新能源汽车半导体空调辅助系统设计

李 岩 李琳烨 张青松

（承德应用技术职业学院，河北 承德 067000）

1 概述

在绿色低碳的趋势下，新能源汽车成为我国发展的重点方向。新能源汽车空调系统的工作由动力电池替代发动机，在新能源汽车使用空调时影响其动力性与续航里程。光伏电池将光转为直流电供半导体制冷组成的制冷系统引入新能源汽车空调中，半导体制冷过程不使用制冷剂，在提高新能源汽车动力性的同时节能环保。

目前，王晓婓等[1]对于针对汽车，设计并搭建光伏板半导体制冷空调系统，并通过仿真模拟与实验验证了车用半导体制冷空调的可行性。我国甘芸华[2]将半导体空调引入微型电动汽车，根据微型汽车结构设计半导体空调系统，为电动车空调方案提供参考。

在国外Kashif Irshad[3]利用光伏电池板与半导体制冷片相结合，设计空调墙体，实验表明：半导体片在9A 电流时，室内外温差最大为6.8℃。Liu[4]等利用光伏板和半导体设计了制冷空调，这种新型制冷空调可供应热水，实验表明:空间制冷系数可达4.51，在水加热后性能可达3.01。

国内外学者在光伏半导体制冷方面都有一定的研究，由于制冷片的制冷量较小，易受外界环境因素变化影响，制冷效果不稳定。与之相比，半导体空调作为辅助制冷联合压缩机工作，提高制冷效果稳定性。

本文从半导体片制冷的效果与制冷特点，设计搭建光伏发电供半导体车用空调，并与新能源汽车原有空调系统联合使用，提高新能源汽车在使用空调时的续航里程与动力性。

2 光伏发电及空调制冷原理

2.1 光伏电池板发电原理

光伏发电利用半导体的光伏效应将太阳能转化为电能的一种技术。太阳能辐射直接转为电能的半导体关键器件为光伏电池[5]。

2.2 半导体制冷原理

在直流电通过两种不同材料的导体或者半导体组成的闭合回路时，在产生焦耳热现象外，在不同材料的导体两端的对接点，分别产生吸热和放热的现象，此现象称为帕尔贴效应[6]。

2.3 新能源汽车空调制冷原理

新能源汽车采用压缩机式空调制冷，其原理是压缩机将从蒸发器出来的低温低压制冷剂压缩成高温高压的过热蒸气，过热蒸气从压缩机出来后进入冷凝器。高温高压的过热蒸气温度高于外接环境温度，且其压力使制冷剂能在低温下冷凝成液体状态，在冷凝器内，高温高压的气体成为高压常温液体。常温高压的液体经过膨胀阀，使得压力下降的同时，液体因沸腾蒸发而吸收周围环境热量，使得周围空气温度下降来达到制冷降温的目的。

3 光伏半导体空调实验平台设计

3.1 实验平台组成

新能源汽车空调辅助系统实验平台主要由光伏电池板、太阳能控制器、蓄电池、半导体制冷片、温度测量仪和汽车空间模型组成，实验平台组成如图1 所示。

图1 光伏半导体制冷系统示意图

3.2 实验平台设备选型（表1）

表1 实验设备选型

热端风扇电压对系统制冷性能的影响：

根据李国超[7]对制冷空间冷负荷的计算评估，制冷空间从30℃降到20℃的冷负荷为102W，根据预估冷负荷得到的制冷元件的选型如下：

光伏电池板的选择：根据承德当地的光照强度情况以及实验用电量需求，实验平台选择功率为2 块200W 多晶硅电池板，且电池板安装角度为30°。

图2 太阳能控制器实物

实验用制冷空间为模拟新能源汽车空间制作，采用泡沫板制作而成，其尺寸按照北京新能源汽车EV360 试车：模拟空间比例1:0.5 制作而成。制冷空间实物如图3-5。

图3 蓄电池实物

为了满足制冷实验需求，采用型号为TEC1-12708 制冷片进行相关实验。该制冷片为冷热两端带陶瓷绝缘片的单级半导体制冷片，选取4 片即可满足预估冷负荷需求。制冷片参数如表2。

图4 测温仪器实物

图5 制冷测试空间

表2 半导体制冷片参数

3.3 光伏半导体空调系统与压缩机空调结合设计

减缓新能源汽车使用电动压缩机空调对续航里程的消耗,以及电动压缩机空调制冷剂的对环境的危害，将半导体制冷装置引入新能源汽车车内，由于半导体制冷片的制冷量不足以位置整个车内热负荷，所以只能对空调制冷起到辅助作用。半导体制冷片安装与空调风道总口上，在空调的风道内安装四个半导体制冷片。

半导体制冷装置如图6 所示是由半导体制冷片、水泵、散热水排、风扇、导热片、出风口和水箱组成。制冷片分为热端与冷端，与散热水排连接为热端，通过水将热端热量传到散热水排，通过水排将热量散到环境中，水泵的作用是将水箱内的水在系统中循环，冷端与出风口相连，制冷片的冷风由风扇送入出风口进入车内。

图6 半导体制冷系统示意图

新能源汽车传统空调半导体制冷辅助系统，如图7 所示包括控制器、温度传感器、半导体制冷装置、汽车蓄电池、太阳能蓄电池、光伏板、电动压缩机、蒸发器、冷凝器、变频器、出风口。

图7 光伏半导体空调辅助系统示意图

太阳能供电装置包括与控制器1 电性连接的太阳能蓄电池5，太阳能蓄电池5 还连接有安装在车顶上的光伏板6，光伏板6 倾斜设置，并且在光伏板6 上增加光敏元件，通过光敏元件控制光伏板6 下的角度转动装置，使光伏板6根据太阳位置调整位置。控制器1 电性连接有电动压缩机7，电动压缩机7 连接有两个冷凝器9 和蒸发器8，控制器1和电动压缩机7 之间设有变频器10，两个冷凝器9 分别与电动压缩机7 连接，提高搭载半导体制冷辅助系统后现有空调机制的制冷和换热效率。

车厢内设置的温度传感器2 由PLC 控制，判断在电动压缩机7 工作时车内温度是否为人体舒适温度，若车内温度下降为人体舒适温度，则电动压缩机7 停止工作，半导体制冷辅助系统开始工作，实时控制，保持温度恒定。

半导体制冷辅助系统打开后，判断当前温度是否在设定人体舒适温度温度区间内，同时判断光伏板6 上的光照强度,是否需要给汽车蓄电池4 充电，光伏板6 电流不足时，则启动汽车蓄电池4 作为主要能源进行供电。若高于人体舒适温度，则半导体制冷辅助系统停止工作，电动压缩机7空调开始工作。

4 太阳能半导体空调辅助系统性能测试

4.1 新能源汽车压缩机空调耗能测试

实验将以新能源汽车如图8 所示为对象，测试开启新能源汽车压缩机空调实际的消耗里程数。通过仪表盘如图9 所示中得到续航里程等数据。

图8 新能源汽车实物

图9 新能源汽车仪表盘实物

测试过程中，环境温度测得28℃，开启汽车电源，汽车档位至于P 档，车速为0km/h，将空调A/C 打开，空调温度调至最低，测试三种不同风速档位下，空调使用的消耗续航里程数。得出数据如表3。

表3 使用空调消耗续航里程表

测试小时共用4 小时，在不同档位出风速度、相同出风温度下消耗的里程数，开空调后每小时平均消耗续航数为6-8km。

4.2 半导体空调辅助系统测试

将光伏发电半导体空调辅助系统组装连接，如图10 所示，测试环境温度为28℃，整个系统置于室内，测试环境温度相对稳定。在模拟车内空间里放置半导体空调辅助系统，在半导体空调出风口与车内空间分别放置温度测量仪器。

图10 光伏半导体空调辅助系统实物图

接入半导体空调辅助系统工作，半导体制冷系统需要一定时间才能保持出风温度的稳定性，经过10min 的时间出风温度稳定后，测试能维持车内温度时间，测试结果如表4。

表4 辅助系统温度测试表

通过1h 的时间测算，车内温度升高1.5℃，在辅助系统运行20min 后温度开始升高，若对驾驶人员局部降温，半导体空调辅助系统可一直代替新能源汽车压缩机空调使用，若对车内温度整体降温，在空调辅助系统工作20min 后，压缩机空调需要开启。

5 结论

本文设计并搭建了新能源汽车半导体空调辅助系统平台，通过测试得出：在1h 内，开启压缩机空调消耗里程数在6-8km，接入半导体空调辅助系统后，若对驾驶员进行局部降温，可以直接关闭压缩机空调，此时节省续航里程为6-8km，若考虑车内整体温度舒适性，在20min 中后，开启压缩机空调，在1h 时间内，节省续航2-3km，节约的续航里程占比为33%-37.5%。