral new energy vehicle air conditioning systems were introduced and analyzed in this paperThe differences between n

4、ew energy vehicle air conditioning system and the conventional one were intro-duced by the aspects of compressor , refrigeration system , heating systemR1234yf and CO 2were introduced as two new refriger-ant used in vehicle air conditioning systemSome key technical issues for the development process

5、 of new energy vehicle air con-ditioning system were discussedKeywords :Vehicle air conditioning , New energy , Compressor , Refrigerant1引言能源危机和环境污染日趋严重早已成为全球性的问题 ,解决良策是采用新能源代替传统化石 燃料 。 传统汽车采用石油作为燃料 , 为人们提供了方便的同时 , 对环境也造成了很大的污染 。 在 能源和环境的双重压力下 , 新能源汽车无疑成为了未来汽车的发展方向 1。 世界各国以及大型 汽车制造商已不遗余力地研究新能源汽车的开发

6、并努力实现其产业化 , 我国对新能源汽车的发展 也极为重视 。 汽车的使用不仅需要环保 , 也需要 满足舒适性的要求 , 因此 , 汽车空调系统起着极其 重要的作用 , 与传统汽车空调相比 , 新能源汽车空 调由于能源供应方式不同而存在结构设计上的差 别 。 本文将就新能源汽车空调的发展及其技术现 状进行分析和展望 。2新能源汽车空调系统新能源汽车与传统汽车最大的不同之处在于能源供应系统 , 传统汽车采用汽油 、 天然气以及柴 油作为燃料 , 驱动发动机提供驱动力 , 因此一般的 传统汽车空调系统采用发动机的输出机械功为驱 动力 , 通过离合器的作用带动开启式空调压缩机 工作 , 以实现夏季的

7、制冷作用 ; 在冬季采用汽车发 动机冷却水为热源 ,对车厢内提供热风加热 , 实现 冬季空调系统的供热 。 而新能源汽车大多采用电 池发电驱动电机的能源系统 , 因此新能源汽车能 源系统可直接输出高质量的电能 , 不需要离合器 动力输出系统来带动压缩机 , 可直接对压缩机供 电 。 这种工作原理的不同为新能源汽车空调系统 设计提供了新的技术思路 。 根据供电的使用方式 和新能源汽车电池系统的发热利用方式 , 可以把 新能源汽车空调系统分成两种类型 , 一是直接利 用电能的热泵式空调系统 ; 另一种是采用电池发 热驱动吸收式制冷系统的空调系统 。 21热泵式空调系统如图 1所示热泵式汽车空调系统

8、 2, 采用独立 式电动压缩机驱动形式 , 压缩机由单独电机驱动 , 电 池组分别向动力系统驱动电机和电动压缩机供电 , 因此空调系统工作不受汽车整体运行状况的影响 。图 1电动汽车热泵空调系统Fig1Heat pump air conditioning system for electric vehicle该热泵式空调系统为双路空气流动方式 , 风 道由隔板隔开 , 新鲜空气从上部进入经加热后从 挡风玻璃内部表面吹出除霜 , 内部循环空气则由 下部风道导入经加热向乘客脚部吹出 。 这种方式 不仅比传统的全新鲜空气流动方案节省能耗 , 而 且解决了当外界环境温度较低 , 车内湿度较大时 由车内

9、空气再循环引起的结霜问题 。传统热泵空调只有两个热交换器 , 内部热交 换器制冷时作为蒸发器 , 制热时作为冷凝器 。 传 统系统应用于汽车 , 在除霜模式转到加热模式时 , 冷凝在热交换器上的水将立即蒸发而雾化在风挡 玻璃 , 形成结霜现象 , 不利于汽车的安全驾驶 。 与 传统热泵型空调系统不同 , 上述电动汽车热泵空 调系统的设计可以使空气通过车内蒸发器来除 湿 , 将空气冷却到除霜所需要的温度 , 再通过车内 冷凝器加热 , 然后将它送到车内 , 解决了汽车安全 驾驶的问题 。 在除霜模式下 , 采用由受外部信号 控制的步进电机驱动的电子膨胀阀 , 对阀门开度 进行调节 , 对制冷剂流

10、量进行线性控制 , 可以有效 地控制空气出口温度 。 上述热泵空调系统性能参 数如表 1所示 , 可见在 10 与 40 之间均有良 好的工作性能 。表 1DENSO 电动汽车热泵汽车空调系统性能Tab1Performance of DENSO electric vehicle air conditioning system项目 环境条件 系统性能制冷 环境温度 40 , 车室温度 27 , 相对湿度 50%1kW 能耗获得 29kW 制冷量 制热 环境温度 10 , 车室温度 25 1kW 能耗获得 23kW 制热量该热泵空调系统在冬季低温工况时 , 可采用 PTC 热敏电阻辅助加热 , 其

11、作用有两个 , 一是加快 冬季汽车空调的制热速度 ; 二是在环境低温高湿 条件下 , 采用该电加热系统对蒸发器除霜 。 PTC 加热套件所需直流电来自车载蓄电池 , 在 PTC 加 热套件处安装轴流式或离心式风机 , 配合良好的 风道设计 , 使作用到整个 PTC 发热器迎风面上的 风速均匀 , 充分发挥 PTC 元件的发热能力 , PTC 发热器的消耗功率和出口风温与风速密切相关 , 风速增加 , 发热量增大 。 PTC 辅助电加热系统的 供热效率低 , 对电能的消耗大 , 不适合长期使用 , 也可以采用汽车电池的发热来弥补 。 22燃料电池余热利用空调系统燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂

12、中的 化学能直接转化为电能的发电装置 , 其转化效率 高达 50% 60%, 其 余 转 化 为 蒸 汽 、 温 水 及 废 热 3。 将其作为动力源 , 实际能源利用效率是普 通内燃机的 2 3倍 。 燃料电池过热 , 会导致其工 作效率降低 , 性能恶化 4, 因此采用燃料电池本 身的余热给车辆供暖 , 将大大提高车辆的经济性 和能量利用效率 , 使得燃料电池车辆用能更合理 。 相对于甲醇 、 汽油燃料电池 , 从车辆设计 、 成本 、 效 率以及潜在的能源供应和环境效益等方面考虑 , 氢是燃料电池汽车的首选燃料 5 6。 燃料电池以电解质的种类区分 , 有五种类型 :碱性燃料电池 (AF

13、C 、 磷酸燃料电池 (PAFC 、 熔融碳酸盐燃料 电池 (MCFC 、 固体氧化物燃料电池 (SOFC 、 质 子交换膜燃料电池 (PEMFC 7。 从车辆动力方 面考虑 , 以质子交换膜燃料电池 (PEMFC 最为世 界各大车 厂 所 重 视 8, 其 工 作 电 流 大 (1 4A / cm 2, 06V , 比功率高 (01 02kW /kg , 比能量 大 , 能量效率高 , 冷启动时间短 (可以在数秒内实 现冷起动 , 正常工作温度 60 100 , 室温下 具有 80%的额定功率 , 排出的废热约为 80 9。 此种燃料电池上的汽车空调可采用吸收式制冷空 调系统 , 利用热源来

14、驱动热泵 , 其热源可来自燃料 电池的冷却水等 , 所以吸收式热泵不像传统汽车 的压缩式空调系统需要耗费发动机输出功 , 只有 溶液泵消耗少量电能 , 其总需求的电能为压缩式 热泵的 3%。以一台小型电动汽车空调系统为例 , 汽车电 池总功率为 65kW , 其电池转化效率为 50%。 故 其产生电能为 325kW , 剩余蒸汽 、 温水 、 废热等 为 325kW 。 利用直接接触式 热 交 换 器 可 回 收 70%的热能 , 以最大回收率计算得回收热为 2275kW , 利用这些热能驱动溴化锂吸收式制冷系统 (COP 约 为 06 07 , 则 其 制 冷 量 约 为 136kW 。 一

15、般小型汽车所需制冷量为 5kW , 故可获 得的制冷量远大于所需制冷量 , 因此采用吸收式 制冷系统可实现新能源汽车空调的制冷要求 。图 2燃料电池吸收式汽车空调系统Fig2Absorption air conditioning system for fuel cell vehicle图 2为同济大学设计的燃料电池用汽车吸收式制冷空调系统 , 其中水做制冷剂 , 溴化锂做吸收剂 。 燃料电池热管理系统的主换热器与吸收式制冷的发生器中直接热交换作为驱动吸收式制冷系统热动力 ; 同时主换热器上部接一个带有变频水泵的旁通支路 , 当燃料电池的热量多于吸收式制 冷所需的热量时 , 通过旁通支路从辅助换

16、热器排 出 , 从而确保燃料电池在允许温度范围内工作 ; 此 系统的冷凝器 、 吸收器和燃料电池的辅助换热器 共用一套冷却系统通至车外的风冷式换热器中 。图 3燃料电池汽车余热供暖系统Fig3Heating system for fuel cell vehicle图 3所示的燃料电池供暖系统 10, 工作过程为 :打开截止阀 , 燃料电池发动机启动时 , 通过控制三通阀旁通燃料电池散热器 , 冷却液经过中间换热器从燃料电池发动机出口到进口 , 通过中间 换热器获得的热量通过供暖管路向车厢供暖 , 其 中供暖回路的水泵和风扇采用手动开关控制 。 当三通阀处的冷却液温度升高到设定值 1(该设定 值

17、 1是燃料电池对冷却液温度的限定值 时 , 控 制三通阀让冷却液流经燃料电池发动机散热器 , 同时开启燃料电池散热器冷却风扇 。 当三通阀处 的冷却液温度低于设定值 2时 , 控制三通阀旁通 燃料电池发动机散热器 。 设定值 2是避免三通阀 频繁开启而设定的比设定值 1略小的值 。上述系统充分利用了燃料电池的能量 , 并可 以为汽车空调系统供热提供了相当的热量 。 燃料电池余热利用空调系统体积大 , 系统较 复杂 , 对汽车整体要求较高 , 技术不够成熟 。 但随 技术成熟发展 , 由于其高能量利用率 、 节能环保等 优点 , 具有良好的发展前景 。23新能源汽车空调与传统汽车空调的比较 传统

18、汽车空调制冷采用蒸汽压缩制冷循环 , 制热则是利用发动机冷却液为热源 , 当发动机冷 却液温度较高时 , 冷却液流过暖风系统中的热交 换器 , 将鼓风机送来的空气与发动机冷液进行热 交换 , 空气加热后被鼓风机通过各出风口送入车 内 。 而新能源汽车空调由于没有发动机余热利 用 , 导致制热方式与传统汽车空调有很大区别 。 其空调系统主要采用热泵式空调系统配合辅助电 加热 , 燃料电池余热利用空调系统等 。传统汽车空调压缩机多采用开启式 , 即压缩 机主轴的功率输入端伸出机体之外 , 通过皮带轮 与发动机连接 。 轴伸出机体部位装有轴封 , 来防 止制冷剂外泄 。 新能源汽车空调系统与之不同

19、, 利用电动压缩机提供循环动力 , 摆脱了发动机的 束缚 。 电动压缩机总成包括电动压缩机和驱动控 制器部分 。 按结构型式可分为分体式和一体式两 种 :分体式电动压缩机由上述两个部分分开独立 安装使用 ; 一体式电动压缩机由上述两个部分集 成为一体 11。 电动空调通过实现变频控制可有 效减少能量消耗 , 提高系统效率 12。 此外 , 新能 源汽车空调系统制冷量不受汽车行驶速度的影 响 , 更方便精确调节空气温度等各种参数 , 提高了 车内乘客舒适性 。 采用电动压缩机驱动 , 噪声较 小 , 使用寿命较长 , 而且取消了发动机与压缩机的 传动装置 , 减小了汽车结构的复杂性 。当前主流汽

20、车用电动压缩机主要采用涡旋式 。表 2新能源汽车空调与传统汽车空调比较Tab2New energy vehicle VS traditional vehicle in air conditioning system传统汽车空调 新能源汽车空调压缩机类型 斜盘式 、 摇摆式 、 往复式 涡旋式 、 旋叶式 、 往复式 压缩机结构形式 开启式 全封闭式 、 半封闭式 制冷系统形式 蒸汽压缩式 蒸汽压缩式 、 吸收式 制热系统形式 发动机冷却液 热泵式 、 电加热 、 燃料电池余热供暖 蒸发器 管片式 、 管带式 、 层叠式 管片式 、 层叠式 、 管带式 冷凝器 管片式 、 管带式 、 鳍片式 、

21、 平行流 管片式 、 管带式 、 鳍片式 、 平行流有资料表明 , 采用全封闭涡旋式压缩机 , 制冷系数 可以提高 20%左右 , 功耗可以下降 23%左右 , 质量 可以下降 30%左右 13。 涡旋压缩机主要以日本三 电公司 , 三菱重工公司和电装公司为主要生产厂 , 日本电装 (DENSO 公司已研制开发了电动汽车空 调用涡旋压缩机 14, 具有良好发展前景 。 表 2为 新能源汽车空调与传统汽车空调的比较 。3新能源汽车空调制冷剂R134a 被广 泛 用 于 汽 车 空 调 制 冷 剂 , 但 其 GWP 值为 1300。 自 2011年 1月 1日起 , 欧盟已 禁止在新设计车型上使

22、用 GWP 150的制冷剂 , 自 2017年 1月 1日起 , 在欧盟境内生产和销售的 所有新车 , 将禁止使用 GWP 150的制冷剂 15。 目前其替代制冷剂主要有 R1234yf 和 CO 2。 R1234yf 其 ODP =0, GWP =4, 具有良好 的 LCCP , 热力性质与 R134a 相近 。 R1234yf 具有毒 性低 , 可燃性弱的特点 , 其 工 作 压 力 、 制 冷 量 及 COP 等参数与 R134a 系统相近 , 图 4为 R1234yf 与 R134a 在汽车空调制冷循环的压焓图比较 , 可 见其正常工况下吸气压力排气压力基本相同 , 因 此用 R123

23、4yf 代替 R134a 在汽车空调系统结构上 仅需做出很小的调整 。 2011年 4月 7日 , 霍尼韦 尔公司宣布 , R1234yf 制冷剂已获得美国环保署 的最终批准 , 可用于汽车空调系统 。CO2作为天然制冷剂 , ODP =0, GWP =1, 安 全无毒 、 不燃 、 成本低廉 , 无需回收和再生 。 用作汽车空调系统为超临界循环 , 具有相当大的单位 容积制冷量 , 可以使压缩机的尺寸减小 , 流动和传 热性能好 , 减少管道和热交换器尺寸 , 使系统高效 紧凑 。 德国 、 日本等国家都已生产装备 CO 2汽车 空调系统的车型 。图 4R1234yf 与 R134a 在汽车

24、空调制冷循环的压焓图比较Fig4R1234yf VS R134a in vehicle air conditioning4新能源汽车空调发展应注意的问题新能源汽车空调技术处于发展阶段 , 这就注定将面临一些问题 :(1 就目前来说 , 电池造价高 , 循环寿命短 , 能量密度低 , 设计工艺水平低 。 新能源汽车空调 系统耗电量较大 , 汽车上其他装置也同样需要电 力供应 , 就有可能产生发动机启动后空调系统无法 正常运行等类似技术问题 。 这就要求在设计空调 系统时充分考虑新能源汽车电池容量和空调系统的最大制冷 、制热量 , 做好电池的防泄漏工作 , 并努 力使电池有较低的生产成本和较长的使

25、用周期 。(2 在汽车运行期间 , 电池会产生一定的热 量 , 而电池过热势必会对汽车空调系统造成一定 的影响 , 这时就需要电池冷却系统使电池始终保 持在最佳工况下进行供电 。(3 汽车在高速行驶过程中 , 汽车内各部件 会有相应的碰撞 , 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 , 因此电动汽车 空调装置结构中的各个零部件都应具有足够的强 度 、 气密性能 。新能源汽车发展是当前汽车发展的必然趋 势 , 空调系统的技术的跟进是促进新型汽车发展 的必要因素 。 从目前的研究来看 , 电池依旧是制 约新能源发展的最大瓶颈 , 实现对电动压缩机及 电池方面的技术突破 , 采

26、用新型环保制冷剂 , 相信最终能够迎来汽车工业的根本性变革时代 。 参考文献1Chan C CAn overview of electric vehicle technology C Proceedings of the IEEE ,1993, 81(9 :120212132Takahisa Suzuki KatsuyaAir conditioning system for elec-tric vehicle Z SAE Technical Paper , 960688, 19963曹中义 电动汽车空调系统解决方案 J 汽车电器 ,2008(3 :144Suan Chul Kima , Jon

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