電動汽車空調(diào)的現(xiàn)狀與發(fā)展

1、電動汽車空調(diào)的現(xiàn)狀與發(fā)展The status and the development trend of electric vehicle air conditioning 摘要：本文分析了電動汽車空調(diào)的結(jié)構(gòu)，制冷系統(tǒng)原理，特點(diǎn)和發(fā)展?fàn)顩r，并且為了提高其舒適性，分析發(fā)展趨勢以及更好的汽車空調(diào)新技術(shù)。Abstract：The paper analyzes the electrical automobile air conditioners characteristics and development status in order to improve its comfort, and want

2、 to find out new technology of air conditioner to make it better.關(guān)鍵詞：電動汽車（Electric automobile） 電動汽車的結(jié)構(gòu)（Electrical automobilestructure） 空調(diào)系統(tǒng)（air conditioner） 現(xiàn)狀（present situation） 發(fā)展趨勢（the development trend）前言： 汽車空調(diào)在當(dāng)今社會的汽車配置中可以說是重中之重，在各種季節(jié)、 天氣及其它行駛條件下，大家都希望車廂內(nèi)保持舒適的狀態(tài)。汽車空調(diào)的功能就是把車廂內(nèi)的溫度、濕度、空氣清潔度及空氣流動性保

3、持在使人感覺舒適的狀態(tài)。而對于新一代的純電動環(huán)保型汽車來說空調(diào)的設(shè)置無疑與現(xiàn)在的主流汽車有所不同，但匹配空調(diào)系統(tǒng)又是完全必要的，所以擁有一套節(jié)能高效的空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)今市場的急切需要的。正文：電動汽車的結(jié)構(gòu)：電動汽車的組成包括電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)、驅(qū)動力傳動等機(jī)械系統(tǒng)、完成既定任務(wù)的工作裝置等。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)由驅(qū)動電動機(jī)、電源和電動機(jī)的調(diào)速控制裝置等組成。電動汽車的其他裝置基本與內(nèi)燃機(jī)汽車相同。1. 電源電源為電動汽車的驅(qū)動電動機(jī)提供電能，電動機(jī)將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過傳動裝置或直接驅(qū)動車輪和工作裝置。目前，電動汽車上應(yīng)

4、用最廣泛的電源是鉛酸蓄電池，但隨著電動汽車技術(shù)的發(fā)展，鉛酸蓄電池由于比能量較低，充電速度較慢，壽命較短，逐漸被其他蓄電池所取代。正在發(fā)展的電源主要有鈉硫電池、鎳鉻電池、鋰電池、燃料電池、飛輪電池等，這些新型電源的應(yīng)用，為電動汽車的發(fā)展開辟了廣闊的前景。2. 動機(jī)調(diào)速控制裝置電動機(jī)調(diào)速控制裝置是為電動汽車的變速和方向變換等設(shè)置的，其作用是控制電動機(jī)的電壓或電流，完成電動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向的控制。早期的電動汽車上，直流電動機(jī)的調(diào)速采用串接電阻或改變電動機(jī)磁場線圈的匝數(shù)來實(shí)現(xiàn)。因其調(diào)速是有級的，且會產(chǎn)生附加的能量消耗或使用電動機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)在已很少采用。目前電動汽車上應(yīng)用較廣泛的是晶閘管斬波調(diào)

5、速，通過均勻地改變電動機(jī)的端電壓，控制電動機(jī)的電流，來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的無級調(diào)速。在電子電力技術(shù)的不斷發(fā)展中，它也逐漸被其他電力晶體管（入GTO、MOSFET、BTR及IGBT等）斬波調(diào)速裝置所取代。從技術(shù)的發(fā)展來看，伴隨著新型驅(qū)動電機(jī)的應(yīng)用，電動汽車的調(diào)速控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂孀兗夹g(shù)的應(yīng)用，將成為必然的趨勢。在驅(qū)動電動機(jī)的旋向變換控制中，直流電動機(jī)依靠接觸器改變電樞或磁場的電流方向，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的旋向變換，這使得孔子哈電路復(fù)雜、可靠性降低。當(dāng)采用交流異步電動機(jī)驅(qū)動時，電動機(jī)轉(zhuǎn)向的改變只需變換磁場三相電流的相序即可，可使控制電路簡化。此外，采用交流電動機(jī)及其變頻調(diào)速控制技術(shù)，使電動汽車的制動能量回收控制更加

6、方便，控制電路更加簡單。3. 驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動電動機(jī)的作用是將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過傳動裝置或直接驅(qū)動車輪和工作裝置。目前電動汽車上廣泛采用直流串激電動機(jī)，這種電機(jī)具有"軟"的機(jī)械特性，與汽車的行駛特性非常相符。但直流電動機(jī)由于存在換向火花，比功率較小、效率較低，維護(hù)保養(yǎng)工作量大，隨著電機(jī)技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，勢必逐漸被直流無刷電動機(jī)（BCDM）、開關(guān)磁阻電動機(jī)（SRM）和交流異步電動機(jī)所取代。4. 傳動裝置電動汽車傳動裝置的作用是將電動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩傳給汽車的驅(qū)動軸，當(dāng)采用電動輪驅(qū)動時，傳動裝置的多數(shù)部件常?？梢院雎?。因?yàn)殡妱訖C(jī)可以帶負(fù)載啟動，所以電動汽車上無需傳統(tǒng)

7、內(nèi)燃機(jī)汽車的離合器。因?yàn)轵?qū)動電機(jī)的旋向可以通過電路控制實(shí)現(xiàn)變換，所以電動汽車無需內(nèi)燃機(jī)汽車變速器中的倒檔。當(dāng)采用電動機(jī)無級調(diào)速控制時，電動汽車可以忽略傳統(tǒng)汽車的變速器。在采用電動輪驅(qū)動時，電動汽車也可以省略傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車傳動系統(tǒng)的差速器。5. 工作裝置工作裝置是工業(yè)用電動汽車為完成作業(yè)要求而專門設(shè)置的，如電動叉車的起升裝置、門架、貨叉等。貨叉的起升和門架的傾斜通常由電動機(jī)驅(qū)動的液壓系統(tǒng)完成。6. 行駛裝置行駛裝置的作用是將電動機(jī)的驅(qū)動力矩通過車輪變成對地面的作用力，驅(qū)動車輪行走。它同其他汽車的構(gòu)成是相同的，由車輪、輪胎和懸架等組成。7. 轉(zhuǎn)向裝置專項(xiàng)裝置是為實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)彎而設(shè)置的，由轉(zhuǎn)向機(jī)、方

8、向盤、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向輪等組成。作用在方向盤上的控制力，通過轉(zhuǎn)向機(jī)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)一定的角度，實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。多數(shù)電動汽車為前輪轉(zhuǎn)向，工業(yè)中用的電動叉車常常采用后輪轉(zhuǎn)向。電動汽車的轉(zhuǎn)向裝置有機(jī)械轉(zhuǎn)向、液壓轉(zhuǎn)向和液壓助力轉(zhuǎn)向等類型。8. 制動裝置電動汽車的制動裝置同其他汽車一樣，是為汽車減速或停車而設(shè)置的，通常由制動器及其操縱裝置組成。在電動汽車上，一般還有電磁制動裝置，它可以利用驅(qū)動電動機(jī)的控制電路實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的發(fā)電運(yùn)行，使減速制動時的能量轉(zhuǎn)換成對蓄電池充電的電流，從而得到再生利用。如下圖所示：一電動汽車空調(diào)的特點(diǎn)1. 電動汽車內(nèi)置空調(diào)技術(shù)的要求特點(diǎn) 電動汽車空調(diào)是房間空調(diào)的延續(xù)，但與房間空

9、凋相比較，電動汽 車空凋又有著許多特殊的要求和特點(diǎn)： (1)電動汽車是交通運(yùn)輸工具，可看作是能移動的特殊建筑物。與固定建筑物相比，其容積狹小，人員密集，車身的熱工性能又比建筑物差得多。因此電動汽車的熱濕負(fù)荷遠(yuǎn)比一般的建筑物大，且氣流分布難以均勻，因此對汽車空調(diào)要求制冷量要大，降溫要迅速。 (2)車輛行駛時電動汽車空調(diào)要承受劇烈而頻繁的振動與沖擊。這要求電動汽車空調(diào)的零部件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和抗震能力，接頭牢固并防漏，電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)極容易發(fā)生制冷劑的泄漏，所以各部件的連接要牢固，要經(jīng)常檢查系統(tǒng)內(nèi)制冷劑的量。統(tǒng)計表明，電動汽車空調(diào)因制冷劑泄漏而引起空調(diào)故障的約占全部故障的80，而且泄漏率很高。

10、(3)電動汽車空調(diào)不便于用電力作為動力源，一般采用蒸氣壓縮式制冷，壓縮機(jī)由發(fā)動機(jī)驅(qū)動，其制冷能力隨車速和負(fù)荷不同變化很大。電動汽車在怠速或慢速行駛時，制冷能力小，而這時恰恰需要大制冷量，造成供不應(yīng)求。反之，在正?；蚋咚傩旭倳r，轉(zhuǎn)速高，制冷能力劇增，而需求量卻相對減小，又形成供大于求的狀況。這是明顯的予盾，要求設(shè)備選擇和控制要合理。設(shè)備選擇過大，能滿足怠速和慢速時要求，但對設(shè)備造價、安裝位置和能源利用率等均不利；若選擇得小，又滿足不了要求。二. 電動汽車空調(diào)裝置的基本構(gòu)造電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)主要由制冷循環(huán)及電氣、控制兩大部分組成： (1)制冷循環(huán)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、儲液干燥器、膨脹閥、蒸發(fā)器、

11、輸液(氣)軟管，以及風(fēng)機(jī)(冷凝器風(fēng)扇、蒸發(fā)器風(fēng)機(jī))組成其中冷凝器與冷凝風(fēng)扇可各自獨(dú)立，也可組成冷凝機(jī)約，蒸發(fā)器、冷卻風(fēng)機(jī)、膨脹閥、恒溫器以及調(diào)違電阻器等可在一起組成冷風(fēng)機(jī)或稱蒸發(fā)箱。還有一些壓力調(diào)節(jié)元件也屆制冷循環(huán)。(2)電氣、控制部分：主要包括電源開關(guān)，電磁離合器(一般把它與壓縮機(jī)組成一體)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換開關(guān)及電阻器，各種溫度控制器(或稱恒溫器)，高、低壓力開關(guān)，怠速繼電器，加速延遲器，真空閥門控制及操縱裝置等。三 電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的組成及控制原理：1.1 電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的組成電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)主要由： 電動壓縮機(jī)、電動壓縮機(jī)控制器、冷凝器、管路系統(tǒng)（液體管、壓縮機(jī)排氣管、壓縮機(jī)吸氣

12、管）、室內(nèi)溫度傳感器、室外溫度傳感器、陽光傳感器、空調(diào)主機(jī)（蒸發(fā)器、加熱器、溫度風(fēng)門執(zhí)行器、模式風(fēng)門執(zhí)行器、內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門、鼓風(fēng)器、蒸發(fā)器溫度傳感器）、膨脹閥、空調(diào)控制器等零部件構(gòu)成， 如圖1所示。 1.2 電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)控制原理電動空調(diào)制冷系統(tǒng)原理為： 用戶按操作程序啟動汽車空調(diào)系統(tǒng)之后， 整車控制器發(fā)出指令通過壓縮機(jī)控制器來驅(qū)動電動壓縮機(jī)， 驅(qū)使制冷劑在空調(diào)系統(tǒng)中循環(huán)流動。壓縮機(jī)將氣態(tài)制冷劑壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體， 并通過壓縮機(jī)排氣管輸送到冷凝器， 制冷劑在冷凝器內(nèi)進(jìn)行散熱、降溫、冷凝后成為中溫高壓的液態(tài)制冷劑， 中溫高壓的液態(tài)制冷劑通過液體管到達(dá)膨脹閥釋放成為低溫低壓的液態(tài)冷劑，

13、 低溫低壓液態(tài)制冷劑立即進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)， 在蒸發(fā)器內(nèi)吸收流經(jīng)蒸發(fā)器的空氣熱量， 使周邊空氣溫度降低， 鼓風(fēng)機(jī)將蒸發(fā)器周邊空氣吹出產(chǎn)生制冷效果。四. 電動汽車空調(diào)的現(xiàn)狀 （1) 國內(nèi)電動汽車空調(diào)發(fā)展現(xiàn)狀 早期的國產(chǎn)電動汽車由于受到蓄電池能力的限制，為了不影響電動汽車的續(xù)行里程，大多數(shù)電動汽車都沒有配備空調(diào)系統(tǒng)。但隨著國內(nèi)電動汽車逐步產(chǎn)業(yè)化、市場化，電動汽車必然要配備空調(diào)系統(tǒng)。由于受到電動汽車獨(dú)特性影響，對于電動汽車中的純電動汽車以及燃料電池汽車來說，沒有發(fā)動機(jī)作為空調(diào)壓縮機(jī)的動力源，也不能提供作為汽車空調(diào)冬天制熱用的熱源，國內(nèi)汽車廠家就從傳統(tǒng)燃油汽車空調(diào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行部分替換設(shè)計，將燃油發(fā)動機(jī)帶動的

14、壓縮機(jī)替換成直流電機(jī)直接驅(qū)動的壓縮機(jī)，控制上相應(yīng)改變，來完成空調(diào)制冷的功能，目前替換設(shè)計效果基本能解決電動汽車空調(diào)的制冷問題，但制冷效率有待提高。由于沒有燃油發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的余熱，制熱功能國內(nèi)廠家目前主要采用 PTC 加熱和電熱管加熱，這些加熱模式雖能滿足制熱效果，但這些加熱模式都是硬消耗電動汽車上的蓄電池電能，制熱效率相對較低，影響電動汽車的續(xù)行里程。在空調(diào)的主要零部件選用上，目前國內(nèi)的電動汽車除了壓縮機(jī)和控制模式，其他主要零部件還是沿用燃油汽車空調(diào)的零部件，冷凝設(shè)備主要用的是平行流冷凝器，蒸發(fā)設(shè)備主要用的是層疊式蒸發(fā)器，節(jié)流裝置仍然是熱力膨脹閥，制冷劑仍然是 R 134a。據(jù)不完全了解，國內(nèi)在

15、大力開發(fā)電動汽車的廠家如奇瑞、比亞迪、一汽、上汽、江淮等目前電動汽車空調(diào)配套情況基本差不多，都處于上述的發(fā)展現(xiàn)狀。（2) 國外電動汽車空調(diào)發(fā)展現(xiàn)狀 國外電動汽車空調(diào)發(fā)展相對國內(nèi)來說較成熟，國外電動汽車空調(diào)不乏有跟國內(nèi)相似的模式，但在熱泵電動汽車空調(diào)上已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)， 日本本田純電動車就采用了電驅(qū)動熱泵式空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)中內(nèi)置了一個反換流器控制壓縮泵。此外，在特別寒冷的地區(qū)使用時，部分車型顧客可以選裝一個燃油加熱器采暖系統(tǒng)。日本電裝（DENSO）公司早在幾年前就開發(fā)了采用R 134a制冷劑的電動汽車熱泵型空調(diào)系統(tǒng)，其在熱泵系統(tǒng)的風(fēng)道中采用了車內(nèi)冷凝器和蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)。電裝（DENSO）公司在20

16、03年還開發(fā)了由于自然工質(zhì)CO2良 好的熱物理性能，日本電裝公司也為電動車開發(fā)了一套CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)該系統(tǒng)也采用了在風(fēng)道內(nèi)設(shè)置2個換熱器的方案，與R134a系統(tǒng)不同的 是當(dāng)系統(tǒng)為制冷模式時，制冷劑同時流經(jīng)內(nèi)部冷凝器和外部冷凝器。 為了減少空調(diào)對蓄電池的電能消耗，美國Amerigon公司開發(fā)了空調(diào) 座椅，這種空調(diào)座椅上裝有熱電熱泵，熱電熱泵的作用就是通過需要調(diào) 溫的空間之外的水箱轉(zhuǎn)移熱量，從而實(shí)現(xiàn)需要調(diào)溫的空間制冷或制熱。這種空調(diào)座椅除了節(jié)能還可以改善駕駛、乘坐的舒適性，在電動汽車上 配套使用比較適合。因此，國外電動汽車空調(diào)從節(jié)能高效和實(shí)用性上有所突破，國內(nèi)電動汽車空調(diào)行業(yè)應(yīng)積極向國外先進(jìn)技術(shù)

17、學(xué)習(xí)、借鑒，并在此基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新突破。五解決方案的確定 熱電制冷空調(diào)系統(tǒng)該項(xiàng)技術(shù)具有很多適合電動汽車使用的特點(diǎn)，并且與傳統(tǒng)機(jī)械壓縮式空調(diào)系統(tǒng)相比，熱電空氣調(diào)節(jié)具有以下特點(diǎn)：熱電元件工作需要直流電源；改變電流方向即可產(chǎn)生制冷、制熱的逆效果；熱電制冷片熱慣性非常小，制冷時間很短，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達(dá)到最大溫差；調(diào)節(jié)組件工作電流的大小即可調(diào)節(jié)制冷速度和溫度，溫度控制精度可達(dá).，并且容 易實(shí)現(xiàn)能 量的連續(xù)調(diào)節(jié)；在正確設(shè)計和應(yīng)用條件下，其 制冷效率可達(dá)以上，而制熱效率遠(yuǎn)大于；體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，有利于減小電動汽車的整備質(zhì)量；可靠性高、壽命長并且維護(hù)方便；沒有

18、轉(zhuǎn)動部件，因此無振動、無摩擦、無噪聲且耐沖擊。國內(nèi)馬國遠(yuǎn)等人曾為電動汽車設(shè)計了太陽能輔助熱電空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用熱電制冷系統(tǒng)進(jìn)行降溫，利用高效 加熱元件進(jìn)行采暖和對擋風(fēng)玻璃進(jìn)行除霧 霜。對于其中的熱電制冷系統(tǒng)，冷卻器及散熱器均由若干組熱電堆組成，原理及結(jié)構(gòu)示意圖參見圖。 圖 電動汽車熱電式制冷系統(tǒng)示意圖對于采用熱電制冷的空調(diào)系統(tǒng)來說，熱電材料的優(yōu)值系數(shù)值越高，熱電制冷效果越好。但是，目前熱電制冷的效率只有機(jī)械壓縮式的 左右，在熱電制冷材料的優(yōu)值系數(shù)值沒有突破之前，熱電制冷只能在小體積和微型化上比傳統(tǒng)的機(jī)械壓縮式制冷優(yōu)越。 余熱制冷空調(diào)系統(tǒng)目前利用余熱的空調(diào)制冷技術(shù)主要有氫化物制冷空調(diào)、固體吸附

19、式制冷空調(diào)以及 吸收式制冷空調(diào) ，其工作原理 、特點(diǎn)、系統(tǒng) 組成不盡相同。氫化物空調(diào)是指利用金屬氫化物作為工質(zhì)，通過在不同溫度下金屬氫化物釋放或吸收氫氣的特點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)制冷。固體吸附式制冷是利用某些固體物質(zhì)在一定溫度，壓力下能吸附 于某種氣體或水蒸氣，在另一種溫度、壓力下又能把他釋放出來的特性，通過吸附與解吸過程導(dǎo)致壓力變化，從而起到壓縮機(jī)的作用。吸收式制冷也是以熱能為動力，利用由兩種沸點(diǎn)不同的物質(zhì)組成溶液具有的氣液不平衡 特性來完成制冷循環(huán)，溴化鋰和氨水吸收式制冷是最常見的吸收式制冷。對于燃料電池電動汽車來說，用燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化成的電能作為動力，但是燃料電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率只有左右，其余的能量都轉(zhuǎn)

20、化為余熱白白排放掉，導(dǎo)致燃料電池汽車能耗非常大。而汽車空調(diào)系統(tǒng)需要消耗能源，若能利用燃料電池的余熱制冷，一舉兩得 ，將大大提高燃料電池的能源利用效率，為燃料電池汽車的發(fā)展和應(yīng)用提供技術(shù)上的支持。同濟(jì)大學(xué)的賀啟濱等，對利用燃料電池汽車廢熱的吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)可行性進(jìn)行了研究。他們設(shè)計的系統(tǒng)流程如圖所示，燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的主換熱器直接通入吸收式制冷的發(fā)生器中，避免了二次換熱的能量損失；同時換熱器上部接一個帶有變頻水泵 的旁通支路，當(dāng)燃料電池的熱量多于吸收式制冷所需的熱量時，通過旁通支路從輔助換熱器排出，從而確保燃料電池在允許溫度范圍內(nèi)工作；為簡化設(shè)備，吸收式制冷的冷凝器、吸收器和燃料電池的輔助換熱器共用一套冷卻系統(tǒng)通至車外的風(fēng)冷式換熱氣中。 圖 燃料電池電動汽車吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng) 3. 系統(tǒng)方案的確定 電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的解決方案的確定，應(yīng)該是一個系統(tǒng)的工程， 主要有以下幾個因素決定。）空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力。）空調(diào)系統(tǒng)的控制模式的節(jié)能性能。）空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)成熟度以及復(fù)雜性。）空調(diào)系統(tǒng)的通用性。結(jié)論： 綜合以上所述，可以總結(jié)出電動空調(diào)系統(tǒng)相對于其他空調(diào)系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在純電動汽車上匹配時需要注意對整車性能的影響，特別是續(xù)駛里程和最高