2009年第6期
电动汽车空调系统参数匹配与计算研究*
闵海涛1
王晓丹1，2
曾小华1
李
颂3
（1. 吉林大学；2. 中国第一汽车集团公司技术中心；3. 空军航空大学）
【摘要】对电动汽车空调系统结构与布置方案进行了分析,
总结出了空调系统制冷负荷与参数匹配计算流
程。以某型号纯电动中型客车为例, 给出了完整的空调系统计算参数。对不同行驶工况下电动客车性能进行的仿真
分析结果表明，采用所匹配的空调系统，该客车在提供足够制冷负荷前提下能够满足
动力性能设计要求，但空调系
统的使用将显著降低整车续驶里程。
主题词：电动汽车空调系统参数设计
中图分类号：U469.72+2文献标识码：A 文章编号：1000－3703（2009）06－0019－04
Parameter Design and Computation Study for Air
Conditioning System of Electric Vehicle
Min Haitao 1,Wang Xiaodan 1,2,Zeng Xiaohua 1,Li Song 3
（1.Jilin University ；2.China FAW Group Corporation R&DCenter ；3.Aviation University of Air Force ）
【Abstract 】The structure and layout of air -conditioning system （A/C）for electric vehicles were analyzed,the
computation flow of cooling load and parameter design for air-conditioning system were summarized in this paper.Taking a medium-duty electric bus as an example,the whole computation parameters of the air-conditioning system were
given.The simulation results of the electric bus performance at variable driving conditions indicate that the vehicle ’s dynamic performance could meet the design requirements with A/Cworking,but the vehicle ’s cruising range will reduce definitely with the use of A/Csystem.
Key words ：Electric vehicle,Air-conditioning system,Parameter design
1前言
对电动汽车空调系统研究结果[1~5]表明，电动空
调通过实现变频控制可有效减少能量消耗，提高系统效率，如在城市循环工况下使用电动空调后整车续驶里程降低了21.3%。本文以某型号纯电动中型客车为例，对电动空调系统进行计算分析，在保证空调系统制冷能力的前提下计算得出所需压缩机轴功率，并应用ADVISOR 和MATLAB 联合仿真方法分析了不同行驶工况下空调系统对整车动力性能和续驶里程的影响。
2空调系统方案设计
纯电动客车的空调系统构成和布置方案如图1
所示，由于没有发动机系统，可将空调电动压缩机布置在客车前部驾驶舱内，冷凝器放在最前端。压缩机由单独的电机进行驱动，当空调系统制冷负荷发生变化时，可通过调
节电机转速来控制制冷剂流量，进
而控制空调系统制冷量，从而改变了传统空调采用压缩机离合器接合和断开来控制制冷量的方式，使室内温度控制更加准确，并降低了系统能量消耗。为使空调送风更加均匀，采用两个蒸发器并联的形式：蒸发器a 和加热除霜用电暖风芯一起布置在仪表罩下面，共用风道，用来为前排乘客提供冷气；蒸发器
b 则布置在车顶中央，通过两侧管道向车内送风。
前、后空调可分别控制温度和风速，当后座没有乘客时，可关闭后空调以节约能源。
图1
纯电动客车空调系统布置方案
*基金项目：吉林省科技发展计划重大项目（20076025）和青年科研基金项目（20080143）资助。
蒸发器a
电动压缩机
变频器
电池电暖风芯
储液罐
冷凝器
蒸发器b
·设计·计算·研究·
19——
汽
车
技
术
3空调系统参数匹配与设计计算
确定电动客车空调系统的实施方案后，对空调系
统进行参数匹配和设计计算，计算流程如图2所示。
图2空调系统设计计算流程
3.1空调系统制冷负荷计算
空调的制冷负荷是指为了保持车内空气温、湿
度恒定，空调设备在单位时间内自车室内取走的热量。计算制冷负荷前首先应计算车室得热量，再将结果换算成空调的制冷负荷。
车室得热量主要包括以下几部分：车身不透明围护结构的逐时传入热量、车窗玻璃的逐时传入热量、乘员散发的热量、车室外空气带入的热量以及电气设备散热所形成的得热量。根据整车有关结构参数计算得到车室得热量后，可采用Z 传递函数法计算得到空调系统制冷负荷[8]
。
车室得热量Q （z ）与制冷负荷Q L （z ）的关系式为：
Q L （z ）=G（z ）Q （z ）
（1）
式中，G （z ）为车室得热量与制冷负荷的Z 传递函
数。
将式中各项皆用Z 的负幂多项式表示，则有：
G （z ）=V +V z -1
+V z -2
+……+V z -n
12……n （2）Q L （z ）=n
j =0ΣQ L （j ）z -j
（3）Q （z ）=n
j =0
ΣQ （j ）z
-j
（4）
将以上各式代入式（1），按同次幂系数进行整理，则可得到任意τ时刻制冷负荷的计算公式：
Q L （τ）=n
j =0
ΣV j Q （τ-j ）-n
j =1
Σωj Q L （τ-j ）
（5）
由于Z 变换系数V j 、ωj 收敛很快，只需取2~3项就可以满足工程要求，于是得到计算制冷负荷的简化式为：
Q L （τ）=V 0Q （τ）+V1Q （τ-1）-ω1Q L （τ-1）
（6）
不同的得热形式对应不同的V 0、V 1值，ω1与车室和空调情况有关，在确定各系数后就能计算出任意τ时刻任意形式得热量所需要的空调制冷负荷，即对于汽车空调系统制冷负荷计算，只需将由围护结构传入的热量按式（6）转化为制冷负荷值。乘员和设备散发的热量虽然含有不能直接转化为制冷负荷的辐射成分，但由于其形成因素比较复杂，为简化计算，一般将得热量直接作为制冷负荷参与计算，而由通风换气和密封泄漏带入的热量全部由对流换热产生，所以得热量即等于制冷负荷。
3.2空调系统参数匹配计算
确定空调系统工况，并根据所确定的工况条件
得出其热力循环压焓图如图3所示，其中各状态点参数如表1所列。
图3
空调制冷过程压焓图
表1各循环状态点参数表
压缩机所需的轴功率：
N =
（h -h ）·Q （h 0-h 4）ηm （7）
其中：
h 2=h 1+
（h 2s -h 1）
i
（8）
式中，ηm 为压缩机的机械效率；ηi 为压缩机的指示
效率。
压缩机排量：
V h =
60×103·Q L ·v 1
04（9）
式中，λ为输气系数；v 1为压缩机吸气口处制冷剂蒸
气比体积；n 为压缩机转速。
传统汽车压缩机转速取决于内燃机转速及两者
间的传动比，不能随意改变，而电动压缩机是由单独电机进行驱动，其转速可根据空调工作负荷需求自由调整。为使电动压缩机能够高效率运行，取驱动电机的额定转速n e 来匹配压缩机排量。
3.3实例分析
初选电机，确定压缩
机匹配转速和排量收集车身结构参数计算车室得热量确定车室内外空气参数
计算空调制冷负荷系统热力循环计算确定空调系统运行工况确定电动压缩机驱动方式和结构型式电机、压缩机型号选择
确定压缩机轴功率lg p
4
3
2
2s 501
h
状态点122s 450温度/℃t 1t 2
t 2s
t 4
t 5
t 0
比体积/m3·kg -1v 1—
—
—
—
—
比焓/kJ·kg -1
h 1
h 2h 2s h 4h 5h 0
·设计·计算·研究·
20——
2009年
第6期
以某7m 中型客车为例，分别计算了其在北京、长春地区运行的制冷负荷，并针对所得到的制冷负荷值进行了空调系统参数匹配计算。该车车体结构材料参数如表2所列。
计算条件如下：设定为7月21日分别在北京和长春地区以40km/h的速度向正南方向行驶；车室内，空气干球温度25℃，相对湿度55%；乘员22人；车内空气流速0.3m/s；人均通风换气量25m 3/h。
该车制冷负荷计算结果如表3所列。
3.4空调系统参数匹配
由式（7）可知，在空调系统及其工况确定以后，压缩机轴功率只与制冷负荷有关，由于制冷负荷随时间不断变化，因此在匹配压缩机轴功率时应充分考虑空调实际使用状况，使电动压缩机能经常工作在高效率区。通常情况下，在一天中最热的中午到下午时段，空调制冷负荷最大且使用频率较高，因此本
文选择夏天11：00~17：00这一时段制冷负荷平均值来匹配压缩机功率，其中，北京地区制冷负荷平均值为13kW ，长春地区为10kW 。
表2整车车体结构材料参数
总成材料名称面积/m2与水平面夹角/（°）
侧围钢板
左5.58，右5.2790复合棉毡
PVC 板
聚氨酯发泡
PVC 板
地板胶合板11.840人造革前窗玻璃1.26
65侧窗玻璃左4.11，右4.23
80后窗
玻璃
0.95
83
钢板钢板左1.05，右0.78
909.41
车门顶棚
表4列出了对应不同转速下电动压缩机各性能参数的计算结果。
表4
北京和长春地区空调系统匹配参数
根据计算结果，结合现有产品技术参数，选择确定的压缩机和驱动电机参数如表5所列。
表5压缩机和驱动电机技术参数
4空调系统对整车性能影响的仿真分析
4.1
整车性能仿真模型建立
应用ADVISOR 通用仿真软件，以该样车结构和
性能参数为基础构建整车仿真模型，计算分析空调系统对整车性能的影响[9]。整车技术参数如表6所列。
为使仿真分析接近实际使用状况，根据前述计算结果得到满足压缩机工作要求的电机输出功率和空调系统驱动功率后，选取8~17时刻的驱动功率平均值作为参数输入。
表6纯电动中型客车主要技术参数
为简化计算，空调压缩机驱动电机在各工况下
的效率统一设定为额定工况下的效率值。仿真分析过程中，空调系统总的运行功率还应包括各热交换器风扇电机的功率。参考同类车型的风机配置方案，冷凝器选择两个轴流式风机，每个功率130W ；车顶蒸发器配两个双轴离心式风机，仪表板下的蒸发器配一个双轴离心式风机，每个功率150W 。因此，空调系统总的风机功率为710W 。
4.2动力性能仿真分析
表3
制冷负荷计算结果W
6：007：008：009：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：00
17：0018：00
4272560870278608100631128412198130881369113761133951250211309
1959
2991
4248
5573
6901
8000
8968
9960
10791111201086310272
9268
时刻制冷负荷
北京地区长春地区
压缩机转速/r·min -1
压缩机驱动电机功率/kW
压缩机排量/ml·r -1
25005.1（3.9）228（175）35005.1（3.9）163（125）40005.1（3.9）142（109）50005.1（3.9）114（88）6000
5.1（3.9）
95（73）
压缩机
电动机
制冷量/kW13额定电压/V288排量/ml·r
-1
170额定功率/kW5.5
最大连续
转速/r·min -1
10000
额定转速/r·min
-1
3500额定转矩/N·m
15
参数数值
参数数值
整车总质量/kg7840迎风阻力系数0.56轮胎滚动半径/m0.46迎风面积/m25.35两挡变速器速比1.82，6.24主减速器速比6.33驱动电机峰值功率/kW
90动力
电池
容量/Ah400最大扭矩/N·m
238
节数
80
21——
汽车技术
基于不同的SOC 值，对使用空调（ON ）和不使用空调（OFF ）时汽车的爬坡性能
和加速性能进行了对比仿真。空调系统功率（含压缩机和风机）5260W ，爬坡速度12km/h，仿真结果如表7和表8所列。
由表7可知，随着爬坡持续时间的增加以及电池SOC 值的降低，空调使用与否都会降低汽车的爬坡度，但使用空调会使爬坡度降低幅度更大。同样对于表8，随着末速度的增加及SOC 值的降低，汽车的加速时间也会增加，但使用空调时增加得更多些。
由仿真结果可知，由于电动汽车空调系统所消耗的功率直接来自蓄电池，因此在蓄电池输出功率足够大时空调的使用不会对整车动力性能产生影响，汽车加速时间和爬坡度均可满足设计要求。而随着SOC 值的降低和输出功率的下降，空调的使用会逐渐对整车动力性产生明显影响。实际行驶过程中，在汽车起步加速和爬坡行驶工况下，可以控制空调压缩机电机转速，避免蓄电池过大电流放电，通过牺牲短时间的舒适性以保证主驱动电机正常运行和整车动力性需要。
表7
电动客车爬坡性能仿真结果
%
表8
电动客车加速性能仿真结果
s
4.3续驶里程仿真分析
表9所列为不同行驶工况下空调系统使用前、后整车续驶里程的仿真计算结果。仿真过程中，取空调制冷系统功率为5260W ，为保证车辆行驶安全和电池使用寿命，取SOC 值为0.2时停止行驶。
表9
电动客车续驶里程仿真结果
km
由仿真结果可知，电动客车使用空调后60km/h等速行驶条件下整车续驶里程降低了20.2%。而在不同城市循环工况下，由于行驶条件不同，各种工况（怠速、匀速、加速和减速）的比例分布不同，因此使用空调后整车续驶里程变化结果有很大区别。美国城市行驶工况（UDDS ）条件下，整车续驶里程由121km 下降至96.1km ，降低20.6%。北京综合工况下，由于行驶过程中汽车处于怠速及加、减速等低速状况相对较多，车辆平均车速较UDDS 工况低，汽车驱动电机平均功率输出不大，因而该工况下空调系统能耗占整车能耗比例提高，空调的使用对续驶里程的影响也更加显著，使用空调后整车续驶里程降低49.6%。
5结束语
a.
根据计算结果，确定为设计样车所匹配的
电动压缩机额定功率为5.5kW ，该设计参数能为空调系统提供足够的制冷量，据此所选择的空调系统经过整车初步验证合理。
b.
仿真分析结果表明，在动力电池输出功率
足够且SOC 值充分的条件下，空调系统的使用对整车动力性能基本无影响，但对整车续驶里程影响显著，不同行驶条件下，使用空调后整车续驶里程降低幅度达到20.2%~49.6%。
参
考文献
1曹立波, 杨华, 高建远. 电动汽车空调系统设计对策. 湖南大学学报（自然科学版）,2001,28（5）：40~45.
2
史保新, 马国远, 陈观生. 电动车用空调装置的研究. 流体机械.2002,3（4）：48~50.
3
谢卓, 陈江平, 陈芝久. 电动车热泵空调系统的设计分析. 汽车工程,2006,28（8）:763~765.
4Malakondaiah Naidu,Thomas Nehl W,Suresh Opalakrishnang, et al.Electric Compress or Drive with Integrated Electronics for 42V Automotive HVAC Systems.SAE2005-01-1318.
5Masahiko Makino,Nobuaki Ogawa,Yoshifumi Abe,et al.Auto -motive Air-conditioning Electrically Driven Compressor.SAE 2003-01-0734.
6曹中义. 电动汽车电动空调系统分析研究：[学位论文].武汉：武汉理工大学,2008.
7陈沛霖, 曹叔维, 郭健雄. 空气调节负荷计算理论与方法. 上海：同济大学出版社,1987.
8
Zeng Xiaohua,Min Haitao,Xu Xing,et al.Parameter Design for Power Train and Performance Simulation of Electrical City Bus. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference （VPPC ）,2008.
（责任编辑
帘青）
修改稿收到日期为2009年2月13日。
坡度/%
60s 26.326.326.326.326.326.3600s 25.023.826.326.326.326.31800s
13.111.0
23.7
21.7
26.3
26.3
时间/s
SOC=0.3SOC=0.5SOC=0.7
OFF
ON OFF ON OFF ON 坡度/%
5015.515.714.314.514.114.27033.234.029.529.928.629.090
61.4
63.1
52.4
53.2
50.4
51.1
末速度
/km·h -1
SOC=0.3SOC=0.5
SOC=0.7
OFF ON OFF ON OFF ON 工况UDDS 城市
行驶工况
北京工况
60km/h
匀速行驶
空调使用状态
ON 96.1100.8180.8OFF
121
200
226.5
22——
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容