八、电动空调系统

1.制冷

典型的电动空调系统结构如图1⁃54所示。

图1⁃54　典型的电动空调系统结构

对于纯电动汽车来说,车上拥有高压直流电源,因此,采用电动热泵型空调系统,压缩机采用电动机直接驱动,成为可行的解决方案。若热泵式空调的压缩机电动机采用变频控制技术,膨胀阀采用电子膨胀阀节流技术,则使控制更精确,并可更节能。

在电动汽车热泵空调系统中,控制制冷量主要通过控制压缩机的转速实现。压缩机转速的控制方法为:当车室温度高于设定温度1℃时,为了尽快使温度达到设定值,压缩机以最大转速运行;若车室温度低于设定温度1℃,压缩机以最低转速运行;当室温偏差在-1~1℃时,压缩机的转速通过模糊控制算法来控制,以每一采样时刻室温与设定值的温差及温差的变化率为输入量,通过模糊推理得出压缩机的转速值。

2.制热

根据电动汽车的特有性质,目前电动汽车空调制热方式有半导体式(热电偶)、电动热泵式、燃油加热式、PTC加热式等,其中燃油加热式制热方式一般用于油电混合动力汽车(此处不再介绍),电动热泵式空调是最有发展前景的。

图1⁃55　半导体制冷片结构

(1)半导体式　又称电子制冷,或者温差电制冷,是从20世纪50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科,与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。半导体制冷器的基本器件是热电偶对,即把一只N型半导体和一只P型半导体连接成热电偶,如图1⁃55所示,通上直流电后,在接口处就会产生温差和热量的转移。在电路上串联起若干对半导体热电偶对,而传热方面是并联的,这样就构成了一个常见的制冷热电堆。借助于热交换器等各种传热手段,使热电堆的热端不断散热并且保持一定的温度,而把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热降温,这就是半导体制冷的原理。

半导体制冷作为特种冷源,在技术应用上具有以下特点:不需要任何制冷剂;可连续工作;没有污染源;没有旋转部件,不会产生回转效应;没有滑动部件,工作时没有振动、噪声,寿命长;安装容易。

半导体制冷片既能制冷又能加热,制冷效率一般不高,但制热效率很高,永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。半导体制冷片是电流换能型片件,通过输入电流的控制,可实现高精度的温度控制,再加上温度检测和控制手段,很容易实现遥控、程控、计算机控制,便于组成自动控制系统。半导体制冷片热惯性非常小,制冷制热时间很快,在热端散热良好、冷端空载的情况下,通电不到1min,制冷片就能达到最大温差。半导体制冷片的反向使用就是温差发电,半导体制冷片一般适用于中低温区发电。半导体制冷片的单个热电偶对的功率很小,但组合成电堆,用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统,功率就可以做得很大,因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。半导体制冷片的温差范围宽,从-130℃到90℃都可以可靠工作。

从空调技术成熟性和能源利用效率比较来看,半导体制冷片技术的电动汽车空调系统,目前制冷性能不够理想,并且热电堆产量受到构成热电元件元素产量限制的问题,不能满足电动汽车空调节能高效的要求。

(2)热泵型　热泵型空调系统是在原有内燃机汽车空调系统上进行改进而来的,压缩机是由永磁直流无刷电动机直接驱动,系统的工作原理图如图1⁃56所示。该系统与普通的热泵空调系统并无本质区别,由于在电动汽车上使用,压缩机等主要部件有其特殊性。而且国外热泵技术具备了一定的基础,该技术最大的优点就是制冷、制热效率高。全封闭电动涡旋压缩机,由一个直流无刷电动机驱动,通过制冷剂回气冷却,具有噪声低、振动小、结构紧凑、质量小等优点。该空调系统在-10~40℃的环境温度下,均能以较高的效率为电动汽车提供舒适的驾乘环境。若能在零部件技术上得到改进,相应效率还可以得到提高。

图1⁃56　热泵型空调系统工作原理图

目前热泵型电动汽车空调最大的瓶颈是低温制热问题,这也是将来该行业研究难题之一。

图1⁃57　PTC加热器

(3)PTC加热式　PTC(热敏电阻)加热器具有恒温发热特性,其原理是PTC加热片通电后自热升温使阻值升高进入跃变区(迅速增高),PTC加热片表面温度将保持恒定值,该温度只与PTC加热片的居里温度(电阻陡峭变形点温度)和外加电压有关,而与环境温度基本无关。

若电动汽车采用PTC加热器的电制热方式,加热器(图1⁃57)一般配置在驾驶席和副驾驶席之间的底板下方。加热器由PTC加热器元件、将加热器元件的热量传送至散热剂(冷却水)的散热扇、散热剂流路和控制底板等组成。因要求加热器要有较高的制暖性,因此,电源使用的是高压动力电池。如果是纯电动汽车专用产品,也可以不使用冷却液,直接用鼓风机吹送经PTC加热器加热的暖风。