太阳能辅助汽车电动空调制冷系统研究

王太成，张洪岩

（1.山东交通职业学院，山东 泰安 271000；2.胜利油田新星燃气技术开发有限责任公司，山东 东营 257000）

目前，国内外对汽车空调系统的研究，除继续优化现有车载空调系统的结构布局和提高舒适性能外，还有将太阳能辅助温控系统应用在汽车空调系统中，以解决夏日汽车室外熄火暂时停泊后车内的制冷和空气调节问题的方案。已经成型的产品有太阳能温控风扇和太阳能半导体制冷装置。前者是利用车载太阳能电池板给蓄电池充电，汽车停车发动机熄火后，当汽车车厢内温度超过预定值时，打开电动风扇和换气阀，将室内的热气体排出，同时吸入外界的新鲜空气，从而达到空气调节的目的；后者是利用热电偶冷、热端的热电制冷效应，由太阳能电池供给所需的直流电，把热电偶的冷端放置于汽车室内工作环境中吸热，热端置于大气环境中放热，从而达到汽车室内制冷的功效。

上述两种辅助汽车空调制冷系统无论是工作持续时间还是制冷效果都存在一定的局限性，与皮带带动的机械压缩机空调制冷效果相比差距甚大。本文介绍的太阳能辅助汽车电动空调制冷系统，是在汽车皮带带动的机械空调的基础上加装一套直流电机空调压缩机制冷系统，通过汽车外部的太阳能电池板或汽车发电机向蓄电池充电后，再向直流电动压缩机提供电能，可根据需要通过手动转换开关转换机械制冷或电动制冷模式，解决夏季汽车发动机熄火后室外停泊和汽车在怠速、低速、中速断续行车持续时间较长的运行工况条件下车厢内的空气制冷调节和节能减排问题。

1 系统的组成及工作原理

1.1 空调系统的组成

以普通桑塔纳轿车安装本系统为例，空调系统的电路如图1所示。除原车部件蒸发器、冷凝器、储液干燥器、膨胀阀、各种开关元器件，及与其配套的电源电路、电磁离合器控制电路、鼓风机控制电路和冷凝器冷却风扇控制电路外，太阳能辅助电动空调系统增加了28V太阳能电池板3、24V蓄电池4、28V直流变压器5、直流电机空调开关6、直流电机空调继电器7、熔断丝8、直流电机空调压缩机V1等。

24V直流电动空调压缩机V1由24V蓄电池提供电能，通过直流电机空调开关和直流电机空调继电器控制。电源由2块12V蓄电池串联组成，蓄电池的容量与原车装用蓄电池容量大致相等。系统由汽车发电机和28V太阳能电池板同时向蓄电池充电，以确保蓄电池经常处于充足电的状态。因汽车发电机的直流输出电压约为14V，因此，需经28V直流变压器将发电机输出电压升高后方能向24V蓄电池充电。车辆正常行驶时，汽车发电机和28V太阳能电池板同时向蓄电池充电，可将发电机和太阳能电池板的电能转变为化学能储存起来。

1.2 空调系统的工作原理

1.2.1 使用机械空调压缩机时的工作情况

点火开关接通使减荷继电器工作后，C路电源接通。接通空调A/C开关，电流从12V蓄电池的正极经减荷继电器的触点、熔断丝S14、空调A/C开关后分为2路，第1路经空调指示灯K46构成回路，空调指示灯K46亮，表示空调A/C开关接通。

第2路经室温开关F38后又分成3路：①一路经新鲜空气电磁阀N63构成回路，该阀动作接通新鲜空气翻板真空促动器，新鲜空气进入空气通道。②一路到蒸发器温控开关F33，给电磁离合器N25和怠速电磁阀N16供电，空调压缩机运转制冷，同时怠速电磁阀N16动作，使发动机以较高的怠速运转而驱动压缩机工作，当蒸发器温度低于调定温度，温控开关F33断开，压缩机停止转动，同时怠速电磁阀N16断电，怠速自动调节装置不起作用。③第3路是经空调继电器J23构成回路，使其两对触点吸合，其中一对触点用于控制冷凝器冷却风扇电动机及其继电器J26，高压开关F23和继电器J26串联，当制冷系统高压侧压力低于1.5 MPa时，高压开关F23触点断开，冷却风扇低速运转，当制冷系统高压侧压力高于1.5 MPa时，高压开关F23触点接通，继电器J26通电，触点闭合，冷却风扇高速运转以加强冷凝效果；另一对触点用于控制鼓风电动机V2，该触点在接通空调A/C开关时，立即闭合，这时即使没有接通鼓风机开关E6，鼓风机V2也将从该触点获得电流而低速旋转，以免接通空调A/C开关后忘记接通鼓风机开关E6，使蒸发器表面不能获得强制通风而造成结冰现象。

1.2.2 使用电动空调压缩机时的工作情况

点火开关接通，C路电源接通。接通直流电机空调开关，电流从12V蓄电池的正极经直流电机空调开关后分为2路：第1路经室温开关F38后又分成3路，3路电流的流向与使用机械空调压缩机时的工作情况相同，故不再赘述。但需要说明的是通过蒸发器温控开关F33给电磁离合器N25和怠速电磁阀N16供电时，因汽车发动机不运转，故无论蒸发器温度高于还是低于调定温度，蒸发器温控开关F33接通与否，空调压缩机和怠速调节装置均不起作用。第2路是24V直流电经直流电机空调继电器的开关触点至直流电机空调压缩机V1，直流电机空调压缩机运转，吸入低温低压的制冷剂蒸汽，将其压缩成为高温高压的气体，经高压管路送入冷凝器冷凝为液态，然后进入储液干燥器去除水分和杂质后至膨胀阀。高温高压的液态制冷剂流经膨胀阀后，借助膨胀阀的节流作用变为低温低压的雾状气体喷入蒸发器，在蒸发器中吸收周围空气的热量而使周围空气温度降低。鼓风机V2将空气吹过蒸发器表面，将凉气送进车厢，使车厢内空气变得凉爽。

2 系统的主要功能和创新点

太阳能辅助汽车电动空调制冷系统的主要功能和创新点可概括为以下几个方面。

1）本系统以太阳能为动力源，对环境无污染，可持续，对降低汽车燃油消耗和环境保护具有重要作用。系统拆装灵活便捷，可作为汽车空调的辅助备用系统使用，是清洁能源技术在汽车上的重要应用推广。

2）本系统既可利用太阳能电池板向储能蓄电池充电，又可利用汽车发电机向储能蓄电池充电。在发动机熄火的情况下开启太阳能辅助汽车空调制冷系统，由太阳能电池板和已充足电的储能蓄电池向空调压缩机直流电机提供电能；在发动机运转的情况下开启太阳能辅助汽车空调制冷系统，太阳能电池板和汽车发电机同时向蓄电池充电并向直流电机空调压缩机提供电能，确保了系统工作的可靠性和稳定性。

3）利用直流电机空调压缩机驱动原车载空调循环制冷蒸发系统是一种新的尝试，与太阳能温控风扇和太阳能半导体制冷系统相比，空气制冷调节效果好，也能使汽车发电机发出的电能得到更充分的利用。

4）在炎热夏季汽车停在室外且发动机熄火的情况下，可通过在驾驶室内安装温控感应开关，自动启动太阳能辅助空调系统，将汽车室内的温度控制在设定范围之内，既较好地解决了因太阳直射车内温度过高而使汽车内饰装潢发出异味危害驾乘人员的身体健康问题，又解决了炎热夏季汽车发动机熄火后室外停车时车厢内的制冷和空气调节问题。

5）据权威部门公布的数据显示，中国人均石油、天然气拥有量仅为世界平均水平的1/15左右，原油对外依存度高达60%以上，因此，汽车的节能降耗势在必行。另一方面，随着中国汽车保有量的快速增加，汽车尾气污染已成为中国空气污染的重要来源，是造成细颗粒物、光化学烟雾污染的重要原因，汽车的污染防治也迫在眉睫。本系统旨在解决汽车夏日泊车或行车时车厢内的制冷和空气调节问题，以及由此引起的节能减排问题，符合低碳环保的既定国策，推广应用前景广阔。

3 系统在设计中应重点研究解决的问题

为使太阳能辅助汽车空调制冷系统能够在汽车上得到广泛的推广应用，在规划设计过程中既要统筹考虑系统中关键部件的性能、成本、使用寿命、安装布局，又要考虑系统工作的稳定性、可靠性、节能减排效果及投资回报周期等问题。

1）太阳能电池是关键部件之一，但目前使用的单晶硅或多晶硅太阳能电池的光电效率不高，约为17%，由于光电转化效率越低，在相同的功率输出情况下，所需的太阳能电池的面积越大，这不利于在车顶上的布置。据报道，国外多层太阳能电池的转化效率可高达41.1%，在相同的功率输出情况下，可大大减少太阳能电池板的面积。因此，太阳能电池的材料、电池板的结构、电池板在汽车中的安装、电池板的充放电等核心技术是需要重点研究的课题。

2）直流电机空调压缩机是太阳能辅助汽车空调制冷系统的驱动部件，也是系统中唯一的运动部件，因此，直流电机空调压缩机在车上安装后工作的可靠性和稳定性是系统正常运行的关键所在，是测试的重点。此外，系统在太阳能电池板单独供电情况下独立工作的制冷效果是否能接近原车空调的制冷效果、系统独立运行的持续时间长短、系统长时间连续运行时制冷效果是否稳定可靠，以及太阳能电池板的发电量与所选储能蓄电池是否匹配等内容也需要进行持续测定和不断优化。

3）要对出厂新车或在用汽车设计加装直流电机空调压缩机式太阳能辅助汽车空调制冷系统后的直接成本进行测算，并与夏季使用该系统产生的油耗减少、排放降低、汽车磨损减少而使维修费用减少等综合收益进行对比分析，在能满足夏季制冷基本功能的前提下，尽量降低系统成本，缩短投资回报周期，为大面积推广应用创造条件。

4 结束语

目前，我国太阳能应用技术日臻成熟，太阳能应用水平也处于国际领先地位，太阳能发电已广泛应用于航天、通信、工业、家用电器等专业领域，但在汽车上的应用屈指可数。目前，我国汽车保有量已超过2亿辆，随着人均GDP的不断增加，汽车的产销量平均每年还将有10%以上的增幅，节能、降耗和减排任重而道远。本系统可在在用汽车上改装，但在汽车出厂前设计安装更佳。

经用改装样车进行测试，使用本系统进行制冷，油耗可降低10%～15%，车速在60km/h以下开空调时，油耗则可降低15%以上，同时，可实现HC（碳氢）、NOx（氮氧化合物）、CO（一氧化碳）和PM（微粒）零排放。按平均每年使用空调4个月、家庭轿车平均每车每月燃油费500元、10%的现用小型载客汽车安装使用本系统计算，则每年可节约燃油费用45亿元，HC、NOx、CO和PM排放减少数量也是一个庞大的数字。综合考虑本系统的先进性和可持续发展优势，加之节能、降耗和减排等诸多因素，笔者认为，系统具有较大的推广应用价值和广阔的发展空间。