电动客车空调的研制

潘振利,黄汉涛

(郑州科林车用空调有限公司,郑州450001)

近几年,我国纯电动客车市场发展迅速,研发投入持续提高。国家产业政策也鼓励纯电动客车向产业化方向发展,国内汽车企业、蓄电池企业等新增针对纯电动客车投资项目逐渐增多。投资者对纯电动客车市场的关注越来越密切,这使得纯电动客车市场的发展研究需求增大。

目前,我国研发的纯电动客车主要有公交客车和旅游客车。其中纯电动公交客车占80%;豪华旅游客车占18%,其它用途市场份额很少占2%。新能源公交客车因为需求主要来自各级政府相关公司,使用环境也更利于新技术的推广,将受到更大的政策推动,在2年左右的时间内可能将对相关企业产生实际收益。针对此情况,我单位对电动客车空调进行了研制。

1 空调系统的设计

电动客车是指以车载电源为动力,选配合适的车载蓄电池提供电能驱动行驶的客车。由于电池的容量有限,空调系统的能耗对电动客车充电一次后的行程有很大的影响。因此电动客车对空调系统的能耗提出了更高的要求。

由于电动客车没有发动机,不能像传统客车那样通过机械传动驱动压缩机,所以必须采用电驱动的压缩机。压缩机结构与现行客车上使用的压缩机不完全相同。同时冬季采暖时无法像传统空调那样利用发动机的余热,要求空调必须具有制热功能。为了充分降低空调的能耗,需采用容积效率高的制冷剂。

根据电动客车的特点,我单位在充分研究论证的基础上,开发出了电动客车用变频冷暖空调系统,机组采取一体化形式,布置于车辆的顶部,安装时只要提供直流电源即可。系统工作原理如图1所示。图中表示出了系统制冷时的流程,制热时通过四通阀改变制冷剂的流通途经,使蒸发器和冷凝器互换。该系统基于普通的冷暖空调,针对电动客车的使用环境和要求,选配了特殊的空调压缩机。

图1 系统工作原理

2 压缩机的选择

压缩机是制冷系统的心脏,压缩机的性能直接决定系统的性能和经济性。电动客车空调压缩机除了需要电力直接驱动外,由于整个空调系统全部顶置,压缩机的外形尺寸、压缩机的振动强度都是选定压缩机的关键因素。目前适合电动客车空调的压缩机有谷轮的ZRH系列,Bitzer的ELH7系列,BOCK的HG系列。其中谷轮的ZRH系列、bitzer的ELH7系列属于全封式涡旋压缩机,Bock的HG系列属于半封式往复活塞压缩机。全封式涡旋压缩机相对半封式往复活塞压缩机而言,具有振动小、噪声低、效率高、外形尺寸小的特点。基于压缩机的稳定性,外形尺寸等方面的考虑,我们采用了谷轮的ZRH系列压缩机。

谷轮柔性涡旋压缩机具有独特的优越性,高能效比,低噪声,高可靠性,低的系统设计成本和运行成本。谷轮基于成熟的压缩机技术,开发出了适于移动式空调和热泵应用的卧式涡旋压缩机,卧式涡旋压缩机利用了和立式压缩机相同的技术,并增加了一个正压式油泵来保证卧式的应用。谷轮卧式涡旋压缩机同时提供交流变频压缩机电机选项,谷轮变频系列压缩机能够精确满足负荷的变化,可以适应更宽广的应用范围。

3 制冷剂的选择

ZRH系列压缩机可以使用R134a与R407c制冷剂,由于R407c具有较高的容积制冷量,可以有效减少机组的尺寸,减少机组重量,更适合机组顶置。图2为ZRH72KJE-TFD压缩机应用于R134a和R407c时的性能曲线,该曲线基于谷轮压缩机选型样本数据绘制,数据测试条件为:

电源:交流三相380V定频50Hz

冷凝温度:45℃

回气过热度:11.1K

过冷度:8.3K

环境温度:35℃

可以看出R407c具有明显的优越性。R407c属于安全环保制冷剂,安全环保性根据美国标准ANS1/ASHRAE34-1989,对制冷剂的安全性主要考虑毒性和可燃性。R407C是由 R32、R125、R134a组成的非共沸混合工质,低毒不可燃,属安全性制冷剂。

图2 ZRH72KJE-TFD应用于R134a和R407c时制冷能力的比较

制冷剂的环保性能主要由两个重要的环境指标来体现,即臭氧衰减指数ODP和温室效应指数GWP,R407C的ODP为0,GWP约为0.05。

4 电控系统的设计

根据电动客车的特点以及压缩机的性能要求,结合本单位空调电控系统的特点,我们开发了一套新的电控系统,系统原理如图3所示。车辆过来的直流电源到变频器和直流变换器,变频器在控制器的控制下将直流电源逆变为电压和频率可调的三相交流电驱动压缩机工作;经过直流变换器调节为24V的直流电源供给蒸发器和冷凝器的风机、以及系统的传感器使用。电控系统采用变频技术主要基于降低系统能耗的目的,同时便于系统以后的升级,在条件成熟时空调系统使用的风机也做成变频调速的。变频系统根据车厢内的温度,控制变频器输出频率可调的交流电,使压缩机实现无级调速,不但能有效节约能源,减轻车载电源的负荷;还能稳定车厢内温度的波动,营造舒适的车厢环境。

图3 电控系统的原理

本电控系统具有以下特点:

1)采用变频技术,控制器根据车内负荷的变化自动调节制冷量,实现节能,稳定温度波动的目的。

2)柔性启动压缩机,降低启动电流,减少启动电流对电源的冲击,同时保护压缩机。

3)系统的交流直流分开控制,即保持了系统的简单使用,又避免了相互之间的干扰。

5 系统的安全防护

由于电动客车的特殊性,电源电压高达600V DC,空调系统不但要保证正常运行时较高的安全性,还要防止特殊情况下的安全性。系统的绝缘保护相当重要。本空调系统的防护等级达到IP55,可满足空调全天候下各种环境使用要求。系统对高压电源电路、变频器、调压器、电器件作了加强绝缘,绝缘性能达到F级,各器件与空调外壳间的耐电压＞3500V AC。设置了有效的接地保护,一旦意外情况下出现接地,系统马上自动切断高压电源。

6 结论

笔者所在单位研制的空调系统具有外形美观、节能环保,安装方便的特点。

由于电动客车本身还处于发展研究阶段,配套的空调系统也处于起步阶段,随着电动客车技术的不断成熟,技术标准的逐渐完善。电动客车空调也会逐步繁荣发展。

[1] 曹德胜,史琳.制冷剂使用手册[M].北京:冶金工业出版社,2003

[2] 李文华,谷波.滚动转子式、涡旋式压缩机在制冷空调领域的应用现状及展望[J].流体机械,1999,(12):52-54

[3] 黄逊青.变频技术应用与房间空调器的若干课题[J].应用展望,2000,(4):22-26

[4] 武光辉,吴克启.变频空调系统的理论分析及试验研究[J].制冷,2002,21(3):13-17