汽车空调器的设计说明

毕业设计汽车空调器的设计所在院系：电子信息系_专业班级：10级汽车电子技术职业技术学院 电子信息系二一三年五月选题背景随着汽车技术的不断发展与人们对汽车舒适度的要求，汽车空调成为标准配置，无论是炎日的夏天，还是刺骨寒风的冬天。汽车空调系统是实现对车厢空气进行制冷、加热、换气和空气净化的装置。它可以为乘车人员提供舒适的乘车环境，降低驾驶员的疲劳强度，提高行车安全。汽车空调不再是奢侈，无论是客车、货车、工程车也纷纷装上空调装置，甚至于我们身边的公交车也在空调化。空调的需求与日俱增，人们迫切需要更加安全、可靠、环保的型汽车空调。纵观世界空调史，汽车空调从单一制冷、单一制暖冷暖一体，以至发展到如今的智能空调，汽车空调让汽车部环境夏季如春，冬季如春，带给人们无限舒适。但是进入21世纪以来，随着全球工业的发展，汽车业也蓬勃而起。而作为汽车的燃料源，石油在人们的开采中逐步减少，燃烧产生的废气也一步步侵蚀着我们打地球。工业生产带来的废气以与汽车尾气的排放，让更多的氮氧化合物、碳氧化合物释放到地球，破坏了地球的生存环境。现如今，人们的环保意识加强，人们意识到汽车尾气正步步破坏者环境，所以世界各地纷纷投入到新型汽车的研究中。新型汽车在人们的视野中出现，而作为舒适性能的汽车空调，也受到环境的影响，新型汽车空调系统随着而来。新型电动汽车采用什么样的空调系统，才能让新型汽车与空调结合起来，共同达到环保的目标，这成为世界研究的共同话题。毕业设计进度安排：2012-12-5确定论文题目与容2013-1-9国外汽车空调史与其特殊性2013-2-28汽车空调工作原理2013-3-10“无油时代”-新型电动汽车空调的设计指导教师意见：指导教师（签名）： 年 月 日毕业设计工作中期检查表系别： 电子信息系 班级：10级汽车电子技术 学生俊学号20102907指导教师 周群利职称设计题目汽车空调器的设计选题是否有变化否如有，请填写原因是否一人一题是是否进行了选题背景、与写作提纲是是否进行了文献调研是本设计拟解决的关键问题新型电动汽车空调的研究设计教师填写部分设计进度情况： 提前完成 正常进行 延期滞后（请写出原因）工作态度情况（学生对毕业设计的认真程度、完成指导教师布置任务情况）： 认真 较认真 一般 不认真中期质量评价（学生已完成部分的工作质量情况）： 好 中 差存在的问题与建议： 指导教师（签名）：年月日教研室审查意见： 教研室负责人（签名）：年月日汽车空调器的设计中 文 摘 要第一辆汽车自从诞生以来,一百多年的历程,从三轮汽车到四轮汽车,汽车成为人们的主要代步工具,汽车也成为各国工业的支柱。汽车在成为代步工具的同时，其舒适性越来越成为人们的追求。其中汽车空调应运而生，1927年，（单一取暖）在美国纽约市场上出现了第一台汽车空调装置，当时轰动了世界各国汽车制造商。实际上这种装置只能称之为“加热器” ，只是在汽车车厢增加了热量，在欧洲寒冷的季节里，能起到一定的保暖作用。随后单一制冷、冷暖一体化的空调被人们设计出来，随着汽车空调技术的成熟，智能化汽车空调系统占领如今的汽车空调市场。 汽车在成为各家各户的代步工具同时，越来越严重额环境污染问题随之而来，人们赖以生存的家园受到严重的环境威胁，大量汽车排放出来的尾气正污染着大气。交通运输领域的温室气体排放、能源消耗和尾气排放三大问题直接影响人类的家园。进入21世纪，新型汽车驶入我们的眼线，这种汽车不再以消耗燃油为动力源，而是采用清洁能源-电力。这种汽车的诞生，有利于石油危机下汽车产业的发展，更有利于日益严重污染环境的改善。新型环保电动汽车，在解决能源与环境的同时，舒适性能也必不可少，其中空调系统改造成为世界各汽车厂家攻克的难题。在原有电动汽车电力有限的基础上，能使汽车空调正常工作，达到人们满意的舒适度。关键词：汽车空调 环境 环保 电动汽车空调 发展趋势1 / 27目录目录I一、前言1（一）国外汽车空调发展史21.国外汽车空调发展史22.国汽车空调发展史3（二）汽车空调的特殊性41.家用空调的原理52.汽车空调特性5（三）汽车空调工作原理51.汽车空调组成52.汽车空调工作原理63）汽车空调心脏-压缩机7（四）“无油时代”-新型电动汽车空调的设计71.电动汽车空调特点72国外电动汽车空调发展状况83.电动汽车空调的设计101.热泵型空调系统102.热电（偶）电动汽车空调系统143.电动汽车空调压缩机的设计154.无刷直流电机在电动汽车空调的应用16参考文献19一、前言中国汽车工业的摇篮-第一汽车集团公司同时也是中国汽车空调工业的摇篮。1966年一汽接受了国家下达的为中央首长制造红旗保险车的任务，在此之前，国家领导人在外事活动中乘座的都是前联制造的吉斯-115型保险车，由于受空调工业发展的限制，该车没有空调装置，夏季用车时，只能事先用冰块来冷却车空气。为了保证中央首长的安全，一汽在为中央制造的红旗保险车（cA772）除了具有保障中央首长安全的各种功能外，还必须设置有空调装置。在总厂领导的关怀下，经过工程技术人员和工人师付的努力，历经两年多的研制时间，终于在1969年成功研制了第一台汽车空调装置，并安装在红旗保险车上，送到中南海请中央首长乘座。这不仅结束了中国不能生产保险车的历史，同时也开创了中国自行设计、独立制造汽车空调装置的先河。改革开发后，国掀起了汽车空调热，上百个企业纷纷争上汽车空调。我国汽车空调生产企业，已与世界上主要生产汽车空调的企业都有了引进或合资关系，这对我国汽车与空调技术的不断进步起到了很大的推动作用。我国汽车空调业随着几十年的发展，从无到有，从小到大，到2002年，汽车空调生产企业已有200多家，产量达165万套，已跻身世界第四位，仅次于日本、美国和国，今年有望达230万套，从技术上，博览了当前世界上最先进的空调压缩机型。随着新世纪的发展，环境问题越来越受到人们的关注，如何设计制造出新型汽车，新型汽车如何配备舒适可靠的空调系统成为汽车企业的研究目标。如今新型环保电动汽车走入人们的眼界，这为地球的环境，我们的家园带来新的生机。（一）国外汽车空调发展史1.国外汽车空调发展史1886年，德国的卡尔-奔驰制造出世界上第一辆三轮汽车以来，至今已有一百多年的历史。伴随汽车业的蓬勃发展，汽车成为人们重要的交通工具，并成为各国工业的支柱产业。而汽车空调的问世，却比汽车整整迟了半个世纪。1927年，（单一取暖）在美国纽约市场上出现了第一台汽车空调装置，实际上这种装置只能称之为“加热器” ，只是在汽车车厢增加了热量，在欧洲寒冷的季节里，能起到一定的保暖作用。 第一台装有汽车空调的汽车如图：1938年，（单一冷气）美国人帕尔德发明了汽车空调，他根据电冰箱“冷气”的原理，在一辆老爷车上进行了试验。又于1939年，将改进后的冷气机，安装在美国福特汽车公司制造的林肯V12型轿车中，（当年美国的车排量都是很大的,一般3.0以上的）效果很好。 1940年，美国Packard公司第一次将机械制冷用于车用空调，为世界汽车空调市场开辟了发展之路。1954年，(冷暖一体化)第一台冷暖一体化整体式汽车空调设备，安装在美国Nash牌小客车上。1964年，第一台自动控温的汽车空调，装置在美国通用汽车公司的凯迪拉克名牌豪华轿车中。1979年，美国和日本共同推出用电脑自动控制的汽车空调设备系统，并用数字显示，达到最佳控制。此时，汽车空调已进入第四代产品。1989年，美国通用汽车公司大量生产的初期产品，主要有专用循环空气进口的“突进型”汽车空调。由于其对空气循环、外部空气的选择、出气位置的确定，以与除湿和温度控制等都较难实现，因而将主流改为空气混合型空调。微机控制空调，利用电脑，从而将汽车空调技术推广到一个新的高度。汽车空调实现了从单一制暖单一制冷冷暖一体化自动控制智能化空调。 现代空调系统如图：2.国汽车空调发展史作为中国汽车工业的摇篮-第一汽车集团公司同时也是中国汽车空调工业的摇篮。1966年一汽接受了国家下达的为中央首长制造红旗保险车的任务，为了保证中央首长的安全，一汽在为中央制造的红旗保险车（cA772）除了具有保障中央首长安全的各种功能外，还必须设置有空调装置。在总厂领导的关怀下，经过工程技术人员和工人师付的努力，历经两年多的研制时间，终于在1969年成功研制了第一台汽车空调装置，并安装在红旗保险车上，送到中南海请中央首长乘座。这不仅结束了中国不能生产保险车的历史，同时也开创了中国自行设计、独立制造汽车空调装置的先河。 由于汽车空调装置提高了乘座的舒适性，从1971年开始，一汽生产的各种型号的红旗牌高级轿车上全部安装了空调装置，为此，当时的第一机械工业部专门拨款在一汽轿车厂建立了生产和装配压缩机的车间，在一汽散热器厂建立了蒸发器和冷凝器生产车间，开始批量生产汽车空调装置。1980年，一汽为红旗牌高级旅游车设计制造了客车空调装置，并完成了批量生产工作。 采用在红旗高级轿车空调装置中的主要总成的产品水平在当时都是最先进的，汽车空调压缩机的结构为六缸双向斜盘式结构，这种结构是美国通用汽车公司1962年推向市场的新产品，直到今天，双向斜盘式压缩机仍然是汽车空调压缩机的主流产品，产量约占各种结构压缩机的三分之二。汽车空调的蒸发器是全铝层叠式结构，该结构至今也是汽车空调用蒸发器的发展产品。除此之外，红旗高级轿车空调装置中还采用了外平衡式膨胀阀，制冷系统中采用了防止蒸发器结霜的蒸发压力调节阀，请化工部为制冷系统管路研制了丁腈橡胶材料，在制冷系统中设计有排气消声器和吸气消声器等。 继一汽生产汽车空调装置后，1981年燃机油泵厂为牌轿车研制了轿车空调装置，压缩机也是六缸双向斜盘式结构，至此，国主要两个轿车生产基地都有了自己的汽车空调装置生产厂。 改革开放后，国掀起了汽车空调热，上百个企业纷纷争上汽车空调。对此，当时的中国汽车工业总公司于1987年采取在全国统一竞标选点的办法，成立了以中汽总公司为主，一汽、二汽，大专院校专家参加的评估组，分别对参与竞标的单位进行答辩，并实地考察，筛选出在压缩机方面、蒸发器和冷凝器方面、空调附件方面以与大客车空调方面的竞标的企业，再由国家计委和中国汽车工业总公司亲自带队组团出国考察，协助国企业与国外汽车空调厂商合作。 由于涡旋式压缩机是公认的最先进的第四代汽车空调压缩机产品，国许多企业都成功的研制出该产品，如埃迪压缩机、万宝压缩机等。 装置的核心压缩技术的发展一直备受世界各国汽车制造商所关注，第一代压缩机一曲柄连杆式结构压缩机已在小排量压缩机中所消失，现在只存在于大客车空调装置中，而且，还有待被大排量十缸斜盘式压缩机（排量超过300厘米3转）取代的趋势。 第二代的轴向型压缩机（摇盘式和斜盘式压缩机）一直是汽车空调压缩机的主导产品，约占所有压缩机产品的70，随着技术的不断进步，轴向型压缩机不但可以做到小型轻量化。而且，最高转速可达10000转分以上。特别是轴向型压缩机率先实现了无级可变排量控制，特别受到汽车制造商的欢迎。 第三代压缩机-旋转叶片式压缩机由于其体积和重量可以做得最小，易于在狭小的发动机室进行布置，加之噪声、振动小，容积效率高等优点，也特别受到汽车制造商的青睐。产量有连年上升的趋势。 第四代压缩机-涡旋式压缩机由于突破了制造技术上的难点正在突飞猛进地发展着。涡旋式压缩机最高转速可达12000转分，以上，容积效率比活塞式压缩机可高达60，且噪声小，运转平稳。 汽车空调压缩机的生产一直集中在日本和美国几大公司中，国、巴西和匈牙利等国压缩机生产企业也是上述几大公司的子公司。日本电装公司是全世界汽车空调装置产量最大的厂家，其压缩机的产量达1400万台年以上，占全世界压缩机总产量的13。压缩机的结构仍以十缸斜盘为主，兼有涡旋式和旋转叶片式结构压缩机。日本三电公司是目前全世界第二大压缩机生产厂。压缩机的产量已达1000万台年以上，主要机型为摇盘式结构和涡旋式结构压缩机，近年来又开发出六缸和七缸无级可变排量斜盘式压缩机。美国德尔福公司是世界第三压缩机生产厂，其产量在500万台年左右。产品主要是六缸斜盘式压缩机和五缸摇盘可变排量压缩机。 （二）汽车空调的特殊性家用空调和汽车空调在制冷部分的组成上都有压缩机、冷凝器、干燥过滤器、膨胀阀、蒸发器、制冷剂、电子控制器等。家用空调和汽车空调的上述部件虽然名称一样、作用近似，但是二者之间除制冷剂外，大部分并不存在通用性。汽车空调在结构组成上比家用空调多了一个电磁离合器。，家用空调的压缩机不论是全封闭式的、半封闭式的，还是分立式的都是由电动机带动工作的。而汽车限于电源功率的不足，不可能使用电力带。1.家用空调的原理家用空调器一般都是采用机械压缩式的制冷装置，其基本的元件共有四件：压缩机、蒸发器、冷凝器和节流装置，四者是相通的，其中充灌着制冷剂。1) 家用空调制冷 空调在作制冷运行时，低温低压的制冷剂气体被压缩机吸入后加压变成高温高压的制冷剂气体，高温高压的制冷剂气体在室外换热器中放热（通过冷凝器冷凝）变成中温高压的液体（热量通过室外循环空气带走），中温高压的液体再经过节流部件节流降压后变为低温低压的液体，低温低压的液体制冷剂在室换热器中吸热蒸发后变为低温低压的气体（室空气经过换热器表面被冷却降温，达到使室温度下降的目的），低温低压的制冷剂气体再被压缩机吸入，如此循环。2）家用空调制热低温低压的制冷剂气体被压缩机吸入后加压变成高温高压的制冷剂气体，高温高压的制冷剂气体在室换热器中放热变成中温高压的液体（室空气经过换热器表面被加热，达到使室温度升高的目的），中温高压的液体再经过节流部件节流降压后变为低温低压的液体，低温低压的液体在换热器中吸热蒸发后变为低温低压的气体（室外空气经过换热器表面被冷却降温），低温低压的气体再被压缩机吸入，如此循环。2.汽车空调特性1) 汽车空调安装在汽车上，其承受汽车运动带来的频繁震动和冲击，必须要求汽车空调具有很强的强度和抗震能力，解决这一问题而又不给汽车本身带来行驶压力，需技术人员开发新型材料。2) 在燃油持续上涨的今天，燃油经济更让人关注。汽车空调的动力源来自汽车发动机，其中小型汽车、轿车等，空调所需动力来源于一台发动机，这种称为非独立式空调系统。大型客车、豪华客车等，由于制冷量和暖气量大，一般采用专用发动机驱动压缩机和独立取暖设备，此为独立式空调系统。3) 汽车空调工作环境复杂，无乱刮风下雨、日晒雨淋，夏天制冷量大，冬天取暖量大，汽车空调一直保持高负荷运行，加上汽车本身减轻自重，车身隔热层很薄，门窗多面积大，所以汽车隔热性能差，热损大。4) 由于汽车本身特点，要求汽车空调结果紧凑，质轻、量小，节省更大空间。（三）汽车空调工作原理1.汽车空调组成汽车空调系统主要由制冷装置、暖风装置、通风装置、加湿装置、空气净化装置和控制装置等组成。l 制冷装置，起到到驾驶室空气制冷和除湿的功效l 暖风装置，利用冷却液余热作为取暖热源，用来取暖和除霜。l 通风装置，将外部新鲜空气吸进驾驶室，达到通风和换气的作用。l 加湿装置，在空气湿度较低时，对空气进行加湿，以提高相对湿度。l 空气净化装置，除去空气中臭味、烟气和有害气体等，是车空气清洁。l 控制装置，控制空调各个部件，保证空调系统的正常工作。2.汽车空调工作原理空调系统主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、干燥储液器与管路等组成。1） 制冷原理1.启动空调，压缩机在发动机带动下开始工作，驱使制冷剂)在密封的空调系统中循环流动，压缩机将气态制冷剂压缩成高温高压的制冷剂气体后排出压缩机。2 高温高压制冷剂气体经管路流入冷凝器后，在冷凝器散热、降温,冷凝成高温高压的液态制冷剂流出。3 高温高压液态制冷剂经管路进入干燥储液器，经过干燥、过滤后流进膨胀阀。4 高温高压液态制冷剂经膨胀阀节流，状态发生急剧变化，变成低温低压的液态制冷剂。5 低温低压液态制冷剂立即进入蒸发器，在蒸发器吸收流经蒸发器的空气热量，使空气温度降低，吹出冷风，产生制冷效果，制冷剂本身因吸收了热量而蒸发成低温低压的气态制冷剂。6 低温低压的气态制冷剂经管路被压缩机吸入，进行压缩，进入下一个循环，只要压缩机连续工作，制冷剂就在空调系统中连续循环，产生制冷效果；压缩机停止工作，空调系统制冷剂随之停止流动，不产生制冷效果。 2） 取暖原理 汽车制暖系统采用汽车的冷却系统产生的热量，从而达到汽车温度的上升。将汽车行驶过程中，水箱产生的大量热量传输到汽车部，以供取暖。 汽车空调工作原理图如图：3）汽车空调心脏-压缩机制冷压缩机作为汽车空调的心脏，其作用是将由蒸发器出来的气温低压气态制冷剂压缩后，变成高温高压气态制冷剂，然后送到冷凝器冷却。汽车空调压缩机和其它用途制冷压缩机不同，结构和性能上有特殊要求：1. 质量轻、体积小。2. 经久耐用、易损零件少。3. 工作稳定、噪音小。4. 低速行驶具有较强制冷能力；高速行驶要求低耗能。 虽然2000年，奉天空调压缩机在工业大学的技术支持下，自行研发了涡旋式AP系列压缩机。作为第四代压缩机-涡旋式，标志着我国压缩机水平进入世界前列。但是我国至今缺乏这方面开发研究人才。（四）“无油时代”-新型电动汽车空调的设计全球气候变暖、大气污染以与能源成本高涨等问题日趋严峻，汽车作为环境污染和能源消耗的主要来源之一，其节能减排问题受到了越来越广泛的重视，各国政府和汽车企业均将节能环保当作未来汽车技术发展的指导方向，这样节能环保的电动也就应运而生。1.电动汽车空调特点1) 汽车空调系统安装在运动的车辆上，要承受剧烈而频繁的振动与冲击，要求电动汽车空调装置结构中的各个零部件都应具有足够抗振动冲击的强度和良好的系统气密性能；2) 电动汽车大部分属于短距离代步，乘坐时间较短，加上电动汽车乘员所占空间比大，产生的热量相对较多，相对热负荷大，要求空调具有快速制冷、制热和低速运行能力；3) 电动汽车空调使用的是车上蓄电池提供的直流电源，压缩机工作效率高，控制可靠性高；4) 汽车车身隔热层薄，而且门窗多，玻璃面积大，隔热性能差，致使车漏热严重；5) 车设施高低不平且有座椅，气流分配组织困难，难以做到气流分布均匀；6) 对于传统燃油汽车空调系统，制冷主要采用发动机驱动的蒸汽压缩式制冷系进行降温，而制热主要采用燃油发动机产生的余热。而对于电动汽车中的纯电动汽车以与燃料电池汽车来说，没有发动机作为空调压缩机的动力源，也不能提供作为汽车空调冬天制热用的热源，因此无法直接采用传统汽车空调系统的解决方案；对于混合动力车型来说，发动机的控制方式多样，故空调压缩机也不能采用发动机直接驱动的方案。 电动汽车空调系统如图：2国外电动汽车空调发展状况电动汽车的出现也为电动汽车空调的研究开发提出了新的课题与挑战。汽车空调的功能就是把车厢的温度、湿度、空气清洁度与空气流动性保持在使人感觉舒适的状态。在各种气候环境条件下，电动汽车车厢应保持舒适状态，以提供舒适的驾驶和乘坐环境。另外，拥有一套节能高效的空调系统对电动汽车开拓市场也起到至关重要的作用。因此，电动汽车发展的同时，适合电动汽车的空调系统也成为攻克的难题。1）.国外电动汽车空调发展状况早在1873年，英国人罗伯特-戴维森制作了世界上最初的可供实用的电动汽车随后电动汽车也逐步发展起来，直到20世纪以后，由于燃机技术的不断进步，加上电动汽车本身的缺陷，电动汽车被无情的打压，逐步呈萎缩状。 21世纪新纪元，石油危机下的世界各国，重启电动汽车的浪潮。电动汽车的出现也为电动汽车空调的研究开发提出了新的课题与挑战。汽车空调的功能就是把车厢的温度、湿度、空气清洁度与空气流动性保持在使人感觉舒适的状态。在各种气候环境条件下，电动汽车车厢应保持舒适状态，以提供舒适的驾驶和乘坐环境。另外，拥有一套节能高效的空调系统对电动汽车开拓市场也起到至关重要的作用。因此，在开发研制电动汽车同时,必然也要对其配套的空调系统进行开发与研制。国外电动汽车空调发展相对国来说较成熟，国外电动汽车空调不乏有跟国相似的模式，但在热泵电动汽车空调上已经有了一定的基础，日本本田纯电动车就采用了电驱动热泵式空调系统，系统中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，部分车型顾客可以选装一个燃油加热器采暖系统。日本电装（DENSO）公司早在几年前就开发了采用R 134a制冷剂的电动汽车热泵型空调系统，其在热泵系统的风道中采用了车冷凝器和蒸发器的结构。电装（DENSO）公司在2003年还开发了由于自然工质CO2良好的热物理性能，日本电装公司也为电动车开发了一套CO2热泵空调系统，系统也采用了在风道设置2个换热器的方案，与R134a系统不同的是当系统为制冷模式时，制冷剂同时流经部冷凝器和外部冷凝器。为了减少空调对蓄电池的电能消耗，美国Amerigon公司开发了空调座椅，这种空调座椅上装有热电热泵，热电热泵的作用就是通过需要调温的空间之外的水箱转移热量，从而实现需要调温的空间制冷或制热。这种空调座椅除了节能还可以改善驾驶、乘坐的舒适性，在电动汽车上配套使用比较适合。 国电动汽车发展模式图；因此，国外电动汽车空调从节能高效和实用性上有所突破，国电动汽车空调行业应积极向国外先进技术学习、借鉴，并在此基础上有所创新突破。2).国电动汽车空调的发展现状 伴随着国汽车业的蓬勃发展,汽车成为人们重要的代步工具,然而作为汽油机来说,如今的石油危机正威胁着汽车的发展，加上日益严重的环境污染问题，导致现在汽车业面临重要的挑战，怎么样使用更清洁的能源代替燃油，成为研究的重点。在众多的研究成果中，电动汽车脱颖而出，电动汽车环境污染小，行驶过程中不会产生废气；无噪音，噪音低；结构简单，维修方便；不受环境影响。电动汽车的这些优势，也让电动汽车成为热点，作为汽车舒适性的汽车空调，电动汽车空调的开发与研究随着展开。早期的国产电动汽车由于受到蓄电池能力的限制，为了不影响电动汽车的续行里程，大多数电动汽车都没有配备空调系统。随着国电动汽车逐步产业化、市场化，电动汽车必然要配备空调系统。由于受到电动汽车独特性影响，对于电动汽车中的纯电动汽车以与燃料电池汽车来说，没有发动机作为空调压缩机的动力源，也不能提供作为汽车空调冬天制热用的热源，国汽车厂家就从传统燃油汽车空调的基础上进行部分替换设计，将燃油发动机带动的压缩机替换成直流电机直接驱动的压缩机，控制上相应改变，来完成空调制冷的功能，目前替换设计效果基本能解决电动汽车空调的制冷问题，但制冷效率有待提高。由于没有燃油发动机产生的余热，制热功能国厂家目前主要采用PTC加热和电热管加热，这些加热模式虽能满足制热效果，但这些加热模式都是硬消耗电动汽车上的蓄电池电能，制热效率相对较低，影响电动汽车的续行里程。在空调的主要零部件选用上，目前国的电动汽车除了压缩机和控制模式，其他主要零部件还是沿用燃油汽车空调的零部件，冷凝设备主要用的是平行流冷凝器，蒸发设备主要用的是层叠式蒸发器，节流装置仍然是热力膨胀阀，制冷剂仍然是R134a。据不完全了解，国在大力开发电动汽车的厂家如奇瑞、比亚迪、一汽、上汽、江淮等 目前电动汽车空调配套情况基本差不多，都处于发展现状。3.电动汽车空调的设计电动汽车用空调系统与普通的汽车（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。电动汽车驱动能量来源于蓄电池，有别于传统燃油汽车，使得它的空调系统也不同于燃油汽车空调，由于作为驱动能量来源的蓄电池容量有限，空调系统的能耗对电动汽车的续行里程有较大的影响。同燃油汽车相比，对电动汽车空调系统的节能高效提出了更高的要求。同时，电动汽车空调必须要解决制冷、制热两大问题。根据电动汽车特有性质，目前电动汽车空调可采用电动热泵型空调系统与热电（偶）空调系统。1.热泵型空调系统热泵型空调系统是在原有燃油汽车上进行改进的，压缩机是由永磁直流无刷电机直接驱动，系统的工作原理图如图所示。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，相关企业开发的全封闭电动涡旋压缩机，是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，质量轻等优点。在测试条件为环境温度40，车温度27，相对湿度50的工况下，系统稳定时它能以1kW 的能耗获得2.9kW 的制冷量；当环境温度为-l0，车温度25，以1kW的能耗可以获得2.3kW 的制热量。在-l040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。热泵系统工作原理图对于汽车空调系统，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) R134a 热泵空调系统 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。制热与除霜工况循环为：由压缩机经四通阀至车冷凝器，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。2） CO2热泵空调系统目前国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%。实验结果表明在一样的运行工况下，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，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负荷的增大而增大，车负荷分别为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，制冷剂同时流经部冷凝器和外部冷凝器。交通大学的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、膨胀阀以与系统的设计和优化等的研究工作。2003年，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，国还未见热泵型CO2汽车空调系统。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。3）太阳能辅助空调系统 2000年，工业大学的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(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，并大大降低车的峰值负荷。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1820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，通过在其部的加热原件两侧通入冷却水，提高了制暖性能。2.热电（偶）电动汽车空调系统该项技术具有很多适合电动汽车使用的特点，并且与传统机械压缩式空调系统相比，热电空气调节具有以下特点:u 热电元件工作需要直流电源;u 改变电流方向即可产生制冷、制热的逆效果;u 热电制冷片热惯性非常小，制冷时间很短，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差;u 调节组件工作电流的大小即可调节制冷速度和温度，温度控制精度可达0.001，并且容易实现能量的连续调节;u 在正确设计和应用条件下，其制冷效率可达90%以上，而制热效率远大于1;u 体积小、重量轻、结构紧凑，有利于减小电动汽车的整备质量;可靠性高、寿命长并且维护方便;没有转动部件，因此无振动、无摩擦、无噪声且耐冲击。热电（偶）制冷、制热工作原理如图：从空调技术成熟性和能源利用效率比较来看，对于热电（偶）电动汽车空调系统，目前存在着热电材料的优值系数较低，制冷性能不够理想，并且热电堆产量受到构成热电元件的蹄元素产量的限制。不具备电动汽车空调节能高效的要求。这使得电动汽车空调更倾向于选用节能高效的热泵型空调，该技术方案对于不同类型电动汽车通用性较好，并且对整车结构改变较小，是将来电动汽车空调发展趋势。目前热泵型电动汽车空调最大的软肋是低温制热问题，尤其是在寒冷，这也是将来该行业研究难题之一。为了使热泵型电动汽车空调更节能高效，可以从以下几个角度去着重解决：n 开发更高效的直流涡旋压缩机；n 开发控制更精准、更节能的硅电子膨胀阀；n 采用高效的过冷式平行流冷凝器；n 改善微通道蒸发器结构，使制冷剂蒸发更均匀。此外，电动汽车开门的次数以与在行车中受车速、光照、怠速等因素的影响，空调湿热负荷大。压缩机乃至整个空调系统都要适应这种多因素变化的工况，压缩机的研究至关重要。 3.电动汽车空调压缩机的设计（1）型号匹配 电动汽车与传统燃机汽车的本质区别是驱动能源的不同，这对空调压缩机的匹配将带来两个方面 的影响： 空调压缩机驱动方式的改变；应选用高效节能的压缩机。这就要求在进行空调压缩机的匹配时，必须对电动汽车的动力系统结构进行分析 ，并综合考虑上述两方面的影响，选择合适类型的压缩机与驱动方案。（2）驱动方案 车用空调压 缩机可以分为机械压缩机和电动压缩机两种；按驱动方式的不同，机械压缩机又可以有燃机直接驱动和通过压缩机电机系统驱动两种方式。目前压缩机的驱动方式有三种； 2.1燃机 + 机械压缩机压缩机 由燃机通过胶带带动，压缩机转速与燃机的转速成一定的比例，因此制冷量难以控制，通常的做法是 使压缩机的容量可调，但这将使压缩机的结构复杂， 体积、质量都大幅度增加。传统燃机汽车采用的就是这种方案。2.2蓄电池 + 压缩机 电机 系统 + 机械压缩机 通过压缩机电机系统先将电能转换为机械能，然后再驱动机械压缩机工作。它通过变频器调整电机的转速，从而可以调节压缩机的制冷量 。2.3) 蓄电池 +电动压缩机由蓄电池直接驱动电动压缩机，可以通过脉宽调制对压缩机转速进行调整，从而调 节制冷量。另外，电动空调压缩机还具有以下优点：电动机置式结构使得制冷剂的泄露大大减少；元需电磁离合器控制压缩机运转，使噪音降低，可靠性提高，安装灵活方便，体积小、重量轻 。4.无刷直流电机在电动汽车空调的应用 一无刷直流电机目前传统汽车空调压缩机由汽车发动机直接带动，存在消耗发动机功率、转速变化围过大、工作环境恶劣、整体效率低等诸多问题。同时，随着公众节能和环保意识的提高，一些符合节能、环保要求的新能源汽车(电动汽车、混合动力)的发展前景被人们看好，而一种节能、高效、性能可靠的电动空调产品，对占领新一代汽车的空调市场显得至关重要。电动空调压缩机由电机、电子控制单元ECU(Electronic contr0I unit)和压缩机组成。电机驱动压缩机，而ECU控制电机出力和运行。永磁无刷直流电机以其小体积、高性能、结构简单、出力大等特点受到了许多行业的青睐，在一些要求高性能和高精度的控制领域更是得到了广泛的重视。今天，在汽车行业，电机的应用越来越广泛，一部汽车上使用的电机数量会有上百台，这其部分以直流电机为主。但是，直流电机的一个最大问题就是电刷的使用，这使电机的体积变大，而电刷又需要频繁的更换。无刷直流电机通过ECU来控制电机的电子换相，从而取消了电刷，消除了更换电刷的顾虑，延长了电机的使用寿命。而电子换相过程中的另一个问题，即需要得到转子位置，也得到了广泛的研究。采用霍尔传感器或光电编码器等获得转子位置是一种可靠的方法，但是这一方面增加了成本，另一方面由于霍尔传感器等的使用温度围也限制了在恶劣环境中的应用。应运而生的是各种无位置传感器技术的研究，诸如反电势法、三次谐波法等，已经得到了深入的研究，并且一些方法也已经得到了实际应用。由于电子换向器的引入，传统直流电机中存在已久的电刷造成的诸多问题，在无刷直流电机中得到了很好解决。并且随着现代电力电子技术，以与微处理器技术的迅猛发展，无刷直流电机的功率等级、可靠性等都得到了极大的提高和改善。无刷直流电机技术已经在许多领域得到的实际应用，并表现出了良好的性能。与传统直流电机相比，无刷直流电机不能直接加电工作，电机的运转必须通过一个电力电子器件构成的逆变桥来控制电机的电压、电流和各相绕组的导通相序。因而，使用无刷技术的电动空调系统丰要由压缩机、电机和电子控制单元(ECU)三个部件组成。永磁无刷直流电机一般采用稀土永磁转子结构，我国作为一个稀土储量和生产大国，在制造永磁电机方面有着得天独厚的优势。永磁电机技术的研究和应用，有利于将我国的资源优势转化为技术优势，对于我国在新一轮全球技术竞争中取得相对技术优势有着重要的意义。在国外，目前的汽车用电动空调最主要的开发和供应商是日本电装公司(Denso)。日本电装生产的电动空调已经在丰田混合动力轿车上得到应用，但是目前产量有限。另一家日本企业三菱重工也已经开发出电动汽车空调，目前已成功获得二家美国著名汽车厂商的订单。但是由于目前的混合动力和其它电动汽车的市场容量有限，这一家企业的产量有限。 在国，由华东理工大学和三电贝洱汽车空调联合开发的电动空调压缩机系统在国的一些电动汽车和混合动力汽车上试用。其他一些研究多停留在实验室开发阶段，没有得到实际运行。二电动空调压缩机的优势传统空调系统的压缩机是由曲轴通过皮带驱动的，而电动空调压缩机由电机、ECU和压缩机组成，电机驱动压缩机，而ECU控制电机出力和运行，因此空调系统不依赖发动机的运转而工作。相比较而言，电动空调压缩机系统具有许多明显的优势。 (1)普通空调由于发动机转速的不稳定，必须使用大排量压缩机来满足低转速时的制冷要求（例如国卡车普遍使用508压缩机排量136cc左右），排量加大，压缩机体积大，大大消耗了发动机的输出功率，效率低。而电动空调的转速恒定，在同等制冷要求条件下，电动压缩机的排量可由普通汽车的136cc排量下降到36cc排量，使得电动压缩机的效率明显提高。 2)普通空调的压缩机安装在高温的发动机附近，工作环境差，蒸发器与出风口又安装在驾驶室或驾驶室顶部，所以冷媒的管路长，容易泄露，并且冷气消耗非常大。而电动空调由于拥有独立的动力源，无需依赖发动机，可以安装在靠近蒸发器的任何位置。图1给出了一种电动空调压缩机的安装位置，可以看到这种安装的工作环境更好，冷媒的管路更短，冷气消耗小。 (3)电动空调可以保持低速、持续运行，维持车厢温度，其节能原理与家用变频空调一样。 (4)电动空调可以在发动机熄火状态使用，无需消耗燃油。汽车在行使过程中发电机发出来的电给电瓶充电、储存；停车时利用所储存的电能制冷，大大节约了能源，提高了电动空调的使用效率。此外，涡旋式压缩机是继往复式、摆盘式和旋叶式之后的第四代汽车空调压缩机。它把老式压缩机的直筒形缸体变成了海螺壳状，让空气在里面经过多次压缩，再产生动力。图2给出了一种涡旋式空调压缩机外形示意图。永磁电机和压缩机封闭到一个系统中。采用涡旋压缩结构，不仅压缩效率高，也使得压缩机的振动、噪音都得到较大的改善。国际上空调业界人士普遍认为，它是理想的车用空调压缩机，是未来车用空调压缩机发展的主流。汽车动力系统的环保设计对市场的影响要远远大于汽车空调系统效率对客户的影响,然而对于能源利用效率最高的电动、混合动力、燃料电池与低排放汽车,它们是否能被用户接受却往往依赖于是否拥有效率更高的采暖和空调系统。例如,单用电力制冷和采暖可使电动车和燃料电池车的可行驶里程减少50%以上,以至连典型城市交通都难于适应。对于日益开拓的家用轿车市场,微型车用于空调的能量少于普通车辆,但这部分能量在小功率发动机的输出功中占的比例却不小。由于国际社会的共同努力,在全世界围实现CFC12到HFC134a替代的速度和花费比各公司单兵作战要小得多。如果新的技术能够在全球围被接受,则可能有同样的好处,但是不可避免的是,有些新的设计只在某些气候条件下或某些特殊市场规则下才有优势。因此在全球围可能存在多种技术选择。目前带空调的汽车一般在湿度控制功能,空气通过冷却除湿后再被加热到一定的温度,以控制车窗除雾并保证乘客舒适性。这一点在新的系统设计中可能会遇到挑战,例如在电动汽车中使用热泵型空调供暖,能够提高能源利用率,但要同时实现湿度和温度的控制却很困难。未来新型空调系统的开发必须与汽车开发同步,以适应新的变化:如发动机效率提高(余热量减少)、电气化、混合驱动动力与其它新型零部件使用后导致空调系统特性的变化。一是汽车电气化日益加强新型的电子元件如加热座椅、娱乐系统、电子导航等在汽车上的应用日渐广泛,为了适应这些技术,汽车生产商正在拟转向42V系统。采用高电压系统后有可能去除皮带驱动的系统,如发电机、空调压缩机、水泵与动力转向泵等。这使在汽车空调系统中应用全封闭压缩机成为可能,并且只要发动机舱靠近仪表盘的部分在足够的空间,就有可能用金属管代替软管,从而大大降低制冷剂泄漏；二是电动车与一些混合动力车需要负荷调度电动车和一些混合驱动车为了达到高效和减少温室气体排放的目的,以尽量少使用燃料来满足动力要求。例如,一些混合驱动车在发动机模式时利用多余动力对电池充电,当电池充电完成时则切向电动模式。相应地空调系统的设计面临新的挑战:因为无论发动机模式和电动模式时都需要空调(或采暖)。三是新的零部件技术可减少空调或采暖负荷增强车身隔热、改进门封结构、玻璃镀层和其它新技术的应用都可减少车室热负荷,从而减少用于空调或采暖的能耗而减少温室气体排放。目前,全球各大汽车生产厂和零部件供应商都在开发超临界的二氧化碳汽车空调系统与相应的零部件。超临界二氧化碳系统与HFC134a相比有潜在的能源效率优势,且工质的GWP值在所有工质中最低。二氧化碳工质与HFC134a相比,其压缩热很大,因而在热泵空调系统使用中很有吸引力。有必要开发安全装置,在检测并将漏至车厢的二氧化碳气体排出。由于系统工作压力比HFC134a系统高出6倍,因此需要新的维修设备和专业培训。 对于日益严重的环境污染问题和石油经济危机，在节能、环保的前提下，新型电动汽车的发展将展现新的明天，电动汽车舒适性能衡量标准之一的空调，也将会迎来全新的变革时代。参考文献1汽车空调第二版（M），主编：贵田 华2百度文库(Z)3汽车空调维修(M)主编：黄远雄4电动汽车空调的发展现状与解决方案（R）,工业大学，司宗根毕业设计成绩成绩等次优秀良好中等与格不与格评定等次指导教师评语：指导教师（签名）： 年 月 日系毕业设计指导小组评定意见： 系毕业设计指导小组（签名）： 年 月 日