电动汽车空调与采暖系统的设计与参数匹配

李隽杰，宋立涛，隽春玲

（1.总装备部车船军代局驻南京地区军代室，江苏 南京 210037；2.西安电子科技大学；3.总装备部车船军代局驻西安地区军代室，陕西 西安 710043；4.西安昆仑汽车电子有限公司，陕西 西安 710043）

电动汽车空调与采暖系统的设计与参数匹配

李隽杰1，宋立涛2，3，隽春玲4

（1.总装备部车船军代局驻南京地区军代室，江苏 南京 210037；2.西安电子科技大学；3.总装备部车船军代局驻西安地区军代室，陕西 西安 710043；4.西安昆仑汽车电子有限公司，陕西 西安 710043）

针对电动汽车的空调和采暖系统进行理论设计和参数匹配，并对电动空调制冷循环系统关键零部件进行合理选型，提高电动汽车的舒适性，有效地减少能量消耗。

电动空调；变频器；电动汽车；PTC；采暖

1 电动汽车的空调与采暖系统

电动汽车使用电池作为驱动动力，使得它的空调与采暖系统也不同于燃油汽车；由于作为驱动动力的电池容量有限，空调与采暖系统的能耗对电动汽车充电一次后的行程有很大的影响。同燃油汽车相比，对电动汽车空调系统的能耗提出了更高的要求。

电动汽车和传统燃油汽车的空调、采暖系统区别在于：电动汽车没有用来采暖的发动机余热，不能提供作为汽车冬天采暖用的热源，必须自身具有供暖的功能，即电加热系统；压缩机需要采用电机直接驱动，结构上与现有的压缩机形式不完全相同。用来给空调与采暖系统提供动力的电池主要用来驱动汽车，其能量消耗对汽车每充一次电的行程影响很大。如果电动汽车仍采用现有能效比较低的空调系统，这就意味着增加电池的制造成本或是降低电动汽车的驱动性能指标。

电动汽车的空调与采暖系统构成和布置方案如图1所示。考虑到高压电安全和电能的损耗，将电动压缩机和变频器尽可能布置在电池的附近，压缩机由独立的电机进行驱动，当空调系统制冷负荷发生变化时，可通过调节电机转速来控制制冷剂流量，进而控制空调系统制冷量，使室内温度控制更加准确，并降低了系统能量消耗。当需要取暖时，接通PTC加热器回路，PTC加热器恒温发热，超过一定的温度（居里温度）时，随着温度的升高它的电阻值陡增，也就是说PTC加热器的功率将突然降低到最小值，使温度回到其居里温度以下，起到节能的效果。

2 空调制冷循环系统主要部件选型

电动汽车空调制冷循环系统主要由电动压缩机、电动压缩机控制器、冷凝器（包括冷凝风机）、蒸发器、膨胀阀和管路系统形成一个封闭的系统。电动空调制冷循环简图见图2。电驱动系统和电动空调制冷循环系统如图3所示。

制冷剂在蒸发器中与驾驶室内部空气进行热交换后，气化成低温低压蒸气后进入电动压缩机，被压缩机压缩后，温度和压力升高，然后进入冷凝器，高温制冷剂蒸气与外界空气进行热交换，被冷却后成为液体，经过干燥储液罐干燥过滤后，离开冷凝器的制冷剂变成高温高压液体流经膨胀阀后，降低压力和温度，成为由气体和液体组成的混合物，再进入蒸发器，吸收蒸发器周围物体的热量，使它的温度降低。如此周而复始完成制冷循环。

电动汽车对电动压缩机的要求首先是效率高，然后是结构紧凑、质量轻、成本低、噪声低，能在各种气候下工作。另外，电动空调压缩机采用电机直接驱动，对压缩机高转速性能也有较高要求。

2.1 压缩机形式确定

对于涡旋式压缩机来说，其原理是利用动、静涡旋片的相对公转运动形成闭死容积的连续变化，实现压缩制冷的目的。这种压缩机无吸、排气阀，因此工作可靠、寿命长，容积效率高，吸排气连续，气流脉动小，运转平稳，且转矩变化均匀。更为关键的是：相比其它形式的压缩机，可节能30%，噪声降低1／3，具有节能环保的亮点。作为目前空调活塞式压缩机的换代产品，应用在电动空调上有其它压缩机不可替代的优势。基于涡旋式压缩机的种种优势，采用其作为电动空调系统的压缩机。

2.2 压缩机驱动电机形式确定

在电动空调系统的压缩机中，由于充满了制冷剂蒸气，而有刷电机的电刷及换向器在电机转动时会产生火花、碳粉，容易酿成危险，且电刷及换向器容易磨损，故不用有刷电机。

无刷直流电机具有结构简单、无换相火花、调速性能好、运行可靠、效率高等优点，在当今生产生活各个领域中的应用非常普及。直流无刷电机与传统直流电机的基本特性相一致，具有一般直流低价的运行效率高、起动转矩大、调速范围广和机械特性为线性等优点，又具有交流电机的结构简单、运行可靠、维修方便等特点。因此电动空调压缩机驱动电机选用直流无刷电机。

3 空调系统设计计算与参数匹配

3.1 设计参数

设定在7月中旬上海地区以30km／h的速度向正南方向行驶，驾驶室内空气干球温度27℃，相对湿度50%，乘员1人。车内空气流速0.3m／s；人均通风换气量11m3／h，驾驶室内部容积3.84m3。设计条件见表1。

表1 设计条件

3.2 车身热负荷计算

3.2.1 车身壁面的传热Q1

不考虑太阳辐射热影响时，在稳定传热条件下，其传热量Q可表达为

式中：K——传热系数；F——传热面积，m2；tH——车外温度，℃；tB——车内温度，℃。

式中：αH——车外放热系数，W／（m2·K）。

式中：v——车速，m／s。

αB为内表面放热系数（车内空气自然循环时，取αB=31；车内空气强制循环时，取αB=29），单位为W／（m2·K）。RD为隔热层热阻。

式中：δi——隔热材料厚度，m；λi——隔热材料导热系数，W／（m2·K）。

以侧围为例进行计算，钢板：δ1=0.001m，λ1= 48.5W／（m2·K）；聚氨酯发泡：δ2=0.003m，λ2=0.03 W／（m2·K），代入式（4），得到RD侧≈0.1。

将v=8.33m／s，代入式（3），得到αH侧=44.93 W／（m2·K）。

将RD侧≈0.1，αH侧=44.93W／（m2·K），αB=29代入式（2），得到K侧=6.38W／（m2·K）。

而人造革的λ=0.04W／（m2·K），同理，得到K地= 6.56W／（m2·K），K顶=4.10W／（m2·K），K后=6.38W／（m2·K）。

将tH=40℃，tB=27℃，K侧=6.38W／（m2·K），F= 2.56m2代入式（1），得到Q1侧=424.66W。

同理可得Q1地=177.38W，Q1顶=89.54W，Q1后= 97.87W。则Q1=Q1侧+Q1地+Q1顶+Q1后=789.45W。

3.2.2 太阳热辐射时车身壁面的传热Q2

事实上，由于太阳辐射，将使车内壁面温度升高很多，此部分热量Q2也将传入车内，构成车身热负荷之一。其传热量Q可表达为

式中：K——传热系数；F——传热面积，m2；ρ——车身外表面吸收系数，与表面颜色、新旧、粗糙度有关，本车ρ选取为0.1；αH——车外放热系数，W／（m2·K）；I——太阳总的辐射强度，对于车顶和车身侧面，由于太阳入射角的不同，辐射强度是不相同的，I顶=688W／m2，I侧=550W／m2，I后=313 W／m2，而对于地板来说，太阳热辐射可以忽略。

将相应的参数代入式（6），得到Q2侧=39.99W，Q2顶=10.55W，Q2后=5.24W。则Q2=Q2侧+Q2顶+Q2后= 55.78W。

3.2.3 车内外温差通过门窗玻璃传入的热量Q3

车内外温差通过门窗玻璃传入的热量Q3表达式为

式中：F——传热面积，m2；tH——车外温度，℃；tB——车内温度，℃；K——玻璃的传热系数，W／（m2·K）。

取K玻=0.754，则Q3侧窗=20.09W，Q3前窗=10.86W，Q3后窗=8.5W。于是，Q3=Q3侧窗+Q3前窗+Q3后窗=39.45W。

3.2.4 太阳热辐射时通过门窗玻璃传入的热量Q4

汽车中午向正南方向行驶，前窗为朝阳面，其太阳辐射强度为I=688W／m2，左右侧窗按I=550W／m2，后窗按I=313W／m2计算，则Q4的表达式为

式中：η——太阳辐射透入系数，η=0.84；ρ——玻璃对太阳辐射热的吸收系数，一般取ρ=0.08；S——遮阳修正系数，取S=0.93；U——车窗的辐射量；αB——内表面放热系数（车内空气强制循环时，取αB=29），W／（m2·K）；αH——车外放热系数，W／（m2·K）。

把以上参数代入式（8），则Q4前=684.61W，Q4侧= 1012.48W，Q4后=262.34W。于是，Q4=Q4前+Q4侧+Q4后= 1959.43W。

3.2.5 其它热负荷Q5

其它热负荷如人体散发的热量QP和漏风传入驾驶室的热量QT。QP=116N，N为乘员数，本车乘员为1，所以QP=116W。QT=200W（估值），那么Q5=QP+ QT=316W。

3.2.6 汽车驾驶室热负荷Qe

上述热负荷之和构成汽车驾驶室热负荷Qe，那么Qe=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=789.45+55.78+39.45+1959.43+ 316=3160.11W。

3.3 空调系统制冷负荷Q计算

空调系统制冷负荷至少要与汽车驾驶室热负荷达到热平衡，其表达式为

a为储备系数，一般取1～1.2，本设计取1.2，代入式（9）中，则Q=1.2×3160.11=3792.13W。

3.4 空调系统参数匹配

确定空调系统工况，并根据所确定的工况条件得出其热力循环压焓图，如图4所示，图4中线段1—2表示压缩过程，2—3—4表示冷凝过程，4—5表示节流膨胀过程，5—0表示蒸发过程。

根据汽车空调计算工况，并参考电动压缩机总成技术条件，确定热力循环的计算工况：冷凝温度62℃，蒸发温度-1℃，过热度10℃，过冷度0℃。

根据该计算工况，由公式（10）可以得到该空调系统的等熵效率ηi

式中：T0——蒸发温度，K；TK——冷凝温度，K；t0——蒸发温度，℃；b——常数，取0.0025。

本空调系统制冷剂采用R134a，根据其热力性质压焓图查得各工况点参数，如表2所列。

表2 各工况点热力学参数

根据表2的工况点热力学参数，计算空调系统的基本参数：单位制冷量q0=h0-h4=106.04kJ／kg；单位制冷量qk=h2-h4=164.38kJ／kg；制冷剂循环量G= Qe／q0=29.80；冷凝器热负荷Qk=Gqk=4898.52W；单位压缩功W=h2-h1=49.08kJ／kg；压缩机压缩功N= WG=1462.58W；压缩机总效率ηe=ηi×ηm=0.81×0.94= 0.76，ηm为机械效率，取0.94；压缩机轴功率Ne= N／ηe=1924.45W；制冷系数（COP）ε=Qe／Ne=1.64。

式中：Q——空调系统制冷负荷，W；v1—状态1下的比容，m3／kg；n——压缩机转速，r／min；λ——输气系数，一般取0.8～0.95，本计算取0.9；q0——单位制冷量，kJ／kg。

根据式（11），计算出满足该热力循环的电动压缩机、冷凝器的相关参数，见表3。

表3 电动压缩机、冷凝器的相关参数

分析表3和图5结果可知，电动压缩机功率、冷凝器热负荷与压缩机转速无关，其排量随着转速增大而减小，转速在3000～4000r／min区间，电动压缩机的排量趋于平缓，变化范围不大。因此选用南京奥特佳一体式ATC-E26型电动压缩机，功率为2kW，额定电压320V，额定电流6.5A，启动电流12A，压缩机排量50mL／r，其实物如图6所示。冷凝器热负荷6kW、蒸发器热负荷4kW，即可满足设计要求。

3.5 空调系统变频器的匹配

电动汽车空调系统使用变频器直接驱动压缩机的电动机，所引起的能耗特性与传统汽车的能耗特性的不同点主要有：①变频器自身存在较大的能量损耗（如正向损耗、开关损耗和恢复损耗）；②变频器输出的非正弦波形电压带来的电气谐波损耗和机械运动谐波引起的机械脉动损耗。

变频器容量的选择必须遵循：①变频器的额定电流大于电动机的额定电流；②变频器1.5倍额定电流需大于电动机的启动电流；③变频器的功率大于1.2倍电动机的启动功率。因此，I变≥max{I机，I启／1.5}，即I变≥max{6.5A，8A}；P变≥1.2×P机，即P变≥2.4kW。

所选变频器额定功率为3kW，型号为DJC3K300—M，输入电压范围DC 400～600V，输出电压DC 320V。实物如图7所示。

4 空调系统的舒适度评价

空调系统的舒适度是一个模糊量，其主要评价指标有：温度、湿度和风速。图8所示的ASHRAE舒适线图（由美国空调冷冻空气调和工程学会制作）是被常采用的方法之一。图8中阴影部分是夏季感到舒适的范围，该空调的设计指标覆盖其中，达到良好的制冷效果。

5 PTC采暖系统设计与参数匹配

该车PTC采暖系统使用的装置为PTC材质带式空气预热器。该空气预热器具有节能、过热自动控温及缺风自动（最高温时）保护功能，有较高的安全性。实物如图9所示。

5.1 PTC材质采暖系统特性

PTC热敏陶瓷具有正温度系数的导体功能陶瓷，主要有两个特性：即电阻-温度特性和电流-时间特性。

1）PTC元件的电阻-温度特性指在规定的测量电压下，元件的功率电阻值与其电阻体温度之间的关系，如图10所示。

Tc居里温度：它是PTC半导瓷相变的开始点，一般为PTC元件Rmin二倍阻值时所对应的温度点。Tmax最大温度：元件可达到的最高温度。Tp最大工作温度：工作范围内的上限温度。Tmin最小温度：元件（正常）呈现最小电阻时的温度。T25标准室温：25℃。

Rmax最大电阻：元件达到最高温度时的电阻。Rp最大工作电阻：上限工作温度所对应的电阻。Rmin最小电阻：元件（正常）可呈现的最小电阻。

2）PTC元件的电流-时间特性指当PTC元件两端加上额定电压工作时，流过元件的电流I与时间t之间的关系，如图11所示。

PTC效应：PTC元件在达到居里温度Tc之前，电阻随着温度的升高而下降；当温度处在居里温度到最大工作温度之间时，电阻随温度的升高而显著增大。

5.2 PTC采暖系统设计参数

在1月中旬上海地区，将车辆静态置于室外温度为-7℃的环境，为使驾驶室内空气干球温度达到16℃，相对湿度30%；乘员为1人。车内空气流速0．3m／s；人均通风换气量11m3／h，驾驶室内部容积3.84m3。

为了使驾驶室在一定时间内达到规定的温度，需要PTC产生一定的热量满足驾驶员的需求，其需求热量为

式中：CP——空气质量定压热容，kJ／kg·K，取1.009（温度在-10～20℃之间）；ρ——空气的密度，kg／m3；V——驾驶室内部容积，m3；Td——驾驶室达到的设计温度，℃；Ta——环境温度，℃。

将各个参数代入式（12），得到Q=114.96kJ。

鉴于PTC元件的上述特性，因此PTC采暖系统的功率也在发生动态变化，而从环境温度达居里温度的时间非常短，可以忽略，近似认为稳态工作电流为其最大值的一半。所以PTC采暖系统的功率必须满足以下条件才能满足采暖需要。

式中：Q——驾驶室从环境温度升到设计温度时从外界吸收的热量，kJ；t——驾驶室从环境温度升到设计温度时需要的时间，s。

若PPc≥0.96kW（此功率为在电流为I0／2状态下计算），其变频器额定电压为320V，可知I0min=6A，PPcmin=1920W，因此选用额定电压为320V，额定功率为2kW的PTC加热器给驾驶室提供取暖热源。

6 结束语

通过实车实际环境的测试，空调的设计参数能为空调系统提供足够的制冷量，电动汽车选用PTC采暖，制热速度快，效果明显。据此所选择的空调与采暖系统，经过整车初步验证合理。

［1］曹中义.电动汽车电动空调系统分析研究［D］.武汉：武汉理工大学，2008.

［2］方贵银，李辉.汽车空调技术［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［3］陈芝久.制冷系统热动力学［M］.北京：机械工业出版社，1998.

［4］汽车工程手册——设计篇［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［5］陈沛霖，岳孝方.空调与制冷技术手册［M］.上海：同济大学出版社，1990.

（编辑习习）

Design and Parameter Matching of Air Conditioning and Heating System for EV

LIJun-jie1，SONGLi-tao2，3，JUANChun-ling4
（1.Military Representative Office of General Armaments Department of PLA Stationed in Nanjing，Nanjing 210037，China；2.Military Representative Office of General Armaments Department of PLA Stationed in Xi’an，Xi’an 710043，China

Theory design and parameter matching for air conditioning and heating system for EV have been elaborated. The types of key part of cooling cycle system of electric air conditioner are selected to improve comfort performance and reduce energy consumption effectively.

electric air conditioner；transducer；EV（Electric Vehicle）；PTC；heating

U463.851

A

1003－8639（2014）06－0004－05

2013-10-08；

2013-10-14

李隽杰（1971-），男，陕西绥德人，高级工程师，主要从事电动汽车的研究论证工作；宋立涛（1978-），男，陕西蓝田人，工程师，在读博士，主要从事电动汽车的研究论证工作和汽车及零部件可靠性研究；隽春玲（1969-），女，工程师，TS16949内审员，从事汽车电子电器零部件品质管理工作。