第28卷 第5期 2001年10月
湖 南 大 学 学 报 (自然科学版)
Jo urnal of Huna n U niver sity(N atural Sciences Edition)
Vo1.28,No.5
Oct.2001
文章编号:1000-2472(2001)05-0040-06
曹立波，杨 华，高建远
(湖南大学机械与汽车工程学院，湖南长沙 410082)
摘 要：分析了电动汽车空调系统的特点，介绍了国外电动汽车上采用
的空调系统的成功经验，提出了国内开发电动汽车空调系统的对策.
关键词：电动汽车；热泵；空调
中图分类号:U270.36 文献标识码: A
Design Countermeasure on A ir Conditioning
System of EV
CAO Li-bo,YAN G Hua,GA O Jian-y uan
(Co lleg e of M echanical and A ut omo bile Eng ineering,Hunan U niv,Chang sha 410082,China)
Abstract:The characteristic of the air co nditioning system of EV are analyzed.T he successful experience ado pted abroad is intr octuced.The development countermeasure in our country is pr esented.
Key words:EV;heat bump;air co nditioning
电动汽车的通风、采暖及冷气系统功能要求与普通汽车基本相同.但是，由于它们在驱动能量的来源方面的差异，导致结构实现方面的差异.电动汽车能源是电池，减少能源消耗，成了电动汽车空调系统设计的重要问题.
图1表示了传统内燃机汽车与电动汽车空调系统的比较.传统内燃机汽车空调系统使用发动机辐射热来加热车内空气，使用发动机驱动动力直接驱动压缩机制冷.但是，电动汽车空调系统没有来自发动机的动力源和热源，而是使用电机直接驱动压缩机的热泵式空调系统. 1 电动汽车的典型空调系统
以小型内燃机汽车为例，通常情况下，其空调系统功率为5kW左右，约为整车能量消耗的10%；客车空调系统消耗的能量一般也是整车消耗能量的10%～15%.然而，电动
X收稿日期:2001-05-14
作者简介：曹立波(1960-)，男，湖南长沙人，湖南大学副教授，博士.
智能楼宇可视对讲系统
图1 传统内燃机汽车与电动汽车空调系统的比较
汽车的唯一能源来自于安装在车上的电池，其容量是很有限的.这些电池的电能主要用于驱动汽车.所以，电动汽车空调系统的设计目标就是要用尽量少的能源消耗来为车内实现通风、加热或降温，风挡玻璃除霜.为此，电动汽车设计师们提出了多种解决办法，大致可归纳如下.
1.1 汽车使用过程不消耗电能的空调系统
早期的电动汽车由于电池容量小，严重制约了其续驶里程及市场竞争力.因此，为了使空调系统不消耗电能，许多车型上采用了使用小型燃油装置作为加热装置的方案.这种方案虽然能够较好地满足为汽车提供暖气的要求，但仍然会对环境造成污染.
另一种在汽车使用过程中不消耗电能的方案是在给汽车电池充电的同时为汽车降温或提供暖气.这种方法可以使乘员在开始进入车内时有较舒适的感觉，但时间长了空调效果会迅速下降.这种方法适合于为短距离上下班及购物用而开发的电动车上.
图2 空调座椅热再生
1.2 减少电动汽车空调系统能耗的措施
减少空调系统能耗的一种办法是采用空调座
椅.图2是美国A merigon 公司开发的空调座椅,
德国宝马汽车公司已经在其E1,E2车型上装置
这种空调座椅.
这种空调座椅上装有热电热泵.热电热泵用
于通过从需要调温的“空间”之外的水箱转移热量
到“空间”，或者从“空间”转移热量到水箱来加热
或者冷却“空间”.此时,“空间”是与热电热泵装置
的一边紧密接触的空气层.热电装置是对称的珀
耳贴效应装置，由两类涂有掺杂剂保护层的铋-碲
化物半导体元件(N 型,P 型)组成.元件之间能导
电，并被夹在两个陶瓷衬底之间.电流以之字型的
方式从一边陶瓷衬底上的半导体元件流到另一边
陶瓷衬底上的半导体元件.电子从涂有掺杂剂保护层阳极半导体流到涂有掺杂剂保护层阴极半导体要吸收热，而电子从涂有掺杂剂保护层阴极半导体流到涂有掺杂剂保护层阳极半导体要放出热.如电流方向反向，则热流方向也相反.因此，与陶瓷衬底接触的物体41 第5期 曹立波等：电动汽车空调系统设计对策
将根据在珀耳贴效应中电流的方向而被致冷或者加热.在应用中，被致冷或者被加热的物体是与陶瓷衬底接触的密封空气.然后，被致冷或者加热的空气通过座椅的织物被导出，实现对乘员的温度的调整.
空调座椅的主要功能和优点如下:
¹提高驾驶乐趣和汽车的价值.
º使电动汽车具有独特性，以吸引更多的顾客.
»除去座椅汗液湿气.
¼作为加热、通风、空调系统，增加乘坐舒适性.
½直接调节乘坐者的身体接触部位温度，调温效果好，消耗能量少.
抗石击涂料减少空调系统能耗的另一种办法是采用新型热泵式电动汽车空调系统.据介绍[1],Nippondenso 公司已经开发了一种电动汽车除湿供热系统，该系统由一个分离内部空气循环和外部新鲜空气流的内部装置、能控制热的吸收与辐射的外部装置及一个受控换向的压缩机组成.系统的实验结果证实，在环境温度-10℃～40℃时，它能以低能耗提供舒适的车内空气并保护风挡的良好视野.
2 电动汽车热泵式空调系统的特点
汽车的热负荷如图3所示
.
图3 汽车的热负荷
由图3可知，空调能耗在暖风模式时比制冷模
式时更大.因为在暖风模式时，相对低温的新鲜空气
将被导入以防止风挡玻璃结霜，通风热损失达汽车
热负荷的70%(如图4).但是，在暖风模式下空调能
耗可以通过使车内空气再循环来降低通风热损失.
然而，车内空气再循环在环境温度较低时就可能因
车内湿度大而导致风挡玻璃结霜.
解决上述矛盾的措施是在空调系统中采用双路
空气流动方案.在通风装置中装有隔板，如图5所示
.图4 通风损失的减少 图5 双路流动装置
在暖风模式下，相对低温的新鲜空气被导入通风装置的上部.新鲜空气在通风装置的上部被加热后从风挡玻璃内部表面吹出除霜.内部循环空气则被引入通风装置的下部，在42 湖南大学学报(自然科学版) 2001年
此被加热后向乘客脚部吹出.这样，既可以满足除霜的要求，又可以减少通风过程中的热损失.这种通风方式减少了暖风模式下所须热负荷的一半，进而减少了空调能耗.
双路流动装置构成与工作原理如图6所示，它可以在制冷、供暖和除霜/除湿模式下工作
.
图6 系统的结构与原理
双路流动装置的特点为在其内部有两个热交换器.一般的家庭空调是使用单一的热交换器，在制冷时用作蒸发器，在加热时用作冷凝器.但这种结构不能用于汽车空调.因为在从制冷模式转到加热模式时，冷凝在热交换器中的水将立即蒸发而雾化在风挡玻璃上.因此，在双路流动装置中，冷凝器与蒸发器分别安装以获得安全驾驶.
另外，在除霜/除湿模式时，被蒸发器冷却与除湿后的空气将被冷凝器重新加热.这时，采用前面提到的双路空气流动方式，即使在风挡玻璃通常会形成雾气的高湿范围内，也能同时加热空气与除霜.
这种双路流动装置的另一特点是采用电子膨胀阀.它在加热与制冷模式中进行节流并在除霜/除湿模式下控制出口空气温度.膨胀阀由受外部信号控制的步进电机驱动，对阀门开度进行微调，进而对制冷剂流量进行线性控制
.
图7 除霜/除湿模式
如图7所示，在除霜/除湿模式下，制
冷剂将通过全部三个热交换器，循环为压
缩机——内部冷凝器——外部热交换器
——内部蒸发器——压缩机.被内部蒸发
器冷却除湿后的空气达到风挡玻璃除霜要
求的程度后，在流进车内之前再被内部冷
3d打印玻纤凝器重新加热.内部蒸发器的制冷/除湿能
力可以通过改变压缩机转速来控制，而内
部冷凝器的重新加热能力完全依靠循环过金属防护罩
程的热平衡.这个系统通过外部热交换器控制热的吸收与辐射来控制进入车内出风口的空气温度.
如图8除霜模式A 所示，如果用2号电子膨胀阀进行调节，而1号电子膨胀阀全开，处于高压下的外部热交换器将作为散热的冷凝器，这会导致内部冷凝器散热量减少，使进入车内的出风口空气温度降低.相反，如果用1号电子膨胀阀进行调节，而2号电子膨胀43 第5期 曹立波等：电动汽车空调系统设计对策
阀全开，处于低压下的外部热交换器将作蒸发器吸收热量，如图8除霜B 所示，导致内部冷凝器散热量增加，使进入车内的出风口空气温度上升.使用除霜A 和B 原理，在保持除湿能力相同时，可以改变出风口空气温度
.
柴油抗磨剂图8 除霜模式下出风口温度控制
如果1号和2号电子膨胀阀同时用于调节，外部热交换器将处于中间压力状态，如图8除霜C 所示.系统通过改变1号和2号电子膨胀阀来控制外部热交换器热量的吸收与辐射，从而使出风口空气温度处于除霜A 和除霜B 温度之间.通过这种方式，系统能在对空气除湿的同时控制出风口空气温度处于任何水平.
该系统的实验结果示于表1.由表1可知，当环境温度为-10℃～40℃时，稳态情况下，系统制冷与加热空气的能耗最大为1kW .
表1 系统实验结果实验条件实验结果容量/kW 能源消耗/kW 制 冷
环境温度40℃，车内温度27℃,50%RH 2.9 1.0暖 风环境温度-10℃，车内温度25℃ 2.3 1.0
3 典型电动车的空调系统简介
由通用汽车公司开发的EVI 电动车采用了哈里森热泵式空调.哈里森热泵式空调运用先进技术可使乘客进入车厢之前就预先调节好车内的温度.然而，该空调的暖风效果由于不能借用发动机的热量而欠佳.
本田EV 电动车也采用了热泵式冷/暖自动恒温空间系统，内置了一个反换流器控制压缩泵.此外，在特别寒冷的地区使用时，顾客可以选装一个内燃机式暖气系统.
其它电动车上也普遍采用了电机驱动热泵式汽车空调系统，部分车型提供可选装的燃油加热器.44 湖南大学学报(自然科学版) 2001年
