【技术】新能源汽车空调系统的设计

【技术】新能源汽车空调系统的设计

传统汽车正朝着新能源汽车快速转型发展,空调作为驾乘舒适性功能的基本要求,也势必会随着新能源汽车发展而发展,从空调技术的发展和工作效率来说,热泵型空调系统良好的工作性能将成为重要的发展趋势。本文主要从热泵型空调系统技术、系统零部件设计选型、试验验证、发展趋势等方面进行总结和介绍。

【技术】新能源汽车空调系统的设计

1、热泵式汽车空调系统技术

(1)汽车空调系统是指在空调正常运转过程中采用电动压缩机来驱动,能源供应方式是独立的,利用汽车所配备的电池为压缩机和系统驱动电机提供电力支持,保证汽车空调系统正常工作。热泵式空调系统技术主要是通过对热泵技术进行应用,实现对汽车内部的制热供暖,理论上能够达到3倍以上的制热能效比,切合新能源汽车的发展趋势,并且热泵式空调系统的驱动方式是电动压缩机,具有独立的能源提供方式。

(2)热泵型汽车空调系统相对于传统空调结构形式复杂,如图1所示,热泵型空调在传统空调的基础上增加了电子膨胀阀、电磁阀、室内冷凝器、气液分离器等部件,系统布局更加复杂,夏季制冷时电磁阀1开2关,冬季制热时电磁阀1关2开。

【技术】新能源汽车空调系统的设计

【技术】新能源汽车空调系统的设计

图1 热泵型空调系统和传统空调系统对比

(3)热泵型空调系统冬季室外换热器结霜,化霜成为不得不考虑的问题,目前常用的方式有四种:逆循环化霜,短时间运行夏季制冷模式;热气旁通化霜,通过旁通将压缩机排气引导室外换热器;电加热化霜,在室外换热器上布置加热丝;蓄能化霜,在热气旁通基础上增加蓄热器;各类化霜系统各有优缺点鲜明,就目前来说,逆循环化霜的方式在新能源汽车中较为广泛。

2、系统零部件设计选型

(1)空调系统热力计算,制冷工况的设计依据GB/T2136-2008《汽车用空调器》进行核算,分析系统性能,如:压缩机功耗、系统COP等。

(2)参考热泵型汽车空调系统实际运行过程的复杂性和工况的多样性,选取热泵型汽车空调系统的压缩机采用涡旋式压缩机。冷凝器的选型,换热器作为工质与外界进行换热的主要部件,其结构对热泵型空调系统性能有直接影响,现在主要采用平行流换热器,其较管翅式换热器结构复杂,结构紧凑,单位体积换热量大,方便车上布置。

(3)根据系统热力核算结果和结构设计,结合新能源汽车上热换器安装尺寸的要求,进而实施对热换器的定型设计。

(4)根据热泵型新能源汽车空调系统的特殊性,进行其相关联零部件的设计选型,如:具有双向性能的储液器、气液分离器、热气旁通阀、四通阀、截止阀等关键零部件的设计选型和系统匹配。

3、试验验证

(1)搭建的样机系统在标准工况(制冷工况)下通过“平台法”进行系统制冷剂加注量标定(2)系统性能试验中,在制冷和制热工况下,系统的各项性能参数要求是否达到前期设计时的要求。

(3)针对热泵型汽车空调在冬季低温、高湿度的环境条件下,测试系统中室外换热器结霜时系统的一些关键参数变化趋势及换热器表面结霜情况。

(4)在除霜工况下,根据室外换热器出口温度判断结霜化霜情况,及时转换工作模式,保证系统正常工作。

(5)当环境温度过低时,热泵型空调换热效率明显降低,此时需要开启PTC进行辅助加热,此外PTC还要能在车辆启动初期保证快速升温。

4、热泵式汽车空调系统技术发展趋势

(1)热泵型汽车空调系统技术虽然取得了阶段性成果,但仍然存在着很多的不足,主要有以下方面需进一步研究:

①电子膨胀阀的应用技术不够成熟,各空调厂商缺少应用经验;

②根据车辆电池的需求,热泵型空调系统需要增加Chiller,用以对电池进行降温,其系统开发难度更大;

③结霜、化霜均会影响系统性能及乘客感受,尚未有效避免方案;

④强化热泵型汽车空调的匹配问题以及系统控制策略的研究等。

(2)伴随新能源车的兴起,热管理系统的概念被提出并快速发展,成为整车安全性和舒适性的重要组成。热管理系统的核心就是具有制热制冷功能空调系统,并在其基础上新增了Chiller、电池冷却板、水冷中冷器、高压PTC、电子水泵和各种阀门,随着部件的增多对热泵型空调系统的设计提出了严重考验,如何解决这些问题,开发出一套成熟的热管理系统成为当前的重中之重。

5、总结

热泵型汽车空调系统是最有前途的新能源汽车空调技术,它的前身是具有制冷功能的传统空调,未来将发展成为整车必不可少的热管理系统。随着人们对新能源汽车需求品味和空调系统性能要求的提升,促使新能源汽车的空调系统技术发生质的提升,结合现代新能源汽车技术的整体发展,不断提高能源使用效率。

版权声明:本文参考《新能源汽车空调系统的设计》,作者:徐文清,由制冷空调换热器技术联盟编辑整理,转载请注明来源。
2021-05-08 原文

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