新能源汽车空调系统的设计

．新能源技术．　

电动汽车用热泵空调系统的设计与研究　

徐　磊　，２林用满１　宋文吉１　冯自平　

（１．中国科学院广州能源研究所；２．中国科学院大学）　★　

【摘要】采用封闭式涡旋压缩机搭建了一套热泵型电动汽车空调系统，利用低压直流调速控制器对压缩机进行　变频控制　分别在制冷及热泵运行工况下，研究压缩机转速对空调系统运行性能的影响，分析压缩机输入功率、系统　制冷ＩＳＥＪ热量、ＣＯＰ随转速的变化趋势。研究结果表明，本文的热泵空调系统能取得较好的制冷、制热效果，且系统制　冷性能随压缩机转速升高而增强。　主题词：电动汽车空调涡旋压缩机热泵　

中图分类号：Ｕ４６３．８５＋ｌ　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—３７０３（２０１３）１　１－００５５—０４　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｈｅａｔ　Ｐｕｍｐ　ＡＣ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　

Ｘｕ　Ｌｅｉ　一，Ｌｉｎ　Ｙｏｎｇｍａｎ　，Ｓｏｎｇ　Ｗｅｎｊｉ‘，Ｆｅｎｇ　Ｚｉｐｉｎｇ’　（１．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＥｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ；２．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＣｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｔｙｐｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｎｃｌｏｓｅｄ　ｖｏａｅｘ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ　ｌｏｗ　ｖｏｌｔａｇｅ　ＤＣ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ＇ｓ￣ｅｑｕｅｎｅｙ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ＇ｓ　ｓｐｅｅｄ　ｏｎ　ＡＣ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｉｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ＇ｓ　ｐｏｗｅｒ　ｉｎｐｕｔ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ＇ｓ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ／ｈｅａｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ，ｔｈｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｆＣＯＰ）ｖａｒｉｅｄ　ｗｉｔｈ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ＇ｓ　ｓｐｅｅｄ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｔｕｄｉｅｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ＡＣ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｇｅｔ　ｂｅｔｔｅｒ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｓｐｅｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ，Ａｉｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，Ｖｏｒｔｅｘ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，Ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　

新能源汽车空调控制系统

摘要：传统燃油汽车空调结构主要有:压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、储液罐、控制系统和送风及其管路系统组成。空调压缩机主要动力来源于发动机，空调主要能耗是压缩机和冷凝器。大家熟知传统汽车空调工作原理，这里不再介绍，这类空调共同特点是由发动机直接提供动力，消耗发动功率约为20%，且效率转化值不足40%。如何降低能耗，提高效率一直是空调领域关注的焦点。新能源汽车空调在结构上大体与传统汽车近似，电动汽车空调制冷系统主要由:电动压缩机、电动压缩机控制器、冷凝器、管路系统(液体管、压缩机排气管、压缩机吸气管)、室内温度传感器、室外温度传感器、阳光传感器、空调主机(蒸发器、加热器、温度风门执行器、模式风门执行器、内外循环风门、鼓风器、蒸发器温度传感器)、膨胀阀、空调控制器等零部件构成。但是电动汽车空调系统不但要满足汽车制冷需要，还要制热。目前电动汽车空调制热主要采用PTC加热和电热管加热的两种模式，由于系能源电动汽车动力取自电动机，能量来源与动力电池，所以多数国内车企在使用电动压缩机直接利用蓄电池供电带动其工作，虽然电动压缩机比就流行使用无刷永磁直流电动机，电子控制单元等是其结构简单，体积小、制冷效率高，但是仍然影响电动汽车的续航里程，而且制热的效率也不高。鉴于目前新能源汽车空调现状，其明显的缺陷制约着我国新能源电动汽车的普及。特别是北方地区，冬季车内制热可损失大约50%的续航里程。如果我国要在全国范围内推广新能源电动汽车一些关键技术还亟需解决。

关键词：空调;新能源;汽车;控制

一：新能源汽车空调系统发展趋势

未来新能源汽车空调系统的发展趋势还是集中在高效控制，节能环保上来。在空调控制方面上，传统汽车空调目前采用ECU电控系统加“变排量控制”。在效率上有所提升。新能源电动汽车采用电动压缩机，在电控领域我们可以借鉴家用空调的控制模式采用“变频控制”，目前各空调厂家已经研究交流变频电动压缩机，而且变频空调在技术上比较成熟，主攻方向是车内的应用。另一项技术应用也可以借鉴家用空调，就是热泵技术。由于空调制冷时会有大量热能损失，如果能有效利用热交换，不但能提高效率还能降低续航里程压力。

新能源汽车空调系统技术初探

摘要：随着新能源汽车产业深入推进，不仅推动了空调系统技术发展步伐，并且使用效益更加显著。新能源汽车应用的空调系统主要包括余热利用空调与热泵式空调系统两种，无论是在压缩机类型上，还是在制冷制热系统形式上，以及蒸发器、冷凝器等方面，都存在较大差异。但对空调系统安全性、可靠性等方面的追求都是不变的，以确保驾驶室舒适度与稳定性。

关键词：新能源汽车；空调系统；热泵

新能源汽车项目起步晚，且发展处于摸索实践阶段，整车结构及系统仍有较大的完善空间。尤其是空调技术发展仍面临着电池造价高、设计工艺水平低、电池过热，以及内部零件碰撞等问题，尤其是在高速行驶中，以此对空调装置结构与系统性能提出了更高的要求。空调系统技术的发展势必会带动项目产业化发展，但目前首要的是攻克电池瓶颈，加大燃料电池，以及电动压缩机研发力度，利用新型环保制冷，能够进一步推动汽车工业改革。

1新能源车空调系统分析

1.1燃料电池余热利用空调系统

燃料电池发电装置能够将化学能有效转换为电能，借助燃料与氧化剂实现，转化效率高，其余转化为废热与温水、蒸汽。燃料电池属于动力源，利用能源效率比常规内燃机高，但燃料电池出现过热后，其性能、工作效率直接降低。对此，利用余热为车辆供暖，其经济性、能量利用率明显优化。综合考虑能源供应与性价比、生态环保等因素，

研究结果表明氢是首选燃料。电解质种类多样，可分为熔融碳酸盐类，以及固体氧化物类等，其中质子交换膜燃料电池，工作电流相对较大，能量效率高，且可在数秒时间内完成冷启动，排出近80℃的废热，多以吸收式制冷空调系统为主，热泵启动热源，以燃料电池冷却液为主。对此，吸收式热泵发动机输出功率消耗低，熔液泵需消耗部分电能。同时吸收式热泵，其总需求电能相比压缩式热泵高。为满足城市公交与大巴空调制冷需求，加强了对吸收式制冷系统的创新，制冷剂以乙二醇和水为主，吸收剂以溴化锂为主，吸收式制冷系统热动力驱动，主要通过热管理系统主管热器，与制冷系统发生器的热交换实现。主换热器上设置旁通支路，并连接变频水泵，当燃料电池热量过高，且由空调制冷需求时，热量能从旁通支路给予，确保燃料电池始终保持适宜温度工况。同时电池辅助器与吸收器等电池热管理系统器件的冷却系统相同，车外风冷式换热器与冷却系统相通。燃料电池供暖系统的工作过程如下，截止阀打开后，使电池发动机处于工作状态，控制电池散热器，通过中间换热器，实现冷却液从发动机出口处流至进口处，由换热器热能沿着供暖管路持续向车内提供热风。

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ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2021.3设计应用esign & ApplicationD一种电动汽车空调系统PTC加热器控制器设计

Design of PTC heater controller for air conditioning system of electric vehicle

王晓辉 （奇瑞新能源汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241000）

摘 要：根据电动汽车空调系统PTC加热器特性设计控制器，采用PWM方式控制功率开关器件通断实现PTC

加热器功率的线性调节。控制电路在高压侧，选用反激电源为辅助电源，通讯电路选用隔离CAN电路。具备

下电保持功能进行故障处理，过压、欠压和过流都具有硬件和软件双重保护功能。功率电路均分为两路，提高

了功率器件的可靠性和减小瞬态冲击电流。通过整车搭载验证，在空调系统实现同等制热效果的条件下具备明

显的节能效果。

关键词：电动汽车、空调系统、PTC加热器、控制器

0 引言

发展电动汽车是国家应对国际环境和能源危机的重

要决策，我国大力发展电动汽车并取得显著技术成果，

欧美各国从国家高度到企业层面，也已迅速调整发展战

略，将汽车电动化作为未来的发展方向。

传统燃油车空调系统利用发动机热量制热，电动汽

车电驱系统效率可以高达90%以上，损耗产生的热量

远不足以供给空调系统制热，所以电动汽车空调系统制

热使用PTC（正温度系数）加热器产生热量。目前比较

普遍的方案是使用继电器控制PTC加热器电源通断，

通过风门开度控制冷热风的风量来控制温度，此类方案

能源浪费较大。

采用PWM（脉宽调制）方式控制功率开关器件通

断PTC加热器电源，实现PTC加热器输出功率的线性

控制。本设计中PTC加热器峰值功率5.2 kW，输入电

压范围260~410 V。考虑开关器件的散热需求，将功率

电路均分为两路2.6 kW。考虑设计裕量，单路最大电

流按10 A设计，同时也有助于减小开关器件开通瞬间