集成电池冷却功能的纯电动客车空调结构设计探讨

辛 伟，管庆禹，赵金刚

（山东朗进科技股份有限公司，山东 济南 266400）

1 前言

客车空调自诞生以来，始终为提升居民乘车舒适性发挥着重要作用，已经逐渐成为整车不可缺少的一个重要部件。近年来，国内各大客车厂，纷纷响应国家政策号召，积极布局新能源客车的研发制造，如今纯电动客车和燃料电池客车已经推广普及，取代燃油燃气客车的趋势已经不可逆转，这也给客车空调制造企业提出了更高的要求，单纯的空调制冷功能已经无法满足乘客、客车厂、运营公司的需要，空调制造企业需要站在市场需求的角度，更多的考虑空调集成热泵功能，应用变频节能技术，集成电池冷却功能。

本文介绍一种集成电池冷却功能的纯电动客车空调的结构设计方案，主要从功能兼容性设计、机械接口设计、外观设计、结构细节设计4大方面详细介绍空调结构设计的思路和方法，希望能够提升空调产品的功能集成性、接口兼容性、可靠性、可维修性等性能。

2 功能集成性设计

无论是纯电动客车还是燃料电池客车，电池在正常的充放电过程中，都会产生热量，导致电池温度升高，需要对电池进行降温处理，使电池始终工作在合理安全的温度区间内，提升电池的性能和使用寿命。

目前给电池降温普遍有两种方案，独立的电池水冷机组和顶置客车空调集成电池冷却功能，后者因为可以降低整车的质量、节省整车安装空间、采购成本低、安装对接方便等优点，得到客户青睐，市场推广迅速。

空调制造企业在新产品研发时，完全可以将顶置客车空调机组设计成集成电池冷却功能的一体式空调机组，空调内部合理布置电池冷却水路系统的水箱、水泵、板式换热器及冷却液管路等部件，并设计合理的部件安装固定方式，预留水箱加液口等。根据不同客户的具体要求，在标准配置基础上做选配处理即可快速响应客户需求。

图1是一种集成电池冷却功能的一体式客车空调机组示意图。

图1 集成电池冷却一体式空调机组示意图

3 机械接口兼容性设计

要保证空调机组的正确顺利安装，空调机组机械接口的设计非常重要。客车空调与整车的机械接口主要包括4个方面，即客车空调的安装固定、空调机组送风口及回风口的安装密封、电池冷却水路系统进出水管的安装对接、空调机组高压线束和低压线束的连接。

其中，空调机组的安装固定和风口密封对接，客车厂需根据空调的接口调整整车的安装接口，空调可根据部件布局进行自主设计。不同客车厂同一长度的车型，整车电池的布置位置，整车多合一控制器的安装位置不同，空调机组与整车端水路进出水管和高低压线束的对接位置会有差别。这两项接口的位置均布置在整车的两侧风道中，空调机组的送风口下方。为减少客车厂的频繁改动，将空调机组的水冷系统进出水管接口和高低压线束的接口位置设计成两侧送风口对称布置，根据具体的项目要求，选择相应的进出水管和高低压线束对接位置即可。这样可以减少客车厂的设计改动，提高订单项目的执行效率。

图2是一种进出水管和高低压线束接口两侧可选的客车空调机组机械接口示意图。

图2 空调机械接口示意图

4 空调壳体材料选择

客车空调壳体材料的选择，对空调机组的外观造型和空调机组的结构性能都起着至关重要的作用。

玻璃钢材料质量轻、强度高，具有较好的耐候性和耐腐蚀性，非常适合户外环境的应用，而且可以做出过渡平滑的流线型造型，非常适合空调机组的顶盖。玻璃钢材质顶盖可进行二次加工制作，根据不同车顶弧度的图纸匹配预装效果，灵活裁切空调顶盖两侧边的高度尺寸，使空调安装完成后，与车顶的缝隙均匀一致，保证整车的外观更加匀称美观。玻璃钢顶盖的可视外表面为模具加工面，表面品质高，可根据具体车型的颜色要求，与整车一起喷涂。

铝合金材料是一种质量轻、强度高、价格低廉的合金材料，可制造性可加工性强、批量化生产效率高，非常适用于空调机组底壳，与玻璃钢材质的加工工艺相比，铝合金材质加工的底壳主要有3大优点。

1）空间利用率更高，不会存在因为增加强度而设计的空腔造型，不会存在因玻璃钢脱模需要增加的脱模角度、工艺圆角等，可以最大程度地利用空间，增加空调部件安装的可操作性。

2）加工精度高，玻璃钢产品的模具会存在一定的变形收缩，制作的产品误差大，一致性不强。手糊玻璃钢产品的预埋标准件及开孔，为脱模后人工制作，精度很难保证，这些都给空调机组部件的装配带来很多不便，影响空调整机装配线的生产效率。而铝合金材质的壳体，采用激光切割下料、数控折弯、焊接铆接成型等工艺加工制作而成，标准化程度高、产品尺寸精度准确、一致性好，适合大批量的流水线作业。

3）结构强度高，铝合金材质的底壳可以设计成框架式结构，在空调设计阶段，对空调底壳三维模型进行结构强度的有限元仿真分析，根据仿真结果，有针对性地进行相应的结构补强和优化设计，保证空调底壳在满足结构强度的前提下，做到质量最轻，为整车减负，增加电池的续航里程。

5 结构细节设计

当然，空调设计除了要从宏观层面把控空调的功能性集成设计、接口兼容性设计、外观造型美观、结构强度可靠等，还要注重空调内部结构设计的细节，只有细化结构设计，才能保证空调功能的正常实现，保证空调使用的可靠性。下面分别从空调风场、空调密封、空调排水3个方面分别介绍空调结构设计方案。

5.1 风场设计

客车空调的风场设计主要包括两方面，蒸发风场和冷凝风场。

从外界进入空调机组的新风和从客车内的回风混合后，通过蒸发器降温，进入送风腔，并由蒸发风机送入客车风道内，形成蒸发风场的循环。新风口和回风口的进风面积需要根据理论风量进行计算确定，不能随意开设，导致出现风量不足或者风速过大引起噪音过大的问题。新风口建议左右两侧各设置一个，这样可以保证一处新风阀故障的情况下，另一个正常工作，能够为客车内提供新风供应，使乘客不会感觉到呼吸发闷。空调两侧送风口的中心距尺寸，要能满足落入客车的风道内，送风口中心距设计过小，会出现挡风和窝风的问题，严重的会导致空调无法与整车匹配安装。另外，空调机组两侧送风口及回风口的周边，需在底壳内部设计加强筋，以保证空调风口安装密封时有足够的支撑强度，不会因为底板强度不足引起底板变形，进而引起空调机组风口密封不良、漏风、漏水的问题。

外界空气从空调机组冷凝风进风口进入，通过冷凝器换热后重新返回外界空气当中，形成冷凝风场的循环。冷凝风场设计的重点是要保证足够的冷凝风进风面积。在限定的空调机组外形尺寸和高度情况下，建议将冷凝器设计成截面为平行四边形的结构，冷凝风进风腔设计成与冷凝器斜边近乎平行的结构，以保证冷凝器底部有足够的进风，减小风场阻力，保证换热效率。除此以外，在冷凝器的两个端部及四周也设计端部进风口，尽可能地加大进风面积。蒸发风场的流向和冷凝风场的流向示意图见图3。

图3 空调风场示意图

5.2 密封设计

客车空调的密封设计主要是蒸发腔的密封设计。蒸发腔密封一是防止漏风影响空调性能，二是防止出现雨天漏水的问题。空调蒸发腔顶盖的密封结构，在空调铝合金壳体蒸发腔四周卡密封胶条，蒸发腔顶盖的内表面粘贴保温棉，利用密封胶条和保温棉的互相压缩，形成闭合的密封圈，保证整个蒸发腔与外界完全隔绝。蒸发器顶部粘贴保温棉，与蒸发腔顶盖内表面保温棉互相压缩形成密封，保证风场不会短路。空调蒸发腔密封结构见图4。

图4 空调蒸发腔密封区域示意图

通过理论计算密封结构所需要的配合尺寸链后，将蒸发腔顶盖的结构设计成铰链、撑杆、螺栓组合使用的固定型式，方便顶盖的打开和固定，提升了后续空调机组车顶维修作业的可操作性。

5.3 排水设计

客车空调的排水设计主要包括冷凝水的排放和雨水的排放两方面。

冷凝水的排放采用集中排水的方式，蒸发器底部设计接水盘，用于冷凝水的存放，接水盘倾斜放置，方便冷凝水的排放。在相对位置较低的接水盘的侧壁沿蒸发器长度方向的两端各设置一处排水孔，焊接排水管，排水管的一侧与接水盘相连接，另一侧在送风口处，保证空调安装在车上后，可以连接PVC钢丝软管，从整车风道中引致车辆后尾部排出车外。钢丝软管的末端需要连接鸭嘴阀，形成水封，防止外界空气沿软管倒吸入接水盘，发生吹水问题。设置两处排水孔的优点在于可以保证车辆在上下坡过程中的正常排水。空调在整车上的冷凝水流向见图5。

图5 空调冷凝水排放示意图

雨水的排放，需要确保外界的雨水不会进入到空调的回风腔和蒸发腔内，除了要做到蒸发腔顶盖的密封之外，还需要保证雨水的及时快速排放，以及在雨水流路中空调底壳的密封设计。整个冷凝腔与回风腔利用一张完整的板折弯而成，实现内外分离。利用车辆在行进过程中的速度与惯性，在冷凝腔的两端设计排水口，实现雨水快速排放到车顶，不容易积水。空调冷凝腔雨水排放见图6。

图6 空调雨水排放示意图

6 结束语

本文从功能集成、机械接口兼容、外壳材料、结构细节4个方面，对空调的结构设计进行了详细的探讨，希望对空调制造企业有所帮助，设计出功能更加齐全、性能更加可靠、标准化程度更高的空调产品，与各大客车厂一起积极推动新能源汽车行业的发展，不断实现空调技术的创新与发展。