空调热泵技术在电动汽车的应用

卢俊宇、孙人杰（东北大学秦皇岛分校控制工程学院、秦皇岛066003　东风汽车股份有限公司商品研发院、武汉430057）

空调热泵技术在电动汽车的应用

卢俊宇、孙人杰
（东北大学秦皇岛分校控制工程学院、秦皇岛066003东风汽车股份有限公司商品研发院、武汉430057）

本文比较分析了空调热泵系统与传统空调系统的区别，探讨了空调热泵技术的循环原理，并针对具体案例进行了计算和分析，为电动汽车空调热泵系统设计提供了参考。

电动汽车；空调热泵；应用分析

卢俊宇

东北大学秦皇岛分校控制工程学院在读 ，专业为：机械工程。

1　技术背景

1.1电动空调与传统空调差别

电动空调与传统空调差别主要体现在制热方面。传统空调制热原理为热量来源为发动机余热，电动空调的热原理为热量来自空调本身产生的热源。压缩机的差别在于传统压缩机由发动机来驱动，电动空调压缩机是由永磁直流无刷电机直接驱动［1］。

1.2国内外目前电动空调的发展现状

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［2］-［4］。

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［5］-［6］。

2　方案原理

2.1制冷循环原理

制冷系统采用电动压缩机方案，由电磁阀控制制冷剂的流向，将加热器侧制冷剂截止，流经车外机总成，通过散热，将压缩机排出的高温高压气体液化，再流经车内蒸发器，通过蒸发，吸收车外热量，达到降温目的，然后将过热蒸汽再回流到压缩机，形成一个制冷循环。由于此时，车外机散热=压缩机功耗+蒸发器吸热，电动压缩机可以通过控制转速，达到最佳效率点，可以获得较高的制冷效率，系统中系统最佳匹配后，制冷量可以达到输入功率的2.0倍以上，从而以最小能耗，达到最大限度制冷目的。

2.2热泵制热循环原理

制热系统采用热泵方案，由电磁阀控制改变制冷剂的流向，将蒸发器侧制冷剂截止，流经车内加热器，通过散热，将压缩机排出的高温高压气体液化，通过车外机的蒸发，吸收车外热量，然后将过热蒸汽再回流到压缩机，形成一个热泵循环。由于此时，加热器散热=压缩机功耗+室外机吸热，因此车内加热器可以获得高效率的采暖所需的热量，系统中系统最佳匹配后，制热量可以达到输入功率的3倍以上，从而以最小能耗，达到最大限度制热目的。

3　系统冷热负荷计算与分析

3.1系统冷负荷计算-稳态传热

3.1.1车身得热量来源

（1）夏季车身热负荷来源是由于车外温度高于车内，加上太阳辐射的作用，会有大量热量通过车壁及车窗玻璃传人车内；

（2）车厢密封性不好，会有不少热空气通过门窗及地板缝隙进入车内，或人为通入新风也会带来新风热负荷；

（3）人体发出的汗热和湿热也会使得车内温度升高，通过发动机室也会传人部分热量；

（4）同时还有地面发射热传人等等，这些热量之和就构成了车身冷负荷。

3.1.2汽车空调的得热量及制冷量

汽车空调设计制冷量是通过分别计算各部分得热量求得。

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

QO=kQT

式中：

QT：总热量，单位为W；

QO： 汽车空调设计制冷量，单位为W；

QB： 通过车体围护结构传入的热量，单位为W；

QG： 通过各玻璃表面以对流方式传入的热量，单位为W；

QP： 乘员散发的热量，单位为W；

QA： 由通风和密封性泄露进入车内的热量，单位为W；

QE： 发动机室传入的热量，单位为W；

QF： 通风系统中传入的热量，单位为W；

QS：车内电器散发的热量，单位为W；

K ：修正系数，可取k=1.05～1.15，这里取k=1.1；

3.1.3车身外表面所接受的太阳辐射强度

计算时，假定汽车向正南方向行使时，前窗和右侧窗为朝阳面，后窗和左侧窗为背阳面。相关计算参数如下：

I0太阳常数（是地球在日地平均距离处与太阳光垂直的大气上界单位面积上在单位时间内所接收的所有波长太阳辐射的总能量），这里取I=1353W/m2；0

IN垂直于太阳光线平面上的直接辐射强度，单位W/m2；

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

N0

大气透明率 P=0.7 ；

太阳高度角 β=83.5° ；

太阳辐射线在水平面上的投影与车身壁面法线的夹角θ=22.5°

由上诉计算参数，可得下列各个面的直接辐射强度，如下：

a.水平面上的太阳直接辐射强度

b.竖直面（车壁面）上的直接辐射强度

c.水平面上的天空散射辐射强度 JP，S

d.竖直面上的天空散射辐射强度 JC，S：

JC，S=0.5 JP，S=67.65

e.水平面（车顶）上的太阳总辐射强度 JZ：

f.竖直面（侧面）上的太阳总辐射强度JS：

g.朝阳面的太阳总辐射强度 I1：

h.背阳面的太阳总辐射强度 I2：

3.1.4车外空气的综合温度tZ

3.1.5车身围护结构对流传热计算

车身维护结构分为三部分：车顶、车身侧面、车地板。

式中

3.1.6通过门窗玻璃传入的热量

考虑太阳辐射，传入的热量由两部分组成：

车内温差而传入的热量QG1

太阳辐射通过玻璃传入热量QG2

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

3.1.7室外空气带入热

室外进入的空气主要是新风和漏风两部分QA=QA1+QA2。

室外新风带入热量QA1

漏入空气带入的热量QA2

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

3.1.8乘员散热负荷计算

QP司机人体散热：170W

q 室内乘员：1

QS乘员散热：108W

n 集群数：0.89

3.1.9由前围或发动机室传入的热量

由于汽车行驶时发动机罩盖发动机侧表面的风速一般仅有外面的2/3左右，

F=0.3m2

前围

QE=KEFE（tE-ti）=3.66×0.3×（38-25）=14W

3.1.10设备散热及照明产生的热负荷计算QS（含 QF）

其中按照经验取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

由于该车没有新风要求，故QO=kQT=1.1× （2273.2-607.4）=2382W

取整后制冷量 QO= 2400W

3.2热负荷计算-稳态传热

3.2.1汽车空调的耗热量及构成

汽车空调设计采暖量是通过分别计算各部分耗热量求得。

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

式中：

QH：汽车空调设计耗热量，单位为W；

Qa： 车身顶部耗热量，单位为W；

Qb： 玻璃门窗耗热量，单位为W；

Qc： 车身裙部耗热量，单位为W；

Qd： 车室内地板耗热量，单位为W；

Qe：冷空气渗透耗热量，单位为W；

Qp：车室内乘员人体散热量，单位为W；

Qf： 汽车前风窗除霜耗热量，单位为W；

3.2.3车身顶部耗热量Qa

冬季时车内空气温度，tin=18℃ ；

车内顶部温度，tina=tin+（5～10）=18+8=26℃

冬季时车内空气温度，tout= -10℃ ；

3.2.4玻璃门窗耗热量Qb

3.2.5车身裙部耗热量Qc，

比较侧围和前围的传入系数，取

车室内地板耗热量Qd

3.2.6冷空气渗透耗热量Qe

3.2.7汽车前风窗除霜耗热量Qf

在纯回风的情况下，按风量与所载制冷量的比例关系1：9～10，除霜风量，

4　结论

电泵空调系统在制冷方面由于原理和传统空调原理一致，可以满足性能要求。制热方面在-10℃以上工况可以满足制热性能要求，相比单纯用PTC制热来说，可以节约60%以上的能耗。但目前由于压缩机在-10℃以下环境温度时的低温效率、可靠性等等问题热泵技术需要结合低温时PTC的辅助加热，以综合满足整车-18℃制热要求。

［1］祁照岗，谢卓，陈江平，等. 汽车空调热泵系统可行性分析［C］// 上海市制冷学会二〇〇五年学术年会. 2005.

［2］谢卓，陈江平，陈芝久. 电动车热泵空调系统的设计分析［J］. 汽车工程，2006，28（8）：763-765.

［3］马国远，史保新. 电动汽车热泵空调系统的试验研究［J］. 低温工程，2000（4）：40-44.

［4］彭庆红，杜群贵. 电动客车变频热泵空调系统及其性能的试验研究［J］. 流体机械，2013（12）：65-69.

［5］周光辉，陈杰，陈通，等. 电动汽车热泵空调系统低温供热实验研究［J］. 低温与超导，2015（3）：42-45.

［6］李丽，魏名山，彭发展，等. 电动汽车用热泵空调系统设计与实验［J］. 制冷学报，2013，34（3）：60-63.

专家推荐

邓耀文：

该论文论点、论据明确，思路清晰，理论分析正确。文章中未发现知识产权侵权及泄密内容。可以发表。

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