纯电动客车空调结构布局设计探讨

辛 伟，高福学，张素丽

（山东朗进科技股份有限公司，山东 济南 266400）

1 前言

随着能源危机愈演愈烈，传统燃油汽车由于消耗大量石油，对环境造成严重污染，已经不能满足人们对环境保护的要求。纯电动客车及纯电动客车空调以其低能耗、低排放、对环境不造成污染、噪声小等优点，以及接近甚至超越传统燃油汽车的动力性和经济性方面的特点而广受世界关注。

近几年，中国纯电动客车市场发展迅速，国家产业政策也鼓励纯电动客车向产业化方向发展，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。为了提升乘客的乘车体验和乘车舒适性，客车空调已经成为纯电动客车必不可少的重要部件。与此同时，客车空调的能耗情况也直接影响着整车的续航里程。空调的结构布局设计不仅关系着产品的性能，而且与空调设备的能耗直接关联，因此，对客车空调进行结构布局设计，可以满足客车空调轻量化与节能降耗的需要，对提升纯电动客车的续航里程有着非常重要的意义。

2 客车空调的发展历程及工作原理

客车空调的发展经历了由传统空调向纯电动空调的转变，电动压缩机取代了机械压缩机，由机械驱动变更为电力驱动，空调系统的动力源由发动机变为车载动力电池。纯电动客车空调内所有电器部件只靠车载电池来提供电源工作，纯电动客车空调的使用消耗了大量的动力电池电量，由于动力电池的容量有限，空调系统的能耗对纯电动客车充电一次后的续航里程有很大的影响。因此，研究在限定的外形尺寸下，将空调结构布局做到最优设计，可使空调运营更加高效节能。

与传统空调一样，纯电动客车空调也由压缩机、膨胀阀、冷凝器、蒸发器、冷凝风机、蒸发风机等主要部件组成。空调系统工作时，制冷剂经由压缩、冷凝、膨胀、蒸发4个过程循环进行，通过蒸发器的热交换，降低蒸发器周围空气的温度，实现降温功能，系统工作原理如图1所示。

图1 纯电动客车空调系统原理图

3 客车空调优化结构布局的意义及措施

空调作为整车一个非常重要的部件，其能效高低直接决定了客车的续航里程。目前运营公司在采购客车时，将空调的能效比作为一个重要参数写入招标文件中，希望通过采购更加高效节能的空调来提升经济效益。因此，从源头探索更加合理的空调结构布局和设计更加高效节能的空调，对纯电动客车的推广具有重要意义。

优化空调的结构布局，可以从以下几方面进行。

1）首先考虑外观设计，空调的外观要能与整车搭配得当、契合度高、流线型好，符合国人审美的设计外观能受到购买者青睐。

2）外形尺寸及接口设计满足整车的安装，简便可靠的安装方案可以提升客车厂的生产效率。

3）选取更加合理的空调底壳和顶盖的制作材料，以及选取更加轻量化的材料为整个空调减重。

4）采用CAE仿真分析等技术手段，量化强度等级，保证空调满足整车运营过程中振动冲击强度的前提下，优化结构设计，进一步为空调减重。

4 客车空调常见结构布局形式及优缺点

目前市面上的纯电动客车空调结构布局常见的有经典三腔式结构布局、迎风式三腔结构布局、传统两腔式结构布局和新型两腔式结构布局4种形式，下面分别展开讨论一下4种结构形式的优缺点。

4.1 经典三腔式空调结构布局方案

经典三腔式结构布局是最常见的一种空调布局形式，整个空调布局划分为3个腔体，如图2所示。

图2 经典三腔式空调结构布局图

这种结构布局的优点有两点：第一，空调内部空间富裕，便于各空调部件的安装和维护；第二，各器件在空调高度方向上没有相互重合的布置，与其他形式的结构布局相比，此种结构布局可使空调高度控制在250mm以内，这使空调与整车安装后的契合度更高、更美观。

此种空调结构布局的缺点是：空调的长度往往很长，以12m纯电动客车用24kW空调机组为例（下同），空调长度需要做到3900mm左右。以往的传统燃油车，车顶除空调外无其他部件，此种缺点显得不够明显。纯电动客车和燃料电池车车顶需要布置电池包和燃料电池反应发生装置，空调长度会挤压电池的布置空间，这种缺点就被无限放大。同时，整机长度大带来的另一个问题就是整机的质量较重，一般在370kg左右，这会给整车带来很大的负担。

4.2 迎风式三腔空调结构布局方案

迎风式结构布局方式是三腔结构布局的一种变形。空调布局同样划分为3个腔体，如图3所示。

图3 迎风式三腔空调结构布局图

与经典三腔式空调结构布局方案相比，其最大的区别就是冷凝腔的结构形式不同，因为冷凝风机布置在冷凝器的上方，且冷凝风机在空调宽度方向上一字排开，故而空调的长度可以缩短，空调长度可以缩短至3500mm左右，同时也减小了整机质量，一般在350kg左右。

冷凝腔结构布局的改变同时也给空调带来了两点不利影响：第一，冷凝风机布置在冷凝器上方，在高度方向上重合布置，这会增加空调的高度，整机高度一般能控制在260mm左右；第二，冷凝风从冷凝器下部进风，导致空调在整车的安装具有一定的方向性，冷凝腔布置在整车的车头侧，更有利于冷凝风场的畅通和冷凝器的换热，反向安装或者冷凝腔前部有部件遮挡时空调的能效会降低。

4.3 传统两腔式空调结构布局方案

为了尽可能地缩短空调的长度，最大限度利用有限的空间尺寸，将空调的制冷能力和能效做到最大，两腔式空调结构布局的形式随之出现，传统两腔式空调结构布局如图4所示。

图4 传统两腔式空调结构布局图

与经典三腔式空调结构布局方案相比，此种结构布局取消了原有的压缩机和电控腔，将压缩机布置在冷凝风机的下方，将电控布置在回风腔，利用整车回风对功率器件进行散热。

此种结构布局的优点是在缩短空调长度的同时，保证空调的制冷能力和能效最大的输出。空调长度可以缩短至3400mm左右，整机质量一般在330kg左右。同样也存在两点问题：第一，压缩机布置在冷凝风机的下方，会增加空调的高度，一般整机高度在270mm左右，会降低与整车的适配性；第二，压缩机及系统管路布置在冷凝风机的下方，不利于后期空调的维护保养工作，可操作性比较差。

4.4 新型两腔式空调结构布局方案

为了解决传统两腔式空调结构布局方案存在的问题，近年来又出现了新型两腔式结构布局的空调，其结构布局如图5所示。

图5 新型两腔式空调结构布局图

冷凝腔布置在回风腔的正上方，蒸发腔对称布置在冷凝腔的两侧，压缩机和电控单独一个腔体布置。此种空调结构布局方案目前并无明显的结构缺点，主要优点有以下几个方面。

1）冷凝器和蒸发器平行对称布置，在保证制冷能力和能效的前提下，空调长度可以大幅缩短，空调长度可以做到3200mm左右，整机质量一般在300kg左右，非常适合目前的纯电动客车和燃料电池车，可以解决车顶空间有限的难题。

2）在保证回风面积的前提下，空调高度可以控制在250mm左右，保证整车适配性。

3）压缩机和电控单独设置一个腔体，大大方便后期的市场维保工作。

4）压缩机和电控腔模块化单元设计理念，易拓展系列化空调产品，适配不同长度的客车车型，缩短设计周期。

5）通过试验数据得出，前3种结构布局的24kW的纯电动客车空调COP一般在2.2～2.4之间，而新型两腔式结构布局的24kW空调机组的COP可以达到2.7左右，大幅节省电量消耗，为整车增加续航里程。

另外，还可通过优化空调外壳材质，进一步提升空调性能。如：底壳采用铝合金材质，既可以保证空间的充分利用，又能最大限度地实现空调轻量化设计理念，为整车减负；顶盖采用玻璃钢材质，可以根据整车外观设计出圆滑的造型，保证与整车的搭配。

综上，不同的空调结构布局形式各有优缺点，而新型两腔式空调结构布局的方案，空调具有长度短、质量轻、能效高、可维护性好的优点，能更好适应新能源纯电动车辆和燃料电池车辆，可以为整车节省很多的空间和能耗，值得推广应用。

5 结束语

目前新能源纯电动车辆和燃料电池车辆正在蓬勃发展，取代传统燃油车辆的趋势已不可逆转，空调生产企业要积极适应并推动新能源汽车行业的发展。

本文通过对空调结构布局的探讨，希望空调生产企业认识到空调结构布局设计的重要性，同时也希望空调工程师能够积极探索新的结构布局形式，设计出更加高效节能的空调，为车辆运营公司节省成本，提升经济效益，同时改善乘客的乘车体验。