纯电动汽车空调系统负荷特性的试验研究*

孙 乐，李红旗，程 睿，马天琦

(北京工业大学制冷与低温工程系，北京 100124)

前言

随着化石能源的日益枯竭和环境污染的不断加剧，节能与环保成为了21世纪的主旋律，各国政府都加大力度扶持新能源产业的发展，不仅在资金上给予大力支持，在政策层面更是给予重点照顾。与传统燃油汽车相比，纯电动汽车具有节能、环保的双重优势，受到了国内外的广泛关注。与传统燃油汽车一样，纯电动汽车也需要一个舒适的驾驶和乘坐环境，这就离不开空调系统的支持。汽车空调系统的设计开发，要明确它的冷负荷，进而得到空调系统所需提供的制冷量，然后进行后续的热力计算等设计开发工作。

纯电动汽车与普通燃油汽车最根本的区别就是动力源的不同，而发动机传入热是普通汽车空调冷负荷的主要来源之一，没有发动机的纯电动汽车冷负荷的计算尚有待研究。据此，本文中针对一台纯电动汽车样车，首先根据现有的理论计算方法对其进行冷负荷计算，然后实际测量了该样车的冷负荷，并分析比较了两种方式得到的不同结果。

1 理论计算

汽车的车型众多，结构复杂多变，而且大部分时间处于运动状态，因此，计算空调负荷时随机因素多，难度大。鉴于建筑物空调负荷计算方法较为成熟，往往把汽车视为“运动的建筑物”，车厢视为“移动的房间”，汽车空调冷负荷的计算方法可分为3大类，即稳态传热法、准稳态传热法和非稳态传热法(即动态传热法)[1]。3种方法各有优劣，为了简便计算，本文中采用稳态传热法进行近似计算。

1.1 冷负荷来源

普通汽车车厢(驾驶室)与外界环境的热交换如图1所示。热传递以导热、对流、辐射3种方式进行。车室内冷负荷的来源主要包括以下4个方面[2]：

(1) 由于车外温度高于车内，加上太阳辐射的作用，有大量热量通过车壁和门窗玻璃传入车内；

(2) 由于密封不良，会有不少热空气通过门窗及地板缝隙漏入车内(或人为通入新风)，带来新风热；

(3) 人体发出的汗热和湿热也使车内温度升高，发动机室的部分热量还会通过车身前围和发动机罩传入；

(4) 暴露在车厢下面的冷风管道和地板还会有地面反射热传入。车厢内的零件如座椅、仪表板等会吸收大量太阳辐射热，然后慢慢向车内散出。

这些热量之和就构成了普通汽车空调冷负荷。对纯电动汽车来说，车体围护结构与普通汽车并无差异，只是发动机室变成了电动机室，并且车底附着了一块电池包。但是，计算纯电动汽车空调冷负荷时不能简单地照搬原有的公式，必须考虑这两点不同对空调冷负荷带来的影响。

1.2 设计参数选择

根据我国对轿车空调设计的要求，结合国内外热舒适性的研究结果和中国人的冷热习惯，并参考文献[3]，确定负荷计算时车室内外的相关参数如表1所示。表2则列出了车体本身的部分参数。

1.3 计算结果

汽车空调冷负荷与得热量有时相等，有时不等，这主要与汽车壁面、隔热层、壳体结构的蓄热性能有关。但由于汽车空调工作条件恶劣、汽车围护结构蓄热能力较小、以及要求汽车空调在短时间内降温或升温等特殊性，故汽车空调制冷容量大小的选取一般都按照其得热量来进行，这使汽车空调容量稍许偏大，但更安全可靠。根据文献[2]和文献[3]中的冷负荷计算公式，对样车进行了冷负荷计算，结果如表3所示。

表1 车室内外空调设计参数

表2 车体部分参数

表3 冷负荷计算结果 W

计算时，考虑到纯电动汽车与普通汽车的不同，对两个地方进行了改进。首先，类比于普通汽车上的发动机室传入热，引入电动机室传入热的概念，可认为电动机室的空气温度比室外空气高20℃；其次，该款电动汽车的电池包安装在车底板上，几乎占据了整个车底面，充放电过程中会不断向周围空气散发热量，故在计算通过车底传入的热量时认为车底的空气温度比室外空气高10℃。

计算结果显示，该款纯电动汽车空调冷负荷中，车窗得热量和围护结构得热量之和占总的空调冷负荷的55.3%，符合汽车空调冷负荷比例标准[4](一般车窗得热量和围护结构得热量之和占总的空调冷负荷的40%～60%)，因此，该计算结果是合理的。

2 实际测试

2.1 测试方法与设备

在一年中最热的季节(夏至日前后)，用热流量计测得该电动汽车的热流密度，并测量车体各部分的面积，即可得到各部分围护结构的得热量，进而可获得该车的夏季冷负荷。表4列出了主要的测试仪器及其功能。

表4 冷负荷测试试验所用仪器及其功能

在正式进行测试之前，先对车舱内各个部位的热流密度进行了初步试测。试测方法是对车内各个位置进行随机布点，找出车内得热量的主要来源。试测结果显示，车内热流密度由大到小依次为：玻璃>>车门、车顶、车底>其他部分。因此，将电动汽车车内得热量的来源简化为4部分：(1)车窗玻璃(主要来源)；(2)车门；(3)车顶和车底；(4)座椅，前后面板和其他部分。

2.2 测试结果

测试时间：2012年7-8月，测试期间当地天气晴朗、气候炎热，室外环境温度在30～35℃左右，日照强度在12kW/m2左右，测试选在每天中午气温最高的时间段进行，测试时将车内空调打开，使车内温度维持在25℃左右，并在怠速和行驶两种工况下进行测试。

2.2.1 怠速工况测试结果

怠速工况是指在电动汽车起动，但不挂D挡行驶的条件下使电动机空转，此时，电动机没有功率输出，也不会对动力电池产生影响。试验前，先将已经布好点并连接好所用仪器的电动汽车开到室外空旷地带，放置一段时间，待车室内外温度稳定以后再打开相关仪器，开始测试。测试区域划分和布点数目如图2所示。

数据处理时先对所测得的原始数据进行筛选，剔除一些不稳定的、有突变的无效数据，再对有效数据进行处理，可以得到每一区域的热流密度随时间的变化曲线，再乘以相对应的区域面积，即可得到从该区域进入车内的热量随时间的变化曲线。最终测试结果如图3和图4所示。

从得热量随时间的变化曲线中可以清楚地看到电动汽车不同部位得热量的最大值、最小值和一个相对的稳态值，也不难看出，透过车窗玻璃进入车内的热流量远大于车体其它部分，充分证明这部分热量是车内冷负荷的主要来源。图中曲线有个别地方波动比较大，这是因为测试过程中天气突然转阴，太阳被遮住，导致太阳辐射热显著减少，这也从一个侧面反映了太阳辐射对车内得热量的影响很大。怠速工况下车体各部分得热量测试结果汇总于表5。

表5 怠速工况车体各部分得热量测试结果 W

2.2.2 行驶工况测试结果

行驶工况测试前的准备工作与怠速工况完全相同，只是在测试过程中电动汽车一直处于行驶状态。由于目前尚无电动汽车冷负荷实车测试的统一标准，所以在路试过程中参考了GB/T 18386—2005电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法[5]中的相关测试工况，按照该标准中规定的行驶工况控制电动汽车的速度、加速和减速过程。但由于试验条件所限，无法找到一条专用道路进行相关试验，而实际道路路况复杂，车辆众多，行驶过程中不可避免地须根据路面情况控制车速和行驶方向，因此，测试过程并未严格遵照标准中的要求行驶。行驶工况下部分测试结果如图5所示。

从图5可以看出，行驶工况下车底得热量和仪表盘处得热量的数值大于怠速工况，在汽车加速或爬坡过程中数值的增幅更为明显，充分说明电动汽车在行驶过程中，电动机和电池包的散热量对空调冷负荷的影响很大。行驶工况下其它测试区域的测试结果远小于怠速工况，且数值变化波动很大，这一方面是因为车辆在行驶过程中周围空气流速加快，与外界环境的对流换热加强；另一方面则是因为在实际行驶过程中，路况多变，行驶方向的改变会马上使车体与太阳辐射的夹角发生显著变化，而且道路两边绿化带、房屋建筑等设施也会遮挡阳光，所以说这样的测试结果应属正常。行驶工况下车体各部分得热量测试结果汇总于表6。

表6 行驶工况车体各部分得热量测试结果 W

综合考虑怠速工况和行驶工况下的测试结果，用两种工况下各测试区域得热量的最大值的算术平均值作为估算该电动汽车空调冷负荷的参考值，并将门窗漏风得热量、新风得热量、人体散热量和其它设备散热量考虑进去，即可得到该样车空调最大冷负荷的实测值(3 587.73W)。这里简单地认为仪表盘及腿挡板处的得热量就是电动机室的传入热和车顶、车底与车门3部分的得热量之和构成了车体围护结构得热量。

3 数据分析

通过理论计算和测试两种方式得到了纯电动汽车空调的冷负荷，二者在数值上相差了近600W。一方面，如前所述，理论计算结果本身就偏大一些；另一方面，在实际测试中并未得到辐射得热量的具体数值，结果中也将其忽略，因此，实际测试结果偏小。真实的冷负荷应该介于二者之间，约为4 000W。

实际测试的电动机室传入热为100W(两种工况测试结果的平均值)，而理论计算值为154W，说明理论计算时所作的电动机室空气温度比室外空气温度高20℃的假设有偏差。将实测值带入理论计算式，可反推得到该样车电动机室空气温度为47.8℃，高出室外空气12.8℃，因此，在纯电动汽车空调冷负荷计算时，可认为二者温差在10～15℃之间。

两种方式得到的车底得热量相差不大(5W)，说明理论计算时考虑到车底电池包的影响，认为车底空气温度比室外空气温度高10℃左右是合理的，可在纯电动汽车空调冷负荷计算中推广使用。

实际测试中测得了座椅和车内其它内饰的散热量，数值偏小，对整车冷负荷的影响不大，说明车体本身的蓄热能力较弱，在理论计算时可以忽略，即认为得热量与瞬时冷负荷相等。

另外，为了使电池始终工作在最佳温度区间内，纯电动汽车必须对电池进行主动冷却，这也需要空调系统的支持。因此，纯电动汽车空调冷负荷计算时，不仅要将电池包的散热作为计算车厢冷负荷的边界条件，还须将其作为冷负荷的一部分加以考虑。

综上所述，传统汽车空调负荷计算的方法应用在纯电动汽车空调上是不可行的，必须充分考虑电动机室传入热及电池包散热的影响。

4 结论

负荷特性对纯电动汽车空调系统设计极为重要，传统的理论计算方法不完全适合纯电动汽车。在探索纯电动汽车空调系统负荷计算方法时，可用相关仪器设备进行实车测试试验。本文提出的纯电动汽车空调冷负荷的测试方法为相关设计人员提供一种思路；但还有待今后进一步完善，以提高测试数据的准确性。

[1] 吴双.汽车空调车身热负荷计算方法分析与比较[J].制冷与空调,2002(6):20-23,27.

[2] 陈孟湘.汽车空调—原理、结构、安装、维修[M].上海:上海交通大学出版社,1997:76-83.

[3] 方贵银,李辉.汽车空调技术[M].北京:机械工业出版社,2002:82-94.

[4] 李夔宁,杨颖,童明伟.微型汽车空调冷负荷计算[J].重庆大学学报(自然科学版),2002(8):65-69.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 18386—2005电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法[S].北京:中国标准出版社,2005.