新能源汽车空调系统的设计

戚鹏 陈冠霖 丁鹏

摘 要：完善的汽车计算机控制的空调系统不仅可以对车内空气的温度、湿度、清洁度、风量和风向等进行自动调节，给乘客提供一个优良的乘车环境，提高乘客的舒适性和安全性。文章首先介绍了新能源汽车暖风空调的发展概况。描述了新能源汽车空调的结构组成，在此基础上解释了新能源汽车空调的工作原理。从理论上分析了PTC所产生的热量，从而设计了PTC暖风的故障诊断系统。对该系统进行了试验研究，结果表明，PTC暖风的故障诊断系统工作良好，性能优越。

关键词：汽车;新能源;空调;暖风

中图分类号：U463.85+1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）12-03-03

Abstract： A perfect computer-controlled air-conditioning system for automobiles can not only automatically adjust the temperature， humidity， cleanliness， air volume and direction of the air in the car， but also provide a good riding environment for passengers and improve their comfort and safety. Firstly， this paper introduces the development of new energy automotive heating air conditioning. This paper describes the structure and composition of new energy automobile air conditioning， and explains the working principle of new energy automobile air conditioning on this basis. The heat generated by PTC is analyzed theoretically， and the fault diagnosis system of PTC warm air is designed. The experimental results show that the fault diagnosis system of PTC warm air works well and has superior performance.

Keywords： automobile; new energy; air conditioning; warm air

引言

汽車空调现已成为汽车的基本部件。汽车空调的主要功能是调节和调控室内空气的温度、湿度、速度和清洁度，使乘客感到舒适，防止或清除车窗玻璃上的雾、霜、冰和雪，保证乘客的健康和行车中的安全。随着人们对汽车空气质量的重视，近年来越来越多的空气净化技术在实际车辆上得到应用。提高更好的舒适度和更好清洁度将是未来竞争的一个方向。空调作为“大能耗车”占发动机功率的20%。在日益严重的燃油限制条件下，如何降低动力消耗，使燃油经济性更高，将成为汽车空调系统的一大挑战。轻质、高效、节能已成为企业关注的焦点。电动汽车的发展是汽车空调的一个新课题。非政府组织已经测试过零摄氏度，空调和空调不开放，里程下降了约50%，因此如何提高加热和冷却里程需要解决。汽车空调正朝着轻量化、高效化的方向发展，并通过提高电动汽车的性能来提高改造效率，这势必会改变关键零部件、设计过程和材料应用等。新能源汽车空调一直是研究热点方向，国内外很多学者作出大量的研究，取得了丰硕的成果。文献[1]介绍了一种多热源分阶段制暖的新能源汽车暖风系统，有效的降低了汽车空调的耗能。文献[2]介绍了一种分布式新能源汽车空调系统，减轻了空调对电池的依赖，延长了续航里程。文献[3]设计了空调的控制电路和控制策略，提高了能源利用率。

本文介绍了新能源汽车空调冷暖两种形式。首先介绍了制冷系统的组成和工作原理，然后描述了一种基于PTC的暖风系统，设计了整车暖风系统的控制原理图，分析了暖风系统的制热量，对其做了实验。

1 新能源汽车空调组成

新能源汽车空调系统主要有，空调传感器主要用来采集各种数据，如阳光传感器，速度传感器等。执行器，包括电机，放大器，PTC加热器等组成。电源部分，主要有整车电源，DC-DC变换器，低压电源等组成。制冷用的电子压缩机，压缩机是管路中间介质运营的压力源，没有压缩机，系统不但不能制冷，而且失去工作的能力。冷凝器汽车空调制冷系统中的冷凝器是一个与管和散热器结合的热交换器。其功能是冷却从压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽，使其冷凝成高压制冷剂液体。它是一种鳗鱼喜欢直接尖锐的T恤平面片，然后组装成冷凝器，散热鳝片和管道作为一个整体，不存在接触电阻和辐射性能良好;此外，没有复杂的管焊接工艺和薄膜加工，节省材料，抗振动特别好。因此，它是一种更先进的汽车空调冷凝器。蒸发器它也是一个热交换器，也称为冷却器，是一种在制冷循环中冷却空气的直接装置。其效果是从管道中的热膨胀阀蒸发低温低压液体制冷剂，以降低蒸发器和周围空气的温度。同时对空气起减湿作用。膨胀阀，膨胀阀又称节流阀，是汽车空调制冷系统的主要组成部分。它安装在蒸发器入口，是车辆空调和制冷系统的高压和低压之间的边界。

贮液干燥器，安装在冷凝器与膨胀阀之间，它的作用是贮存从冷凝器出来的临时的液态制冷剂，使制冷负荷的变化和系统泄漏，液体制冷剂可以补充和调整热力膨胀阀的电源，以确保连续性和制冷剂流量稳定性。在制冷系统中，制冷剂蒸汽被压缩机压缩和输送，是整个系统的核心。膨胀阀起到节流制冷剂和减压的作用，同时调节进入蒸发器的制冷剂液体流量，这是系统高压和低压之间的分界线。蒸发器起吸收热能的作用，其中制冷剂吸收被冷却空气的热能来实现冷却。冷凝器是释放热能的设备。从蒸发器吸收并由压缩机消耗转换的热能，在冷凝器由冷却空气带走。只有当外界消耗的功 ，能使制冷剂不断地将车内低温空气吸收的热能传递到车外高温空气中，才能达到制冷的目的。

2 暖风系统的故障诊断设计

在纯电动汽车制暖系统中，防冻液在直流电动泵的作用下一直在系统中循环，防经PTC的电阻丝加热后，温度升高。在进入蒸发器中，鼓风机将高温防冻液的热量带走，为车厢加热。系统利用风机鼓动空气流经蒸发器吹入汽车乘员室，实现热交换。

在设计该系统的故障诊断系统时，首先要计算暖风机的传热能量，这是部件选型的基础工作。假设水循环过程中管道散热量非常小，加热器无效率损失，根据能量守恒定律，单位时间内：

暖风机传热能量=加热器加热能量—水上升热量：

式中，C1为水的比热容，为水的密度，V为加热器水的体积;

t2为当前温度，t1为上次温度，t0为环境温度;

U为电压，T为间隔时间，n为占空比;

K为暖风机传热系数，A为传热面积。

传热系数与风机送风量，水泵流量，温度差有关，需要通过实验确定传热系数的最大和最小值。

暖风机传热能量可以看作是空调的工作功率（单位时间），我们知道空调功率应该是在某一范围内波动，当功率超出该范围区间时，我们可以认为加热器故障。

当散热量大于理论最大散热量时，若电压检测故障或PWM 控制量大于等于最大能量输出，且温度不上升，此时认为高压线路故障;否则则认为是其他故障。

当散热量小于理论干烧散热量时，若PWM 控制量小于等于1，且温度上升，此时认为IGBT 故障;否则则认为是水位过低。当散热量小于理论最小散热量时，此时认为水泵或暖风机故障;其他情况则认为系统正常。

当某个故障连续多次被检测到时，程序会进去故障停止模式，此时控制器不在有PWM输出，高压不工作。1 分钟后，系统恢复正常工作。当检测有故障时，串口发送对应的故障代码，故障端口输出对应的电平信号。

3 加热器试验

3.1 硬件试验方案

3.1.1 分路功率输出峰值功率测试

（1）试验目的

利用现有小功率高压测试电源，对两路功率驱动加热模块分别进行试验，以测试其耐久特性。

（2）试验方法

a.控制板电源12V采用铅酸电池外供模式。

b.分“加热丝1”及“加热丝2”两路分别单独工作，平均功率不小于2.2kw，平均每路工作時间不小于2 小时，试验中加热器内部水温维持在70℃±1℃、75℃±1℃，通过可调电源控制散热器风扇来保持温度恒定。

（3）试验结果如表1：

3.1.2 两路同时输出峰值功率测试

（1）试验目的

测试在两路加热丝在同时工作条件下，加热器是否可可靠工作。

（2）试验方法

a.控制板电源采用铅酸电池外供电模式， 高压供电分别采用200V、300V和400V。

b.两路同时工作，总功率大于或等于4kw（200V 电压供电时，峰值4kw，400V 电压供电时，峰值4.5kw），试验过程保证在不同的温度条件下（将水温分别维持在70℃±1℃，75℃±1℃，分别进行试验），持续工作时间大于30 分钟。

（3）试验结果如表2：

4 小结

本文描述了新能源汽车空调的结构组成，在此基础上解释了新能源汽车压缩机的工作原理。重点从理论上分析了PTC所产生的热量，从而设计了PTC暖风的故障诊断系统。对该系统进行了试验研究，结果表明，PTC暖风的故障诊断系统工作良好，性能优越。

参考文献

[1] 丁鹏，王忠，葛如海，等.新能源汽车暖风分段制热控制系统[J].汽车安全与节能学报， 2017，08 （03）： 303-309.

[2] 丁鹏，王忠，王莹，等.分布式新能源汽车空调控制系统[J].传感器与微系统， 2018.

[3] 阂海涛，王晓丹，曾小华，等.电动汽车空调系统参数匹配与计算研究[J].汽车技术， 2009（6）：19-22.