| 前言 傳統(tǒng)的燃油汽車由于消耗大量的石油，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，在日益注重環(huán)保的今天，電動(dòng)汽車由于具有無任何排泄物、不污染環(huán)境、噪聲低及不消耗石油資源等特點(diǎn),受到了全世界廣泛的關(guān)注。尤其是奧運(yùn)會(huì)和世博會(huì)即將在我國(guó)舉辦，我國(guó)也投入了大量的人力、物力進(jìn)行電動(dòng)汽車的開發(fā)和研制,取得了大量的成果，并且成功開發(fā)出了性能良好樣車。為了給電動(dòng)汽車創(chuàng)造一個(gè)舒適的駕駛和乘坐環(huán)境，在開發(fā)和研制電動(dòng)汽車同時(shí),必然也要對(duì)其配套的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)與研制。 電動(dòng)車和傳統(tǒng)汽車的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力不同，使得它們的空調(diào)系統(tǒng)也有很大的區(qū)別：電動(dòng)車沒有用來采暖的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱，不能提供作為汽車空調(diào)冬天采暖用的熱源， 電動(dòng)車的空調(diào)系統(tǒng)必須自身具有供暖的功能，即要求我們采用熱泵型空調(diào)系統(tǒng)。同時(shí)，壓縮機(jī)也只能采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)上與現(xiàn)有的壓縮機(jī)型式不完全相同。 由于用來給熱泵空調(diào)系統(tǒng)提供動(dòng)力的電池主要是用來驅(qū)動(dòng)汽車的，空調(diào)系統(tǒng)能量的消耗對(duì)汽車每充一次電的行程的影響很大。如果電動(dòng)汽車仍采用現(xiàn)有能效比較低的空調(diào)系統(tǒng)，將要求耗費(fèi)10%以上的電功率，這就意味著不是增加電池的制造成本就是降低電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)性能指標(biāo)。在開發(fā)電動(dòng)車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的時(shí)候，必須**考慮這些特點(diǎn)。電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)及其控制方法 1 電動(dòng)車熱泵空調(diào)系統(tǒng) 由于電動(dòng)車的空調(diào)系統(tǒng)必須采用熱泵型空調(diào)系統(tǒng)，使得它的設(shè)計(jì)必須區(qū)別于傳統(tǒng)的燃油型汽車空調(diào)系統(tǒng)。而又是應(yīng)用于汽車這一特殊場(chǎng)合，所以也不能簡(jiǎn)單的照搬普通的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。陳觀生,史保新等為電動(dòng)車設(shè)計(jì)了一套由永磁直流無刷電機(jī)帶動(dòng)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)[6,8]，該系統(tǒng)與普通的熱泵空調(diào)系統(tǒng)并無區(qū)別，在風(fēng)道中僅用一個(gè)換熱器：在制冷模式下為蒸發(fā)器，制熱模式下為冷凝器。采用這種結(jié)構(gòu)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，不僅需要開發(fā)允許雙向流動(dòng)的膨脹閥，并且在熱泵工況下，系統(tǒng)融霜時(shí)，風(fēng)道內(nèi)換熱器上的冷凝水將迅速蒸發(fā)，在擋風(fēng)玻璃上結(jié)霜，不利與**駕駛的需要。因此有必要在熱泵系統(tǒng)的風(fēng)道中采用能設(shè)有內(nèi)部冷凝器和蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行圖如圖1所示。
圖1 電動(dòng)車熱泵空調(diào)系統(tǒng)及運(yùn)行示意圖
目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)汽車空調(diào)系統(tǒng)采用的是由發(fā)動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)的斜盤式、搖擺式等型式的壓縮機(jī)，其制冷系數(shù)（COP）在1.3-1.6左右，空調(diào)系統(tǒng)的耗功會(huì)消耗很大一部分的電功率。為了提高電動(dòng)車空調(diào)系統(tǒng)的能效比，我們必須采用新型高效的壓縮機(jī)。壓縮機(jī)采用的是專門為本項(xiàng)目開發(fā)的全封閉電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)，它直接由電池提供的直流電源驅(qū)動(dòng)，性能參數(shù)如下表所示。它可以根據(jù)車室內(nèi)溫度和環(huán)境溫度等傳感器測(cè)得的溫度，采用適當(dāng)?shù)目刂扑惴ǎㄟ^變頻器來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變系統(tǒng)的制熱/冷量，滿足車室內(nèi)舒適性的要求。
圖2 全封閉電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)
根據(jù)電動(dòng)車的熱負(fù)荷及它的結(jié)構(gòu)尺寸，選用的部件及主要參數(shù)如下表所示： 部件 規(guī)格 電動(dòng)渦旋壓縮機(jī) 壓縮機(jī)型號(hào) SEE36 壓縮機(jī)排量 36cm3/轉(zhuǎn) *大允許轉(zhuǎn)速 6000r/min 渦旋盤壁厚 4.54mm 節(jié)距 20.16mm 渦旋盤高度 14mm 重量 9kg 內(nèi)部冷凝器 型式，尺寸 平行流：117×180×18×2 內(nèi)部蒸發(fā)器 型式，尺寸 層疊式：221×238×70 外部冷凝器 型式，尺寸 平行流：625×360×18 制冷劑 類型 HFC134a 通過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度在-7℃到40℃的范圍內(nèi)，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下，可以以較小的能耗滿足電動(dòng)車舒適性的要求。 測(cè)試條件 測(cè)試結(jié)果 容量 能耗 制冷 環(huán)境溫度40℃，車室干球溫度27℃，濕球溫度20℃ 4.12Kw 1.77Kw 制熱 環(huán)境溫度-7℃，車室溫度20℃ 2.43Kw 1.15Kw 2 電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)及其控制方法 由于熱泵空調(diào)系統(tǒng)的耗功對(duì)于電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)性能有很大的影響，為了使空調(diào)系統(tǒng)在各種工況下都能保持高效率，必須采用有效的控制策略。在傳統(tǒng)燃油汽車的自動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)中，是通過控制混合風(fēng)門的開度來調(diào)節(jié)出風(fēng)溫度以及控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量，以使車室內(nèi)溫度保持在設(shè)定值。而對(duì)于電動(dòng)車熱泵空調(diào)系統(tǒng)而言，沒有熱水芯來調(diào)節(jié)出風(fēng)溫度，但是壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過變頻器來控制。因此它的控制方法也就不同于傳統(tǒng)燃油汽車的空調(diào)系統(tǒng)。 在電動(dòng)車熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速是制冷量的主要控制量，對(duì)于壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速采用的控制方法歸納如下： 1．當(dāng)車室溫度高于設(shè)定溫度1ºC時(shí)，為了盡快使溫度達(dá)到設(shè)定值，壓縮機(jī)以*大轉(zhuǎn)速運(yùn)行； 2．若車室溫度低于設(shè)定溫度1ºC，壓縮機(jī)以*低轉(zhuǎn)速運(yùn)行； 3．當(dāng)室溫偏差在-1—1ºC之間時(shí)，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速通過模糊控制算法來控制，以每一采樣時(shí)刻室溫與設(shè)定值的溫差及溫差的變化率為輸入量，通過模糊推理得出壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速值。 同時(shí)蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不僅影響制冷系統(tǒng)，而且對(duì)車室溫度有較大的影響。如果只將蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)以*大風(fēng)量運(yùn)行，不僅噪音比較大，也不利于滿足車室的舒適性要求。尤其對(duì)于電動(dòng)車空調(diào)系統(tǒng)，沒有熱水芯調(diào)節(jié)出風(fēng)溫度，車室內(nèi)的體積比較狹小，如果車室溫度只通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制，車室內(nèi)溫度會(huì)比較容易波動(dòng)，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此我們應(yīng)當(dāng)只在車室負(fù)荷比較大的情況下才讓風(fēng)機(jī)以*大風(fēng)量運(yùn)行，而在其他情況應(yīng)該采取合適的控制策略，以保證車室內(nèi)的溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度。 蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與車室內(nèi)溫度，設(shè)定溫度，環(huán)境溫度，太陽輻射強(qiáng)度，蒸發(fā)器出風(fēng)溫度之間的關(guān)系是非線形的，使用公式  計(jì)算所需的風(fēng)量的指數(shù)，式中 ， ， ， ， 分別為環(huán)境溫度，設(shè)定溫度，車室內(nèi)溫度，蒸發(fā)器出風(fēng)溫度和太陽輻射強(qiáng)度，m，n，a，K為常數(shù)，然后通過查表的方法來控制蒸發(fā)器的風(fēng)量。
利用上述的控制方法，對(duì)電動(dòng)車熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的初始條件為環(huán)境溫度和車室溫度均為39ºC，設(shè)定溫度25ºC，太陽輻射強(qiáng)度為1kw/m2，運(yùn)行100分鐘，在60分鐘時(shí)設(shè)定溫度由25ºC變?yōu)?2ºC。
通過以上兩圖可以看出，在初始打冷階段，壓縮機(jī)和蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)以*大轉(zhuǎn)速運(yùn)行，能使車室溫度迅速降到設(shè)定溫度。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，有少許超調(diào)量，控溫精度較高，靜態(tài)誤差不超過0.22ºC。當(dāng)壓縮機(jī)從*大轉(zhuǎn)速100rps降到55rps左右時(shí)，通過控制蒸發(fā)器的風(fēng)量，車室內(nèi)溫度可以平穩(wěn)的降到設(shè)定溫度附近，使得此時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的超調(diào)量較小。當(dāng)設(shè)定溫度由25ºC變?yōu)?2ºC時(shí)，也能使車室溫度迅速降到設(shè)定溫度，并能使車室溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度。 3 結(jié)論 本文根據(jù)電動(dòng)車的實(shí)際特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套不同于家用熱泵的空調(diào)系統(tǒng)，通過在風(fēng)道中增設(shè)一個(gè)內(nèi)部冷凝器，不僅不需要開發(fā)允許雙向流動(dòng)的膨脹閥，而且解決了從融霜模式到制熱模式時(shí)，車窗迅速結(jié)霜的問題。由于電動(dòng)車熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，本文還對(duì)其控制方法進(jìn)行了研究。采用本文設(shè)計(jì)的算法，控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能使車室內(nèi)的溫度保持在設(shè)定值，滿足車室內(nèi)舒適性的要求 | 