热泵型电动汽车空调系统性能试验研究

第一篇：热泵型电动汽车空调系统性能试验研究

热泵型电动汽车空调系统性能试验研究

1.1 研究背景及意义

目前，随着人类越来越多的使用燃油汽车，汽车尾气排放出的二氧化碳加剧了全球 气候极端变化。我国的石油资源的探明储量极其有限，早在 2009 年，石油消费进口依 存度就突破了“国际警戒线”（50%），高达 52%。汽车保有量却是逐年增加，如果 汽车几乎完全依赖于化石燃料，很容易受到国际石油价格的冲击，甚至导致燃料的供应 中断。再者，燃油汽车的尾气排放出大量的污染物如 PM10（可吸入颗粒物）、NOx（氮 氧化物）、SO2（二氧化硫）和 VOCs（挥发性有机化合物）等，已经成为我国城市大 气污染的主要污染源，严重危害了人们的健康。纯电动汽车是以电能驱动的，具有燃 油汽车无法比拟的优点，主要表现在：

一、污染少、噪声低。其本身不排放污染大气 的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著 减少，且电动汽车电动机的发出的噪声较燃油汽车发动机小得多；

二、能源的利用具有 多元化，电力可以从多种一次能源如煤、核能、水力、太阳能、风能、潮汐能等获得，能源利用更加安全；

三、可在夜间利用电网的廉价“谷电”进行充电，起到平抑电网的 峰谷差的作用；

四、效率更高和控制更容易实现智能化。

作为一种具有环保和节能优势的先进交通工具，电动汽车受到了越来越广泛的关注。美、日、欧等发达国家不惜投入巨资进行电动汽车的研究开发，取得了丰硕的研究成果，纯电动汽车目前在许多发达国家已得到商业化的应用。我国电动汽车发展起步

较晚，但国家从维护能源安全，改善大气环境，提高汽车工业竞争力和实现我国汽车工 业的跨越式发展的战略高度考虑，从“八五”开始到现在，电动汽车研究一直是国家计 划项目，并在 2001 年设立了“电动汽车重大科技专项”，通过组织企业、高校和科研 机构，集中各方面力量进行技术攻关。与此同时，上海、广州和深圳等地的地方政 府也出台了相应的扶持新能源汽车的发展政策，计划实现电动汽车在本地的产业化。

电动汽车代表未来汽车发展的方向，各国政策的扶持为电动汽车的发展铺平了道 路，近年来，它们在全世界范围内呈现出欣欣向荣的的发展态势，据国外著名金融杂志 JP Morgan 报道，预计到 2020 年全球将有 1100 万辆电动汽车上市销售，这意味着到那 时电动汽车将分别占有北美 20%和全球 13%的市场份额，但目前电动汽车的发展遇到 很多技术问题，特别动力电池技术，续驶里程的提高和充电网络的建设等问题。

空调系统作为改善驾驶员工作条件、提高工作效率、提高汽车安全性及为乘员营造 健康舒适的乘车环境的重要手段，对燃油汽车和电动汽车而言，都是必不可少的。电 动汽车用空调系统与普通的汽车（内燃机驱动）空调相比，由于原动机不同而引发一系 列新变化。主要体现在：1）普通的汽车空调系统的压缩机依靠发动机通过一个电磁离 合器驱动，而电动汽车空调压缩机自带电动机独立驱动；2）电动汽车没有用来采暖的 发动机余热，不能提供作为汽车空调冬天采暖用的热源，必须自身具有供暖的功能，即 要求制冷、制热双向运行的热泵型空调系统。

纯电动汽车空调系统制冷、供暖和除霜所需能量均来自于整车动力电池。作为电动 汽车功耗最大的辅助子系统，空调系统的使用将极大的降低其续驶里程。因而，通过优 化电动汽车空调系统的设计以提高其性能对提高电动汽车续驶里程，推广电动汽车的应 用有着重要意义。

1.2.2 热泵式汽车空调研究现状

汽车空调系统是实现对车厢内空气进行制冷、加热、换气和空气净化的装置。随着 汽车的日益普及以及人们对汽车的舒适性、安全性要求的提高，汽车空调系统已经成为 现代汽车上必不可少的装置。汽车空调工作环境的特殊性如需要承受频繁的震动和冲 击，空调的热负荷大和汽车结构空间有限等决定的汽车空调在结构、材料、安装、布置、设计、技术要求等方面与普通的室内空调有较大的差别。而对于能源利用效率较高的新 兴代环保电动汽车，它们是否能被用户接受，往往依赖于是否拥有效率更高的采暖和空 调系统。对于汽车空调系统，目前采用的技术路线主要包括R134a热泵空调系统、CO2 热泵空调系统、太阳能辅助热泵空调系统和电加热器混合调节空调系统。1.2.2.1 R134a 热泵空调系统

众所周知，热泵技术是一项节能技术，它在家用空调系统中的应用已较为成熟，纵 观电动汽车的发展史，采用小型燃油装置作为加热装置的不消耗电能的汽车空调系统，由于污染环境被淘汰；效率较低的采用半导体制冷和制热的热电空调系统则更无法被 电动汽车所接受，只有热泵型空调系统才是最适合电动汽车的系统。如前文所述，国 内外高校和企业在研究电动汽车的同时，也相应地开展了热泵空调系统的配套研究。由 于传统的燃油汽车车室内冬季采暖一般采用发动机的余热，而汽车行业的核心竞争力在 于产品和技术，因此现有文献中报道电动汽车热泵空调系统的参数的很少，对汽车热泵 空调系统的研究仅仅局限于实验室阶段。

R134a是目前汽车空调系统中广泛使用的一种制冷剂，日本电装公司开发出的一套 R134a热泵空调系统是具有代表性的电动汽车空调系统之一，其在风道中采用了车内冷 凝器和蒸发器的结构，如图1-3所示。制冷工况循环为：由压缩机经四通阀至车外换 热器（此时用作冷凝器），再经电子膨胀阀

1、蒸发器回到压缩机。制热及除霜工况循 环为：由压缩机经四通阀至车内冷凝器，再经电子膨胀阀

2、车外换热器（此时用作蒸 发器）和电磁阀回到压缩机。当系统以除霜/除湿模式运行时，制冷剂将经过所有3个换 热器。空气通过内部蒸发器来除湿，将空气冷却到除霜所需要的温度，再通过车内冷凝 器加热，然后将它送到车室，解决了汽车安全驾驶的问题。该系统在制冷和制热运

行工况下具有较好的性能：当环境温度为40℃，车室温度为27℃，相对湿度为50%时，系统的EER达2.9；环境温度为-10℃，车室温度为25℃时，系统制热性能系数达2.3。文献[26-27]也对汽车热泵空调系统的性能进行了实验研究。Antonijevic和Heckt将开发出热泵空调安装在一辆燃油汽车上，测试其在低温工作环境下的性能，将实验结果与现有燃油汽车的其它供暖形式进行对比发现，采用热泵空调供暖时汽车性能更优，耗油量更少。Hosoz和Direk对一台R134a热泵型汽车空调在改变室外温度和压缩机转速的条件下进行了性能测试，该台汽车空调的特点是使用四通阀来实现制冷和制热模式的切换，且在制冷和制热运行时，R134a制冷剂分别经过两个热力膨胀阀降压。测试结果表明：系统制冷运行时，各个部件的总的 损失随着压缩机转速的增大而增大，切换至制热模式运行时，系统 损失率则随压缩机的转速提高而减小；R134a系统制热运行时COP较制冷系统更高，单位质量 损失更小，但系统在室外温度较低的情况下制热量是不够的。

1.2.2.2 CO2热泵空调系统

自Perkins于1934年首次开发出蒸汽压缩式制冷循环以来，至今用于制冷与空调系统的制剂达50多种。目前汽车空调中广泛使用的制冷剂是HFC134a（R134a），少部分使用R407C。近年来，世界各国加速了温室气体的减排进，欧盟在2006年通过的禁氟法规定：2011年1月1日起所有新批准型号的汽车放热空调系统将禁止使用含GWP>150的氟化气体制冷剂，从2017年1月1日起所有新出厂车辆的空调系统将禁止使用含有GWP>150的氟化气体制冷剂。R134a 的GWP值高达1300，这就意味着R134a在不久的将来也会被完全淘汰。现在汽车行业正在考虑用CO2、HFO1234yf和R152a三种主要候选物来替代汽车空调系统中的R134a（表1-2所示为四种制冷剂的环境及安全性能比较），其中CO2是一种自然工质，它来源广泛、成本低廉，且安全无毒，不可燃，适应各种润滑油常用机械零部件材料，即便在高温下也不分解成有害气体。自从1992年挪威工业大学的Lorentzen教授提出了二氧化碳跨临界循环理论，制造了第一套二氧化碳空调系统，并得出了与R134a系统相近的性能测试结果之后，二氧化碳再次引起人们的兴趣。

目前国内外研究者对二氧化碳在汽车热泵空调上的应用已进行了大量的研究，并取得了一定的成果。相对而言，国外的研究起步早，研究更深入。在实验研究方面，McEnaney 等人于1999年通过实验比较了两套分别采用CO2和R134a作为制冷剂的相似的汽车空调系统的性能，其中CO2汽车空调系统采用了微通道蒸发器和气冷器，而R134a系统则采用采用传统的管翅式换热器。与管翅式换热器相比，微通道蒸发器的迎风面积增大了20%，微通道气冷器的外形体积和空气侧迎风面积则分别减少23%和28%。实验结果表明在相同的运行工况下，二氧化碳和R134a系统的性能相当。2005年，日本的Tamura等人在改造已有的R134a系统的基础上，设计了一套CO2热泵型汽车空调系统，该热泵系统能够利用车内的辅助换热器收集系统除霜时放出的热量来预热空气。他们还通过对比实验研究发现，在热泵/除霜工况下，CO2系统性能更优。2009年，韩国的Kim等人则为燃料电池汽车设计了一套CO2热泵空调系统，该系统由一台半封闭压缩机、两个微通道冷凝器（制冷用的气冷器和制热用的小型换热器）、一个微通道蒸发器、一个内部热交换器、一个膨胀阀和一个集气罐组成。他们将散热片（散发燃料电池余热）分别放置在室外侧微通道换热器的迎风侧和背风侧，在不同工况下对该系统进行测试，测试结果表明：制热时，将散热片置于迎风侧以加热室外空气可使系统的制热量和COP分别提高54%和22%，但在系统制冷时，制冷量将减少40%~60%，COP则相应的减少43%-65%。同时他们还发现，压缩机的转速对系统的性能影响较大，压缩机的转速从1460rpm（转每分）增大到2330rpm时，系统的COP减少28%，因为压缩机消耗的功率的增幅远大于系统制冷量的增大幅度；制冷时系统降温时间随车内负荷的增大而增大，车内负荷分别为0kw、1kw和2kw时，从35℃降到20℃的时间分别为8min，26min和30min。在CO2汽车空调系统的开发方面，国外许多著名的企业如日本的Denso（电装），美国的Visteon（伟世通），法国的Valeo（法雷奥）等公司均已研制出二氧化碳汽车空调样机。日本电装公司还专门为电动汽车开发了一套CO2热泵空调系统，系统也采用了在风道内设置2个换热器的方案，与R134a系统（如图1-3所示）不同的是CO2系统各部件的承压均超过10MPa，且制冷模式运行时，制冷剂同时流经内部冷凝器和外部冷凝器。

国内对CO2运用于汽车空调系统的研究起步相对较晚，以上海交通大学的陈江平教授为代表的团队一直致力于二氧化碳汽车空调压缩机、膨胀阀以及系统的设计和优化等的研究工作。2003年，上海交通大学联合Santana（桑塔纳）公司研制出我国第一套CO2汽车空调系统，通过实验发现，该系统与国外同期研制的样机性能差不多。随后，他们又对系统进行了改进，将压缩机、气冷器和蒸发器的尺寸分别减少49%、28%和10%，在系统性能不变的前提下，大大提高了系统紧凑性，但到目前为止，国内还未见热泵型CO2汽车空调系统的相关报道。

综上所述，CO2跨临界循环用于汽车热泵空调系统中不仅具有环保的优势，而且在系统效率方面也有提高的潜力。但相比传统的R134a系统而言，CO2系统排气压力高、成本高且压缩机较为笨重，因而目前对CO2应用于汽车空调系统的研究有所降温。

1.2.2.3 太阳能辅助空调系统

早在1989年，Ingersoll就发现将太阳能电池布置在车顶在为汽车空调系统提供部分能量的同时也大大降低了车厢内的峰值冷负荷。2000年，广东工业大学的陈观生等人设计出一台电动汽车用热泵空调，并探讨了太阳电池在热泵空调系统中应用的可能性。电动汽车热泵空调系统的工作原理如图1-5所示，它与普通的热泵空调系统并无区别，由于在电动车上使用，压缩机具有特殊性，采用了结构简单，性能优良的双工作腔滑片式压缩机。制冷/制热模式运行时，该系统的制冷量/制热量随压缩机转速增加呈线性增长。制冷运行条件下，压缩机转速较低(<1500r/min)时，COP随转速的增大，增长速度较快，当转速增长到一定程度(>2000r/min)后，COP随转速增加而趋于恒定，将太阳能电池布满车顶后，空调系统制冷量的增幅为6%~27%。热电制冷虽然效率太低，难以满足汽车空调的需要，但采用太阳能辅助的方法来实现其在汽车上的应用也是一个较好的选择。Mei等人首次将太阳能辅助热电制冷技术应用于汽车空调系统中，他们发现将太阳能光伏电池板覆盖汽车车顶能够产生225W的电量，并大大降低车内的峰值负荷.1.2.2.4 电加热辅助空调系统

电动汽车热泵空调系统在室外环境温度极低的情况下，制热性能会大大降低，往往无法满足车内的热负荷需求，而采用电加热辅助的空调系统则克服了热泵系统的以上缺点。富士重工在“2005年人与车科技展（Pacifico横浜、2005年5月18～20日）”上展出的电动汽车“Subaru R1e”中，采用了电加热辅助空调系统。此外，三菱汽车2009年7月上市的电动汽车“i-MiEV”也采用了电加热器（如图1-6a所示）作为空调的制暖热源。加热器由可用电发热的PTC（Positive Temperature Coefficient）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。该电加热器配置在驾驶席和副驾驶席之间的地板下方，通过在其内部的加热原件两侧通入冷却水，提高了制暖性能。

展望

在本文研究基础上，以下几个方面仍然需要进一步研究，以提高系统性能：

1）建立电动汽车空调系统各个部件的仿真模型，并对其进行动态仿真模拟研究用以指导系统优化设计；

2）对微通道蒸发器在热泵工况的结霜性能做更深入的研究，在双层蒸发器的基础上设计出制冷剂均匀分配、压降合理的微通道蒸发器，以期获得高效换热；

3）强化 R407C 系统的压缩机、换热器、膨胀阀的匹配问题以及系统控制策略研究等。

第二篇：汽车空调系统制剂加注量研究

汽车空调系统制剂加注量研究

2013年01月19日

随着我国汽车工业的不断发展和人们对汽车舒适性要求的不断提高，空调已成为大多数汽车的必须配置，但由于汽车空调的特殊工况，制冷系统易损坏而产生泄露，即使正常状况，原厂空调一般每隔..3年需要检查补充一定量的制冷剂。制冷剂可以从高压端或低压端加注。制冷剂的加注量对空调系统性能的影响

制冷剂是汽车空调制冷系统的工作流体，它在制冷系统中循环流动，通过自身热力状态的循环变化不断与外界发生能量交换，达到制冷的目的，制冷剂充注量是否合适直接影响着制冷系统的性能。

如图1所示，是某型轿车空调系统制冷量、能效比(COP)与随制冷剂加注量的变化曲线。从图可以看出，在实验的起始阶段，由于制冷剂加注量较少，制冷量很小，能效比(C0P)低，制冷效果很差。

随着制冷剂加注量的增加，制冷量与能效比(COP)不断上升，逐渐达到最大，这时制冷量有一个相对稳定的阶段，是因为空调制冷系统中的储液灌内储存了一定的制冷剂从而保证系统中制冷剂的流量比较稳定。当系统中制冷剂加注量继续增大，储液灌被制冷剂充满以后，制冷剂占住冷凝器和蒸发器部分容积，使换热面积减少，从而降低蒸发器换热能力，使制冷量降低，同时使冷凝温度升高，冷凝压力也随之升高，压缩机功率增大，而进入蒸发器内的液体不能完全蒸发，仍然呈液态被吸回压缩机内，容易引起液击现象。能效比(COP)达到最大后，随着制冷剂的增加缓慢下降。

从图1可以看出，制冷量变化相对平缓的位置即为最佳加注量。制冷剂的加注量在最佳加注量附近，空调器的能效比最大，且制冷量也较高。制冷剂加注量的估算

目前制冷剂充注量的估算主要采用估算法。

内容积估算法是采用加注量占系统各设备内容积百分比的方法来估算总的制冷剂加注量。汽车空调制冷剂加注量等于其高压侧、低压侧各管道、储液干燥器、冷凝器和蒸发器等部件加注量之和。各部件制冷剂量所占部件内容积比例如表1所示。

下面以奇瑞轿车为例，计算该车空调制冷系统制冷剂加注量。制冷系统内容积计算结果如表2所示，则制冷剂充注量的估算值为： 制冷剂的补充加注量的确定

由于汽车空调的特殊工况，系统正常的情况下长时间的使用也会出现制冷剂不足，补充加注适量的制冷剂。3.1 空调系统制冷剂的检查

汽车空调制冷系统制冷剂常用的检查方法有两种.一种是通过观察孔目测制冷剂的情况，一种是利用气管压力表检测系统中的高低压力。

启动发动机，接通空调开关，打开所有车窗玻璃，把空调温度设置最低，风扇位置开关置于最大处，使空调系统连续工作，以便目测观察孔内制冷剂状态。

如图2所示，是观察孔内看到制冷剂的状态。如a)所示，系统中有大量气泡或泡沫状，说明制冷剂严重不足；如图.b)所示，偶尔看到气泡流过，说明制冷剂稍微不足；如图c)所示，孔内无气泡，看见有液体稳定的紊流，说明制冷剂适量。

将歧管压力表接到高低压管路中，检测空调制冷系统的高、低压端压力，高压侧的压力为1．5～1．6MPa，低压侧的压力为 0．14～0．15MPa为正常。..3.2制冷剂添加

首先将加制冷剂的压力表接到高低压管路上，从低压侧加入制冷剂，制冷系统中压力与制冷剂流动情况变化如图3所示。当观察孔中看到管路中的气泡消失时，说明系统中的制冷剂制冷量接近车里需要的制冷量，制冷量还没达到平衡，需要再增加部分制冷剂，制冷系统中的压力随制冷剂的增多而升高，当系统中压力不随制冷剂增加而升高时，说明系统制冷剂达到饱和，完全满足工况的制冷要求，但考虑过冷度，需选择一个合适的添加量，添加量一般是士50g，具体需要参考添加时的环境温度。总结

汽车空调系统易发生制冷剂的泄露，使空调系统不能正常工作。在补充或修理后加注制冷剂的加注量的多少对其性能产生直接影响。制冷剂过少会影响制冷效果，制冷剂过多，压力太高则发动机负荷会增大，会出现散热不良及高温，也会影响制冷效果，严重的还会发生管路涨破和损坏压缩机的危险等。参考文献： [1]潘伟荣．《汽车空调》．机械工业出版社．

[2]钱文波．《家用空调系统制冷剂充注量的研究》．制冷学报．

第三篇：钢筋混凝土结构抗震性能试验研究心得

钢筋混凝土结构抗震性能试验研究心得

近几年来，世界各地地震时有发生，带给人类的惨重损失仍记忆犹新。柱或墩丧失支撑是钢筋混凝土结构倒塌的主要原因。所以加强柱或墩是提高钢筋混凝土结构抗震能力的重要途径。

在我国现有的多高层建筑中,钢筋混凝土结构应用得最为普遍,其中钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式。因为其具有足够的强度、良好的延性和较强的整体性,目前广泛用于地震设防地区。在地震作用下，一味地追求结构的强度并不可取，结构的延性是非常重要的。当小震来临，应确保所有的结构构件在抵抗地震作用力时，具有足够的强度，使其基本上处于弹性状态。在中震作用下，结构的某些关键部位超过弹性强度，进入屈服，发生较大变形，达到非线形阶段，这时，我们就特别提出延性要求。当中震来临的时候，因为结构具有非弹性特征，某些关键部位超过其弹性强度，进入塑性状态。由于它有一定的延性，它的非线性能够承担塑性变形，使它在变形中能够耗费和吸收地震能量。

由于我对该领域的知识比较陌生，有许多专业性的内容不是完全理解，但是至少我认识到了钢筋混凝土结构抗震性能的重要性，它具有重要意义。同时，在受到相关的知识普及后，极大的引发了我对此领域继续探索的兴趣，我相信，我会通过更广泛的途径学习更多的知识，能在今后的工作生活中起到至关重要的作用。

第四篇：电动汽车热泵空调系统的实验研究

电动汽车用热泵空调系统的实验研究

轩小波

1.2.1,2陈斐

1,2

上海新能源汽车空调工程技术研究中心

上海加冷松芝汽车空调股份有限公司制冷研究院

摘要：基于一款电动汽车空调设计了热泵空调系统试验台架，研究了不同压缩机转速和环境温度条件下双换热器和三换热器系统对热泵空调换热性能、总成出风口平均温度及系统COP的影响。结果表明，环境温度越高双换热器系统和三换热器系统的换热性能越高，且三换热器系统的性能优势越明显；压缩机转速为5500rpm、室外环境温度为7℃、1℃、-5℃工况下，三换热器系统较双换热器系统总成出风口平均温度分别高8.0℃、7.2℃和6.1℃，系统COP分别提高15.0%、16.5%和18.2%，提高了电动汽车乘员舱的舒适性和能效比。

关键词：电动汽车

热泵空调

实验研究

三换热器系统

系统COP Experimental Research of Heat Pump Air-conditioning System

for Electric Vehicle

Songz automobile air conditioning co.,ltd Shanghai 201108

Abstract: Designed a test bench of heat pump air conditioning system based on an electric car air-conditioning.The impact of heat pump air conditioning system transfer performance, average temperature of the outlet assembly and the system coefficient of performance were studied base on two exchangers system and three exchangers system, under different compressor speeds and different ambient temperatures.The test results indicate that, higher the ambient temperature, higher the heat transfer performance of the two exchangers system and three exchangers system, transfer performance advantages more obvious of the three exchangers system.Under compressor speed is 5500rpm, ambient temperature is 7℃,1℃,-5℃conditions, average temperature of outlet assembly of the three exchangers system higher 8.0℃, 7.2℃ and 6.1℃ than the two exchangers system, the coefficient of performance increased 15.0%, 16.5% and 18.2% respectively, and the electric vehicle passenger compartment comfort and energy efficiency is also improved.Key words: electric vehicle

heat pump air-conditioning

experimental research three heat exchangers system

system coefficient of performance

1前言 由于新能源电动和混动汽车工业的快速发展，空调系统能耗对电动汽车续行里程的影响日益凸显，这对电动汽车空调系统的节能降耗提出了更高要求。目前市场上的电动汽车冬季大多都采用PTC加热方式采暖，不仅能耗高而且制热效率低，电动汽车空调必须从自身解决低效供暖的问题，热泵型空调技术正好解决了电动汽车采暖能耗高及对发动机余热的依赖问题。

［］

热泵是利用少量高品位能源使热量由低温热源流向高温热源的节能装置1，在电动汽车中使用热泵空调系统取暖，可利用电能将环境中的热量泵送到车室内，得到的热量为消耗

［］的电能与吸收的低位热能之和，因此其能效比大于1[2]；魏名山等人3针对电动汽车在冬天取暖时能耗较高的问题，设计了一套用于取暖的热泵空调系统；热泵COP 是制热模式下热

［］［］泵空调系统的实际制热量与实际输入功率的比值4；Hosoz 等人5将传统燃油汽车空调改装为热泵空调，研究了不同压缩机转速与系统换热量、COP 等参数之间的关系。

本文设计了用于电动汽车室内采暖的热泵空调系统试验台架，研究了不同压缩机转速和环境温度条件下双换热器和三换热器系统对热泵空调换热性能、总成出风口平均温度及系统COP的影响。

2电动汽车热泵空调系统

电动汽车热泵空调系统原理如图1所示，主要由电动压缩机、单向阀、四通换向阀、节流装置、室内外换热器、气液分离器等组成。

图1 电动汽车热泵空调系统图

制冷模式下，从压缩机出口排出的高温高压制冷剂气体经单向阀、四通换向阀进入室外换热器，在室外换热器内与外界空气进行热交换冷凝为低温高压的制冷剂液体，流经节流装置进行节流降压，节流后的气液两相制冷剂进入室内换热器，与室内空气进行交换实现蒸发吸热以达到降低乘员舱内温度的目的，最后从室内换热器排出的低温过热制冷剂经四通换向阀、气液分离器被压缩机吸入进入下一个制冷循环。

制热模式下，从压缩机出口排出的高温高压制冷剂气体经单向阀、四通换向阀进入室内换热器，与车内空气进行热交换以达到提升乘员舱内温度的目的，冷凝为低温高压的制冷剂液体流经节流装置进行节流降压，节流后的气液两相制冷剂进入室外换热器与室外空气进行热交换，最后从室外换热器排出的低温过热制冷剂经四通换向阀、气液分离器被压缩机吸入进入下一个制热循环。

3实验装置与方法 3.1 实验装置

本热泵系统室内空调箱采用一款车用HVAC总成改装而成；实验台架如图2所示。

室外换热系统

室内换热系统

图2 热泵系统实验台架

压缩机作为系统的主要部件对系统的换热性能起着重要作用，该系统选用一款排气量为24cc的车用电动涡旋压缩机，具体参数如表1所示。

表1 涡旋式电动压缩机参数

项目 压缩机型号(代号)压缩机型式 排气容积

压缩机周围环境温度

转速范围

制冷剂

冷冻油种类

冷冻油注入量

单位--cc/rev ℃ rpm − − ml

规格

EVS24HLBBAA-5AA 汽车空调用电动涡旋压缩机-40～80 1500-6000 R134a HAF68、POE

120±20(补充油量根据具体情况协商)室外换热器采用专为汽车热泵空调系统设计的串片式换热器，是将多孔扁管和翅片采用穿插式结构利用全铝钎焊技术将两种部件焊接而成，加之翅片的百叶窗结构或错窗结构，使得系统在制热模式下此换热器作为蒸发器使用时具有良好的防结霜功能，此种换热器在低温环境下工作同时具有良好的换热性能及分液均匀性。为了解决室内换热器在制热模式下做为冷凝器使用时换热性能不足的问题，本热泵空调系统使用两个内部换热器串联的方式代替传统的一个换热器进行热交换；两个换热器分别为平行流微通道换热器及小管径翅片管式换热器，平行流换热器的位置在HVAC总成中位置保持不变，翅片管式换热器安装在总成中暖风芯体的位置，即充分利用了总成中有限的空间，又提升了室内换热器在系统制热状态下的换热性能；制冷模式下通过两位三通阀自动关闭翅片管式换热器，由平行流换热器单独工作。室内、外换热器主要参数如表2所示。

表2 室内、外换热器参数

名称 串片式换热器平行流式换热器 管片式换热器 外形尺寸/mm 迎风面积/m2 656×357×38 281×249×38 271×157×35

0.214 0.056 0.038

管径/mm 16×1.8 16×1.8 Ø5

最大承受冷媒压力/MPa

4.5 4.5 6 系统采用具有双向节流功能的热力膨胀阀，压缩机吸气口前安装有带干燥过滤功能的气液分离器，在系统中既能起到干燥过滤的作用，又能避免系统低温制热模式下压缩机发生液击的风险，且减少空调系统庞大的连接回路，简化了控制系统、降低了因接口过多造成冷媒泄漏的机率、提高了系统的密封性，更为节能环保。压缩机排气口处增加油分离器，保证热泵系统在低温环境下工作时润滑油能够在压缩机内流动顺畅，避免排气温度过高而造成压缩机损坏。其他主要仪器参数如表3所示。

表3 主要仪器参数

仪器名称 质量流量计 压力传感器 温度传感器

3.2 实验方法

室内换热系统及室外换热系统分别布置在两个不同的温度环境中，即模拟系统低温制热工况下车内、外的环境条件。在不同的环境温度、压缩机转速下测试双换热器及三换热器热泵系统对换热性能、HVAC总成出风口温度及系统COP的影响。

测量范围 0～400 kg/h 0～5 MPa-40℃～120℃

精度/% 0.5 0.2 0.15 4 实验结果与分析

压缩机转速5500rpm时，室外环境温度分别为7℃、1℃、-5℃时双换热器系统、三换热器系统换热性能如图3所示。环境温度为7℃时三换热器系统换热性能较双换热器系统性能大28%，环境温度为1℃、-5℃时三换热器系统较双换热器系统换热性能分别大25%和19%；即随着环境温度的升高，两种系统的换热性能均有不同程度的提高，且环境温度越高，三换热器系统的性能优势较双换热器系统越明显。

图3 两换热器系统换热性能

图4 两换热器系统总成出风口平均温度 实验过程中此HVAC总成的送风模式选定为全热/除霜/外循环，为了监控总成出风口温度，在除霜风口均匀布置8个热电偶。不同环境温度下两种系统的总成出风口平均温度如图4所示。室外环境温度为7℃、1℃、-5℃时三换热器系统较双换热器系统总成出风口平均温度分别高8.0℃、7.2℃和6.1℃。由此可知，三换热器系统在不同的环境温度下大大提高了乘员舱的舒适性。

不同环境温度下两种换热器系统的COP如图5所示。压缩机转速5500rpm，环境温度为-5℃时，三换热器系统与双换热器系统COP分别为2.73和2.31，室外环境温度为7℃、1℃、-5℃时三换热器系统较双换热器系统COP分别高出15.0%、16.5%和18.2%；对同一种换热器系统，不同的环境温度下系统COP变化并不明显，如三换热器系统：7℃环境温度下系统COP只比-5℃环境温度下系统COP大0.19，这说明随着环境温度的上升，系统换热性能提高的同时压缩机的功耗也随之升高。

图5 双换热器、三换热器系统COP对比

图6 系统COP随压缩机转速变化曲线

环境温度为-5℃时，双换热器系统与三换热器系统COP随压缩机转速变化情况如图6所示。随着压缩机转速的不断升高系统COP逐渐降低，即压缩机转速越低系统COP越高反之系统COP越低，这说明随着压缩机转速的升高，系统换热性能的提升比小于压缩机功耗的提升比。

5结论与展望

通过实验研究电动车热泵空调双换热器和三换热器系统的换热性能、总成出风口平均温度及系统COP，得出结论：

（1）随着环境温度的升高，双换热器系统及三换热器系统的换热性能均有不同程度的提高，且环境温度越高，三换热器系统的性能优势越明显。

（2）压缩机转速为5500rpm、室外环境温度为7℃、1℃、-5℃条件下：三换热器系统较双换热器系统总成出风口平均温度分别高8.0℃、7.2℃和6.1℃，三换热器系统在不同的环境温度下大大提高了乘员舱的舒适性，三换热器系统较双换热器系统COP分别高出15.0%、16.5%和18.2%;对于同一种换热器系统不同的环境温度条件下系统COP变化并不明显。（3）压缩机转速越高系统COP越低，压缩机转速越低系统COP越高。（4）为了实现电动汽车热泵空调在更低的环境温度下同样具有较高的换热性能及系统COP, 可选择喷气增焓式电动压缩机与chiller或同轴管配合使用做更深一步的研究和探索，为电动汽车热泵空调尽早实现工业化奠定基础。

参考文献：

[1] 姚杨，马最良．浅议热泵定义［J］．暖通空调，2002，32(3): 33 [2] 彭发展,魏名山.环境温度对电动汽车热泵空调系统性能的影响[J].北京航空航天大学学报,2014 [3] 魏名山，彭发展，李丽，等．一种变频电机驱动的电动汽车热泵空调系统: 中国，201220659508．9［P］．2013-05-15 [4] 陈万仁，王保东．热泵与中央空调节能技术［M］．北京: 化学工业出版社，2010: 16 [5] Hosoz M，Direk M．Performance evaluation of an integrated automotive air conditioning and heat pump system［J］．Energy Conversion and Management，2006，47(5): 545－559

第五篇：纯电动试验车与电驱动系统总结报告

纯电动试验车及其相关技术研究

1． 电动车现状相关

电动汽车包括纯电动汽车EV、混合动力电动汽车HEV和燃料电池汽车FCEV三种类型，现有EV存在的主要问题：续驶里程有限、电池寿命太短、电池尺寸过大、重量过重、电动车价格昂贵、间接污染严重。EV的关键技术主要是电动机及其控制技术、电池技术、能源管理技术和车身轻量化技术。2． 电动车系统相关

普通燃油车改装成传电动汽车主要分为三个部分，即传动系的改制、制动系的改制和控制系统的改制。

传动系统改制为拆除发动机总成，包括空气供给及排气系统（如空气滤清器总成、排气管、消声器等）、燃油供给系统（燃油箱及进回油管），然后安装驱动电机及控制器。

制动系改制要考虑到制动系统装置的真空源来自于发动机进气歧管，拆除后缺乏真空源，必须加入真空泵和真空罐以及电源逆变器，出于安全考虑应加入真空不足报警装置。

电机冷却系统采用水冷却方式，必须加入相关冷却水循环系统及电动冷却风扇，风扇的接通与断开由安装在电机上的温控开关自动控制。

纯电动车所需电池较多，为了提高车辆利用率，可安装电池快速更换机械装置，在电池盒上装上机械式电连接器，更换时可自动对接，配合电池箱滑动轨道，可以轻便的完成更换工作。

3． 电动机类型及其比较

电动汽车常用电动机主要有两大类：换向器电动机和无换向器电动机。

换向器直流电动机控制原理非常简单，但由于有换向器和电刷，使得可靠性较低且需要定期维护。

无换向器直流电动机具有高效率、高功率密度、低成本运行、更可开及免维护等性能。其中又包括感应电动机、永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机、开关磁阻电动机和永磁混合电动机，对于目前常用电动机，采用数字评分法在六个方面的性能加以评价和比较：

我国有多家事业单位研发了不同型号的EV，其电机和整车主要性能如下表：

4． 蓄电池的选型与与比较

电池是EV的核心技术，从EV的应用角度上讲起主要性能参数有两个：即比能量和比功率。而EV得普及应用要求电池具有高比能量、高比功率、使用寿命长和价格便宜四大条件。

比能量分为重量比能量和体积比能量，单位分别是Wh/kg和Wh/L。比功率也分为重量比功率和体积比功率两个参数，单位分别是W/kg和W/L。比能量反应的是电池容量的大小，直接影响汽车一次充电可行驶的里程数；比功率反应的是电池功率的大小，直接影响汽车加速性能和爬坡性的好坏。目前可用于电动汽车的电池主要有：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池和锌-空气电池。

铅酸电池功能指标：比能量50Wh/kg（一次充电行程160km），比功率150W/kg，价格<150美元/kWh，循环充电次数>500次，快充性能50% 5min，80% 15min。

镍镉电池标称电压1.2V，比能量56Wh/kg，比功率225W/kg，循环充电次数2000次，寿命为7年，快速充电能力强。但初期投资高昂、标称电压低、记忆效应大、存在镉污染。

镍氢电池（MH-Ni）比能量为80-100Wh/kg，比功率150-200W/kg，充电时间<6min，充电次数600次，成本<150美元/kWh，工作温度-30-65。日本松下公司不但开发了纯电动汽车用的EV型电池组，还开发了汽油机-电池混合动力的HEV高功率镍氢电池，丰田公司1997年12月全世界第一次批量生产的EV-Prius混合动力电动车就使用了HHR650D型电池。

锂离子电池是新型高能蓄电池，国内外相关产品参数对比如下：

深圳雷天绿色电动源有限公司成功研发出大功率、低成本的锂离子动力电池，顺利通过了国家电池权威检测机构的检测，11项指标全部合格，填补了国内空白。

锌-空气电池比能量180-230Wh/kg，能量密度达230Wh/L，电池容量不受放电强度和温度影响，能在-20℃-80℃温度范围内正常工作，安全性能好，无腐蚀作用，成本低回收利用方便，缺点是寿命短、比功率小、不能输出大电流及难以充电。

新概念电池飞轮电池，利用飞轮高速转动的动能转化为电能，飞轮在真空环境下运转，转速高达200000r/min，比能量可达150Wh/kg，比功率达5000-10000W/kg，使用寿命长达25年，可供电动汽车行驶500万公里。美国已利用最新研制的飞轮电池成功改装一辆电动轿车，一次充电可行驶600km，由0到96km/h加速时间仅为6.5秒。5． 电池检测与电源管理

蓄电池工作状态主要指电池正常使用时的端电压、工作电流、温度和内阻4个参数的变化情况。所谓电池检测通常是指对前3个工作参数的检测。

影响电池寿命的因素有：充电电流、充电电压、放电深度、环境温度、充放电次数。针对这五个因素，一般有如下对策：充电器优化充电、控制放电深度、补偿环境温度、减少充放电次数、均浮充自动转换。

电池工作状态检测由电源（能源）管理系统BMS完成，电源管理系统从功能上可分为两个层面：底层完成数据采集，上层完成数据处理、分析与控制。中间通过通信管道进行数据交换和传输。

图5-1 电池管理系统框图

检测思路应遵循“局部集中、整体分布”的原则，即集中/分布式检测法，并用于电池检测系统的设计。

微型纯电动汽车电驱动系统基础研究 1． 改装电动车相关工艺流程

图1-1 电动车改装相关工艺流程

2． 电动汽车电气系统设计

图2-1 电气系统总体配置框图

整车以车辆管理单元（VMU）作为主控制单元，以电机驱动控制单元（PMU）、电池管理系统（BMU）及相关控制电器作为从控制单元，以电动机和蓄电池组作为控制对象。

其控制流程如下驾驶员控制操纵装置（如踏板、钥匙）向VMU发出命令，VMU通过通讯网络系统接收控制命令并采集BMU、PMU、整车等的状态信息进行相应的处理和运算，然后发出操纵指令，BMU、PMU和车载仪表由通讯网络获得VMU操纵命令，执行命令并反馈信息至VMU。主电池经DC/DC变换器向VMU及原有车身电气系统（冷风暖风、助力转向、车灯、音响、喇叭和刮水器等）提供低压电。

纯电动汽车很多部分都由独立的电子控制器进行控制。为了将整个电动汽车内各系统进行统一管理，实现数据共享和相互之间协同工作，我们采用总线进行数据传递。CAN网络是现场总线技术的一种，它是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议，称为控制器局域网现场总线。CAN网络原本是德国BOSCH公司为欧洲汽车市场所开发的。CAN推出之初是用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。在现代轿车的设计中，CAN总线被广泛的采用，奔驰、宝马、大众等汽车都采用了CAN总线进行控制器的联网。3.车辆管理单元

车辆管理单元是整车控制的核心，以整车的性能最优为目标，控制车辆的运行状态、能源分配，协调和发挥各部分的优势。其功能如下：

（1）汽车驱动控制功能根据驾驶员的要求以及相应的车辆运行状态、工况，计算驱动转矩，控制电机驱动控制系统满足工况要求。

（2）制动能量回馈控制根据制动踏板的开度、车辆行驶状态、电池管理系统的信息，确定制动模式和制动力矩。

（3）整车能量管理控制能量消耗，对蓄电池、辅助动力源和车载其他动力系统统一管理，提高整车能量利用率，增加续驶里程。

（4）故障诊断及保障提供安全和诊断服务，充电和驱动时的安全保障，故障的诊断监控车辆温度、冷却系统、车辆的运行状态监视主要设备的过电流、过电压、欠电压、过热，必要时切断主断路器。

（5）车辆状态监视通过通讯网络采集车辆状态信息，通过人机界面显示给司机。（6）通讯管理整车通讯的主节点，接收来自电机驱动控制单元、电池管理系统、人机界面的所有信息，发送电机设定转速、设定力矩、正反转信息，各个部件的启动停止命令，车辆的工作模式和整车的运行状况等。4． 电驱动系统控制回路

图4-1 电驱动系统控制回路总体框图

图中BMU为电池管理系统；VMU为车辆管理单元；PMU为电机驱动管理单元；KA1为VMU电源继电器；KA2为PMU主接触器控制继电器；KA3为充电接触器控制继电器；KA4为PMU软上电继电器的控制继电器；KA5为PMU软上电继电器；KM1为PMU单元主接触器；KM2为充电接触器；R为软上电限流电阻；S1B为BMU电源开关；S1V为VMU开关；SQ1为充电机接通信号行程；F开关为熔断器。实现的控制如下

（1）初始化

开关S1V打到位置时，KA1继电器吸合，VMU电源接通。S1B开关接通电池管理系统上电。开关S1V打到2位置时，KA4继电器吸合，软上电继电器KA5吸合，蓄电池经限流电阻R为PMU上电，当PMU电压与电池组相等时，KA2吸合，PMU单元主接触器KM1接通，同时KA5断开，PMU上电完成。

（2）充电控制

当充电接通信号行程开关SQ1接通，VMU接到信号后发出充电指令，冲电接触器控制继电器KA3得电，接触器KM2接通，充电机向蓄电池组充电。将KA2、KA3设计成互锁电路，KA3得电同时其常闭触电打开，PMU主接触器断开，防止充电时车误走。

（3）行车控制

VMU采集加速踏板和制动踏板的开度信号，经过VMU的驱动控制策略和制动控制策略的计算得到转矩控制量，通过通讯接口传向PMU控制电机的转矩，实现对车辆运行的控制。

（4）状态监视、故障保护

VMU通过通讯网络与BMU、PMU、人机界面相连，实时显示车辆的状态信息。当电机驱动控制单元发生故障时，液晶显示屏上显示报警状态，通过按屏幕上的复位键C，可以使PMU进行系统复位。

5.车辆管理单元软硬件构成

图5-1 控制系统信息流图

主控制器：

图5-2 嵌入式PLC原理框图

人机界面：

图5-3 人机界面结构示意图

管理单元软件构成：

图5-4 主程序流程图