电动汽车空调的现状与发展.docx

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电动汽车空调的现状与发展

电动汽车空调的现状与发展

Thestatusandthedevelopmenttrendofelectricvehicleairconditioning

摘要：

本文分析了电动汽车空调的结构，制冷系统原理，特点和发展状况，并且为了提高其舒适性，分析发展趋势以及更好的汽车空调新技术。

Abstract：

Thepaperanalyzestheelectricalautomobileairconditioners’characteristicsanddevelopmentstatusinordertoimproveitscomfort,andwanttofindoutnewtechnologyofairconditionertomakeitbetter.

关键词：

电动汽车（Electricautomobile）电动汽车的结构（Electricalautomobile’structure）空调系统（airconditioner）现状（presentsituation）发展趋势（thedevelopmenttrend）

前言：

汽车空调在当今社会的汽车配置中可以说是重中之重，在各种季节、天气及其它行驶条件下，大家都希望车厢内保持舒适的状态。

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。

而对于新一代的纯电动环保型汽车来说空调的设置无疑与现在的主流汽车有所不同，但匹配空调系统又是完全必要的，所以拥有一套节能高效的空调系统是现今市场的急切需要的。

正文：

电动汽车的结构：

电动汽车的组成包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。

电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。

电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。

电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。

　　1.电源

　　电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。

目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。

正在发展的电源主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等，这些新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。

　　2.动机调速控制装置

　　电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。

　　早期的电动汽车上，直流电动机的调速采用串接电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。

因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂，现在已很少采用。

目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电动机的无级调速。

在电子电力技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管（入GTO、MOSFET、BTR及IGBT等）斩波调速装置所取代。

从技术的发展来看，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用，将成为必然的趋势。

　　在驱动电动机的旋向变换控制中，直流电动机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实现电动机的旋向变换，这使得孔子哈电路复杂、可靠性降低。

当采用交流异步电动机驱动时，电动机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可，可使控制电路简化。

此外，采用交流电动机及其变频调速控制技术，使电动汽车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。

　　3.驱动电动机

　　驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。

目前电动汽车上广泛采用直流串激电动机，这种电机具有"软"的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。

但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷电动机（BCDM）、开关磁阻电动机（SRM）和交流异步电动机所取代。

　　4.传动装置

　　电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴，当采用电动轮驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略。

因为电动机可以带负载启动，所以电动汽车上无需传统内燃机汽车的离合器。

因为驱动电机的旋向可以通过电路控制实现变换，所以电动汽车无需内燃机汽车变速器中的倒档。

当采用电动机无级调速控制时，电动汽车可以忽略传统汽车的变速器。

在采用电动轮驱动时，电动汽车也可以省略传统内燃机汽车传动系统的差速器。

　　5.工作装置

　　工作装置是工业用电动汽车为完成作业要求而专门设置的，如电动叉车的起升装置、门架、货叉等。

货叉的起升和门架的倾斜通常由电动机驱动的液压系统完成。

　　6.行驶装置

　　行驶装置的作用是将电动机的驱动力矩通过车轮变成对地面的作用力，驱动车轮行走。

它同其他汽车的构成是相同的，由车轮、轮胎和悬架等组成。

　　7.转向装置

　　专项装置是为实现汽车的转弯而设置的，由转向机、方向盘、转向机构和转向轮等组成。

作用在方向盘上的控制力，通过转向机和转向机构使转向轮偏转一定的角度，实现汽车的转向。

多数电动汽车为前轮转向，工业中用的电动叉车常常采用后轮转向。

电动汽车的转向装置有机械转向、液压转向和液压助力转向等类型。

　　8.制动装置

电动汽车的制动装置同其他汽车一样，是为汽车减速或停车而设置的，通常由制动器及其操纵装置组成。

在电动汽车上，一般还有电磁制动装置，它可以利用驱动电动机的控制电路实现电动机的发电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。

如下图所示：

一．电动汽车空调的特点

1.电动汽车内置空调技术的要求特点

电动汽车空调是房间空调的延续，但与房间空凋相比较，电动汽车空凋又有着许多特殊的要求和特点：

（1）电动汽车是交通运输工具，可看作是能移动的特殊建筑物。

与固定建筑物相比，其容积狭小，人员密集，车身的热工性能又比建筑物差得多。

因此电动汽车的热湿负荷远比一般的建筑物大，且气流分布难以均匀，因此对汽车空调要求制冷量要大，降温要迅速。

（2）车辆行驶时电动汽车空调要承受剧烈而频繁的振动与冲击。

这要求电动汽车空调的零部件应有足够的强度和抗震能力，接头牢固并防漏，电动汽车空调制冷系统极容易发生制冷剂的泄漏，所以各部件的连接要牢固，要经常检查系统内制冷剂的量。

统计表明，电动汽车空调因制冷剂泄漏而引起空调故障的约占全部故障的80％，而且泄漏率很高。

（3）电动汽车空调不便于用电力作为动力源，一般采用蒸气压缩式制冷，压缩机由发动机驱动，其制冷能力随车速和负荷不同变化很大。

电动汽车在怠速或慢速行驶时，制冷能力小，而这时恰恰需要大制冷量，造成供不应求。

反之，在正常或高速行驶时，转速高，制冷能力剧增，而需求量却相对减小，又形成供大于求的状况。

这是明显的予盾，要求设备选择和控制要合理。

设备选择过大，能满足怠速和慢速时要求，但对设备造价、安装位置和能源利用率等均不利；若选择得小，又满足不了要求。

二.电动汽车空调装置的基本构造

电动汽车空调制冷系统主要由制冷循环及电气、控制两大部分组成：

（1）制冷循环主要由压缩机、冷凝器、储液干燥器、膨胀阀、蒸发器、输液（气）软管，以及风机（冷凝器风扇、蒸发器风机）组成．其中冷凝器与冷凝风扇可各自独立，也可组成冷凝机约，蒸发器、冷却风机、膨胀阀、恒温器以及调违电阻器等可在一起组成冷风机或称蒸发箱。

还有一些压力调节元件也届制冷循环。

（2）电气、控制部分：

主要包括电源开关，电磁离合器（一般把它与压缩机组成一体），风机转换开关及电阻器，各种温度控制器（或称恒温器），高、低压力开关，怠速继电器，加速延迟器，真空阀门控制及操纵装置等。

三电动汽车空调制冷系统的组成及控制原理：

1.1电动汽车空调制冷系统的组成

电动汽车空调制冷系统主要由：

电动压缩机、电动压缩机控制器、冷凝器、管路系统（液体管、压缩机排气管、压缩机吸气管）、室内温度传感器、室外温度传感器、阳光传感器、空调主机（蒸发器、加热器、温度风门执行器、模式风门执行器、内外循环风门、鼓风器、蒸发器温度传感器）、膨胀阀、空调控制器等零部件构成，如图1所示。

1.2电动汽车空调制冷系统控制原理

电动空调制冷系统原理为：

用户按操作程序启动汽车空调系统之后，整车控制器发出指令通过压缩机控制器来驱动电动压缩机，驱使制冷剂在空调系统中循环流动。

压缩机将气态制冷剂压缩成高温高压的制冷剂气体，并通过压缩机排气管输送到冷凝器，制冷剂在冷凝器内进行散热、降温、冷凝后成为中温高压的液态制冷剂，中温高压的液态制冷剂通过液体管到达膨胀阀释放成为低温低压的液态冷剂，低温低压液态制冷剂立即进入蒸发器内，在蒸发器内吸收流经蒸发器的空气热量，使周边空气温度降低，鼓风机将蒸发器周边空气吹出产生制冷效果。

四.电动汽车空调的现状

（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。

但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。

（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热泵空调系统该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。

五．解决方案的确定

１热电制冷空调系统

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：

热电元件工作需要直流电源；改变电流方向即可产生制冷、制热的逆效果；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；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；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；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。

国内马国远等人曾为电动汽车设计了太阳能辅助热电空调系统，该系统采用热电制冷系统进行降温，利用高效ＰＴＣ加热元件进行采暖和对挡风玻璃进行除雾／霜。

对于其中的热电制冷系统，冷却器及散热器均由若干组热电堆组成，原理及结构示意图参见图１。

图１电动汽车热电式制冷系统示意图

对于采用热电制冷的空调系统来说，热电材料的优值系数值越高，热电制冷效果越好。

但是，目前热电制冷的效率只有机械压缩式的５０％左右，在热电制冷材料的优值系数值没有突破之前，热电制冷只能在小体积和微型化上比传统的机械压缩式制冷优越。

２余热制冷空调系统

目前利用余热的空调制冷技术主要有氢化物制冷空调、固体吸附式制冷空调以及吸收式制冷空调，其工作原理、特点、系统组成不尽相同。

氢化物空调是指利用金属氢化物作为工质，通过在不同温度下金属氢化物释放或吸收氢气的特点而实现制冷。

固体吸附式制冷是利用某些固体物质在一定温度，压力下能吸附于某种气体或水蒸气，在另一种温度、压力下又能把他释放出来的特性，通过吸附与解吸过程导致压力变化，从而起到压缩机的作用。

吸收式制冷也是以热能为动力，利用由两种沸点不同的物质组成溶液具有的气液不平衡特性来完成制冷循环，溴化锂和氨水吸收式制冷是最常见的吸收式制冷。

对于燃料电池电动汽车来说，用燃料化学能转化成的电能作为动力，但是燃料电池的化学能转化效率只有５０％左右，其余的能量都转化为余热白白排放掉，导致燃料电池汽车能耗非常大。

而汽车空调系统需要消耗能源，若能利用燃料电池的余热制冷，一举两得，将大大提高燃料电池的能源利用效率，为燃料电池汽车的发展和应用提供技术上的支持。

同济大学的贺启滨等，对利用燃料电池汽车废热的吸收式制冷空调系统可行性进行了研究。

他们设计的系统流程如图２所示，燃料电池热管理系统的主换热器直接通入吸收式制冷的发生器中，避免了二次换热的能量损失；同时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热器排出，从而确保燃料电池在允许温度范围内工作；为简化设备，吸收式制冷的冷凝器、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气中。

图２燃料电池电动汽车吸收式制冷空调系统

3.系统方案的确定

电动汽车空调系统的解决方案的确定，应该是一个系统的工程，主要有以下几个因素决定。

１）空调系统的制冷能力。

２）空调系统的控制模式的节能性能。

３）空调系统的技术成熟度以及复杂性。

４）空调系统的通用性。

结论：

综合以上所述，可以总结出电动空调系统相对于其他空调系统具有很多优点，但是在纯电动汽车上匹配时需要注意对整车性能的影响，特别是续驶里程和最高车速，不能厚此薄彼，要综合考虑，系统各部件的选用要以节能为中心。

电动汽车上的空调系统目前主要采用的是电动压缩机空调系统，但是其它形式的空调系统也有很大的发展空间。

为了使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。

参考文献

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