电动空调（精选5篇）
电动空调 篇1
1 纯电动车及电动车空调简介
纯电动车是车上所有用电器全部用车载电池来驱动的车。在环保呼声日益高涨、对汽车尾气排放限制越来越严的今天, 纯电动汽车及电动汽车空调在能源安全、环境保护及可持续发展方面具有很大的优势, 各个国家及大的汽车集团都在投入大规模的人力、物力进行这方面的研究开发。我国在这方面的技术开发也比较早, 与国外处于同一水平。
现纯电动大客车作为我国“十五”863计划之一的重点攻关项目, 具有良好的发展前景。特别是在2008北京奥运期间作为奥运会场馆之间的城市公交车要作为政府形象工程推出, 国家对纯电动大客车的要求是:
(1) 关键系统和部件达到或接近国际先进水平;
(2) 达到实现批量化生产的目标和条件;
(3) 建立纯电动客车动力驱动控制系统、多动力分配与能源管理系统以及带智能化管理和自动均衡充电的高能量型电池组系统生产或试生产基地。
而对与之匹配的空调系统也提出了具体的要求:纯电动大客车的所有用电器只有靠车载电池来提供, 在蓄电池能量密度一定的条件下, 这种电动车上的能源配给是相当有限的。因此纯电动大客车空调的设计除应有足够的冷量和高可靠性外, 更应具有高效节能、轻质低噪、安全环保的优势, 并需采用微电脑智能控制。
国标对纯电动客车整车的总体要求及性能目标是:
(1) 最大爬坡>20%;
(2) 零排放;
(3) 低噪声 比同类型内燃机客车噪声水平下降3-5dB;
(4) 最大时速>80km/h;
(5) 加速性能与同类内燃机汽车相当;
(6) 等速续驶里程>150km 工况续驶里程>110km;
(7) 车载电池系统里程寿命>60, 000km;
(8) 整车产品目标成本比同档次传统汽车增加<30%;
2 纯电动客车空调的性能要求和总体方案
电动车目前由于电池容量问题尚未能彻底解决, 整车能够提供给空调方面的动力为:
220V三相交流电8～10KW, 24V直流电100A。
电动车空调要求能用于10.5-11.5米纯电动大客车, 采用顶置式, 外形要求流线型设计, 电器控制部分要求智能化控制, 带新风装置。作为奥运会场馆之间运营的电动公交车, 其车速一般为40Km/h, 乘员大约45～50人, 且有良好的车窗及车体保温, 因此根据交通部规定, 此空调系统标况下制冷量约为24KW, 冷风量为5400～6000m3/h。
由以上动力提供和冷量要求可知, 此电动车空调要求综合能效比最少为2.4, 而目前汽车空调的综合能效比一般只有2.0左右, 有一定差距, 这对现有汽车空调是一个严峻的挑战。
那么在遵循高效节能、轻质低噪、安全环保的设计原则下推出纯电动客车专用空调。总体方案为:
(1) 从客车方面入手, 尽量减少空调冷负荷
汽车空调的冷负荷主要包括以下4个方面:
①通过玻璃窗的太阳辐射得热Q1
②通过车身的传热及发动机散热Q2
③人体的散热量Q3
④室外空气进入带来的新风冷负荷Q4
汽车空调总冷负荷Q= Q1+ Q2+ Q3+ Q4
以11米公交车为例, 按一般的空调车装备 (车身发泡30mm+整车10mm保温;木地板等) , 其最大冷负荷计算如下:
Q1≈12.7KW
Q2≈3.3KW
Q3≈5.1KW (按定员50人, 每人102w/h计算)
Q4≈5KW
Q= Q1+ Q2+ Q3+ Q4≈26KW
由以上计算可看出, 玻璃窗传热所占比例最大, 必须尽量减少;人体散热占第二, 但这一部分是不可改变的;其余两项也是可想办法减少的。具体可采取如下措施:
①采用真空镀膜玻璃或其它高效隔热玻璃 (与普通玻璃的传热系数比大约为7/10, 这一项至少减少Q1的30%左右的热负荷;
②车身发泡30mm+整车20mm保温, 地板增加10mm保温层, 估计这一项可减少热负荷Q2的50%左右
③车门外增设随门而动的风幕, 估计这一项可减少热负荷Q4的30%以上
重新计算热负荷:
Q= Q1×70%+ Q2×50%+ Q3+ Q4×70%≈19.2kW
比较以上计算可知, 热负荷减少了6.9KW , 能量消耗约30%左右, 而且在玻璃窗得热上应该还有减少的空间。
(2) 提高空调系统本身的能效比
经冷负荷计算可知, 考虑到计算误差及增加余量, 可取空调系统制冷量为24KW, 一般风机的总功耗为2.2KW, 留给压缩机的功耗约为7.8KW, 则综合能效比=2.4, 这对空调系统来说是完全可以达到的。理论上主要是降低冷凝温度、提高蒸发温度以及缩短实际循环与理论循环的差距。
①提高两器的换热能力:冷凝器采用高效的平流式冷凝器;蒸发器采用高效换热的内肋螺纹管和亲水膜铝箔;
②压缩机采用高效低噪的进口涡旋式双压缩机单系统, 当系统运行达到车内设定参数要求时, 将自动交错停一台压缩机;
③采用高效低噪风机;
④采用充分节能的微电脑控制:含压缩机单台运转、冷凝风机低速运转, 蒸发风机无级调速。
同时外壳采用铝合金材料, 达到轻质美观、经久耐用的目的。
3 纯电动客车空调的优化设计
3.1 冷凝器和蒸发器的选定
因为制冷量决定了蒸发器的大小, 蒸发器采用有现成的此档冷量的KQZD28产品。
平行流冷凝器因目前无成熟的计算方法, 拟采用平流式冷凝器的大小为36扁管, 40集管, 长1500mm, 宽466 mm。
为验证所选冷凝器是否合适, 与系统是否匹配, 我们先做了单边蒸发器与单个冷凝器的匹配试验, 试验用压缩机为7FY (排量650cc/r) , 因为配单边, 转速取1000rpm, 定冷凝风量和蒸发风量, 并定蒸发温度和冷凝温度, 测试工况及测试结果见表1。
由实验结果可知, 此冷凝器的换热能力能满足系统的需要, 且两器匹配能达到系统要求的制冷量。
3.2 压缩机的选定
根据系统要求, 其压缩机为电动压缩机, 电动压缩机用于汽车空调有很多优点:
对空调系统来说, 压缩机是耗电大户, 因此选择一个高可靠性、低能源消耗、低噪声的压缩机是关键。美国COPELAND公司开发出的涡旋压缩机是制冷压缩机中高效节能的代表。该公司的ZRT162KCE-TF5-522双机并联压缩机。其压缩机性能参数见表2。
采用与之接近的Danfoss公司生产的SZ170-6双涡旋压缩机, 由两台SZ084压缩机并联, 三相220V/50Hz, 此压缩机的性能参数见表3。此并联压缩机在系统运行达到车内舒适要求后, 会自动交错停一台压缩机。
由以上性能参数对比可看出, 此Danfoss压缩机功耗比COPELAND略大, 但基本能满足纯电动车空调的要求。
3.3 风机的选定
蒸发风机采用ZHF-293Z无级调速风机, 但开始试车时出现过“无级调速”噪音异常, 后增加滤波电容解决了此噪音问题。
冷凝风机原来从风量考虑选用Spal的VA01-BP/LD-36S抽风式风机, 其100Pa下标定风量为2400m3/h。但试车时发现其噪声大, 这与我们的低噪设计原则相背, 且平流式冷凝器的风阻较小, 故改用Spal的VA01-BP/LD-66A排风式风机, 此为低噪设计风机, 100Pa下标定风量为2100m3/h。
至此, 此纯电动空调系统已基本匹配好, 其主要性能参数见表4。
3.4 纯电动客车空调系统的实验研究
为验证此系统的制冷量及功耗能否达到设计要求, 我们分别做了此系统的单、双压缩机系统性能实验, 并做了两种工况:标准工况和IMACA工况。实验结果见表5。
实验室结果显示系统制冷量已能满足要求, 压缩机和风机的功耗和总电流虽然超过预定指标 (功耗为10.25KW, 总电流为120A) , 北京理工大学电动车辆工程技术中心表示可以接受。因实际在客车运行时, 由于可利用到一部分行车风, 冷凝风量加大, 即迎面风速加大, 平流冷凝器的换热能力必大增, 此时压缩机功耗必下降, 故实际运行时, 系统的性能系数将提高。
另需说明的是, 由于平流冷凝器作为一种新型的高效换热器, 尚没有很成熟的计算方法, 如分路数具体如何优化, 扁管宽度多少最合适等, 都还只是通过实验和类比的方法来估计, 该款平流冷凝器也许不是最合适的, 故系统的实验结果也不是很理想。
现此纯电动车空调已试装在了北京理工大学下属的北京科凌公司11米电动公交车上。因车载逆变器 (将380V三相交流电变为380V直流电输入逆变器, 其将提供空调压缩机可直接用的220V相交流电) 有问题待解决而末进入路试。
纯电动车作为一种环保概念车, 它集各种高效节能之新技术、新工艺于一体, 而与之配套的纯电动车空调目前国内尚无生产厂家, 现大多是采用进口的大冷王顶置配COPELAND压缩机组, 故开发此产品对我国汽车空调工业的发展和提高, 起着积极的推动作用, 并为汽车空调的末来发展趋势:高效节能、轻质低噪、安全环保, 提供了一个设计参考。
4 结论
本文通过对空调系统进行优化设计, 使之达到纯电动车用空调要求, 其“高效节能、轻质低噪、安全环保”的设计理念, 对国汽车空调工业的发展和提高, 起着积极的推动作用, 并为国内同行进行纯电动车用空调的开发, 提供了一个设计参考。
参考文献
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电动空调 篇2
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；
电动汽车空调压缩机内流场仿真 篇3
涡旋式压缩机是新一代压缩机, 在空调领域被广泛应用。随着计算机技术的快速发展, 运用计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 开展的研究具有信息完整、可视化程度高等优点, 同时, 这也成为了新的研究热点。冯健美将CFD技术用于计算涡旋空气压缩机的排气过程, 李超等用CFD技术分析了一个月形压缩腔的内部流场。
针对电动汽车空调压缩机的真实使用环境, 本文采用R134a工质, 选定了合理的几何模型, 用湍流模型模拟了排气流动过程, 全面展示了涡旋压缩机旋转过程中的流场变化。
1 理论模型
1.1 物理模型
涡旋压缩机容积腔的轴向投影如图1所示。在偏心轴的推动下, 月形压缩腔不停地变小, 进而完成气体压缩, 排气孔则位于压缩腔的中央位置。
1.2 控制方程
采用质量、动量、能量守恒方程来描述压缩腔腔内的流动过程, 通过定义统一的变量Φ, 则这几个控制方程可以表示成通用形式:
SΦ——源项。
2 求解方法
2.1 物理模型
合理简化无油涡旋压缩机的几何模型, 某一个涡旋转角位置的涡旋压缩腔模型如图2所示, 该模型在icem中完成。涡旋压缩机的几何形状较为复杂, 计算区域内不同位置的几何尺寸相差比较远, 需要采用非结构化网格, 用四面体网格填充计算区域。
2.2 数值计算方法
制冷工质采用R134a。R134a制冷剂是一种新型无公害制冷剂, 具有与R12相似的热物理性质, 是国际公认的R12替代工质。通过Fluent中的NIST_Real_Gas模型对R134a进行设置, 步骤如下: (1) 输入激活NIST_Real_Gas的命令define/user-defined/real-gas-models/nist-real-gas-model, 在出现use NIST real gas?后输入yes确定; (2) 从列出的清单中选择需要的制冷剂, 在select real-gas data file[""]后输入制冷剂名称, 比如“R134a”, 输入内容要包括双引号。
在激活该模型之前, 要提前设好计算所涉及到的固体材料, 因为NIST_Real_Gas模型激活后, FLUENT的Material对话框将不能打开, 不能对材料模型做任何修改。
仿真采用RNG k-ε模型, 压力和速度的耦合方程采用PISO算法来求解。采用壁面函数法来处理近壁区的计算。
边界条件处理如下:采用质量边界作为进口边界条件, 采用压力作为出口边界条件, 壁面采用无滑移的wall条件。
3 计算结果及分析
涡旋压缩机的热力学模型只能求取压缩腔内热力参数的平均值, CFD技术可以获取涡旋压缩机内部每一时刻、每一点的流动参数。涡旋压缩机内部的速度场三维图如图3所示。由图3可知, 涡旋压缩机内部流场任意一点的参数都可以被获取。
涡旋压缩机内部速度场的截面图如图4所示。从图4中可以看出, 在靠近中心腔底部、排气孔口附近有较大的轴向速度, 且在这个小区域内轴向速度大于其他两个方向的速度。
4 结束语
本文采用R134a工质在Fluent中对涡旋压缩机内流场仿真作了初步尝试, 该仿真给出了涡旋压缩机压缩腔内的二维和三维速度场, 为涡旋式空调压缩机的设计提供了较好的理论参考。
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电动空调 篇4
空调系统的能耗在现实生活中是一个不可忽视的问题。因此, 研究设计低能耗空调系统对于节能来说非常重要。空调压缩机控制器是空调系统中的一个重要组成部分。采用基于单片机控制的电动空调压缩机控制器是一种有效的低功耗节能手段。电动空调压缩机是由电机、电子控制单元和压缩机等组成, 压缩机由电机驱动, 电子控制单元控制电机的运转。永磁无刷直流电机因为性能优良等特点在诸多行业备受重视, 尤其在节能方面具有巨大优势。无刷直流电机在空调压缩机中采用变频等技术, 很大程度上降低了噪音和损耗, 从而达到节能的目的。采用基于单片机控制的控制器节能效果明显, 具有广泛发展前景。
1 电动空调压缩机工作过程
压缩机是电动空调系统中一个非常重要的部件, 它为空调系统的正常工作提供了保障。空调压缩机在空调系统中主要用来压缩驱动制冷剂。空调压缩机的工作过程有蒸发和冷凝过程, 压缩机把制冷剂压缩后进行冷却, 同时通过散热片向空气中散热, 制冷剂也发生形态变化, 压力也同时升高。制冷剂随后被送到到蒸发器中, 压力下降。此时散热片吸收空气中大量的热量。经过这样一个循环过程, 空调压缩机不断工作, 就不断把热量散发到空气中, 从而进行调节气温的工作。电动空调压缩机一般都采用电机驱动, 而且现在空调压缩机的电机多采用无刷直流电机进行驱动。无刷直流电动机, 是一种用电子换向的小功率直流电动机。这种电动机的特点是结构简单, 运行可靠, 工作效率高。无刷直流电动机中采用的是自控式逆变器, 它的输出频率不是独立调节的, 而是受安装在同步电动机轴上的转子位置检测器控制。这也是电动空调压缩机的具体工作方式。电动空调压缩机主要通过单片机控制器进行相关的控制和调节, 对空调系统的一些设定参数进行控制, 并进一步控制电动空调的低功耗和节能效果。
2 控制器低功耗节能设计途径
控制器是控制电动空调的的主要部件。要想使空调的功耗低从而达到节能的目的, 必须对控制器进行全面的设计, 主要包括硬件设计和软件设计两大部分。硬件和软件的双重设计和结合使低功耗成为常态, 并为节能提供了保障。
2.1 单片机的合理选择
单片机在现代生活和工业中的电子产品中广泛应用。单片机实质上是一种微控制器, 它主要功能是将多种处理器以及接口等通过相应的芯片集成而成。与其它普通的微处理器相比较的话, 单片机的最大优点就是不用外接其它的硬件, 从而节约了制造成本。单片机有很多显著的特点, 比如单片机的结构比较简易、方便用户使用, 可通过模块化进行编程;单片机可靠性很强, 可以连续进行长时间的工作。此外, 单片机本身需要的电压较低, 因而能耗也比较低。单片机本身可以做成小规模产品, 便于使用者携带。可以说单片机的功能是十分强大的, 能够满足现实中很多实际需求。单片机应用在电动空调的压缩机控制时需要进行相应的匹配和合理选择。只有这样才能充分发挥单片机的优势, 进而达到节能的目的。整个空调压缩机系统的控制器要采用合适的单片机, 以期满足需要的供电电压等相关要求。单片机具体在空调待机不需要正常工作时进行控制, 降低空调能耗, 从而节约电能。在空调其它工作状态下时单片机再进行对应的控制。单片机作为一个核心部件, 它性能的优劣直接关系到空调的工作效率以及低功耗的实现甚至减小能源消耗等, 所以在进行单片机的选择时要合理、规范而有效。
2.2 电路的全面统筹
空调系统作为一个系统的整体, 缺少不了电路的设计。而空调压缩机控制系统的电路设计也非常复杂, 电路的设计包括主控电源电路设计、低功耗电源电路设计以及模式切换电路设计等相关设计, 必须全面统筹进行合理有效的设计。在主控电源电路的设计环节, 多采用双路供电工作方式, 并采取电子开关转换方式实现相应工作模式的切换。主控电源根据电机工作模式的需要, 进行相应电压的供应, 以提高电源转换效率。在低功耗电源电路设计环节, 电源可采用低功耗直流电-直流电, 从而满足相应的电压和电流的要求。两路电源都可以产生相应的电压给单片机供电, 当单片机进行工作模式的转换时, 电子开关能够切换到要使用的电源。在设计电子开关时, 依据控制器的输入电流和输入电压来进行选择, 同时考虑到散热体积、散热效果和成本, 选择合适的晶体管来作为电子开关的材料。空调系统的工作模式其实可以分为两大类, 就是低功耗模式以及其它功耗工作模式, 根据实际需求, 单片机需要在这两大类工作模式之间进行相应的切换, 因此必须设计相应的模式切换电路。其中唤醒电路是模式切换电路的一种有效方式。使用者可以通过调节外部信号来控制控制器中的相应程序。控制器通过外部速度信号以及不同占空比来调节电机的转速, 并同时调节相应的电压和电流在一定范围内变化。总而言之, 电路的设计在空调系统中是一个十分重要的设计环节, 需要根据实际情况和设计目标做好各电路的设计以及各电路之间的全面统筹协调, 从而提高工作效率, 达到低功耗和节能的效果。
2.3 控制软件的编程
任何一个电子产品的成功运行, 除了在硬件上进行相应的保证和升级, 软件的设计和编程也非常重要。必须对硬件进行相应的软件控制才能使硬件正常甚至高效工作。控制软件在编程的时候可以采用模块化的编程方式, 从而控制电机的待机、起动、停止、低功耗等工作模式。控制软件除了使空调进行相应模式的工作之外, 使空调进行安全的正常工作也十分重要。因此在控制软件的编程环节, 也需要针对现实生活中常见的安全问题进行合理有效编程。比如要避免在空调刚通电时出现过压、过载、过流、过温等情况, 从而保证空调系统起动正常。因此在软件编程的时候要考虑到各种保护机制, 防止在系统工作的时候产生故障影响安全。控制软件的编程也可以降低空调系统的功耗。其中在编程的时候采取限流降速的方法来降低功耗。也就是控制软件根据使用者的具体需要, 限制压缩机的工作电流, 并且可以调整相应的限流值。如果压缩机的电流超过了限制的电流, 控制器会则根据之前设定好的程序来降低电机转速, 减少能耗, 从而实现节能。通过软件的编程, 可以根据实际情况, 使控制器执行相应的程序, 从而控制电机的运行, 使空调系统在待机等环节实现低功耗, 从而达到节能的目的。
3 结语
采用单片机来进行电动空调压缩机的控制是一种有效的低功耗节能方式。本研究在空调系统节能的必要性以及压缩机工作过程的背景下, 具体提出了三种控制器低功耗节能设计措施。要合理选择单片机, 进行相应工作模式的控制和切换。要全面统筹电路, 在主控电源电路设计、低功耗电源电路设计以及模式切换电路做好设计和协调。软件在控制时编程环节要考虑实际情况, 并要保障空调系统的安全问题。这些措施的实施都为空调系统的低功耗和节能提供了有效思路和合理建议。
摘要：在能源日益匮乏的今天, 节能成为一种共识。空调在现实中的应用领域较广, 采用单片机来控制电动空调压缩机的控制器, 以期控制功耗, 达到节能的目的。本研究从采用单片机电动空调压缩机控制器的背景出发, 基于电动空调压缩机的工作原理及其过程, 并重点详细讨论了控制器低功耗节能的设计途径。从单片机的合理选择、电路的全面统筹以及控制软件的编程三方面出发, 重点讨论控制器低功耗节能手段。
关键词：单片机,空调压缩机控制器,低耗节能
参考文献
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电动空调 篇5
汽车空调压缩机实现排量调节的执行元件是安装在压缩机后盖腔内的控制阀。控制阀性能在很大程度上决定了压缩机乃至整个轿车空调系统排量控制的工作性能。控制阀分为气动控制阀和电动控制阀两种。目前气动控制阀正逐渐被电动控制阀所替代, 也就是电动控制空调压缩机正逐步取代内控式空调压缩机。一汽大众车型中除捷达和宝来, 其余均使用斜盘式可变排量电控式空调压缩机。丰田、通用、福特等汽车公司新开发的车型均采用电控阀式空调压缩机。该种形式的空调压缩机具有反应快、无结霜特点。
2 电动控制阀结构
2.1 电动控制阀的结构
电动控制阀主要由10壳体、线圈座、830匝线径0.3漆铜线电磁线圈、动铁心 (材质为DT4纯铁) 、定铁心 (材质为DT4纯铁) 、回复弹簧、阀杆、波纹管 (材质为磷青铜) 、O型环 (材质为HNBR) 等零件组成。
电动控制阀采用气动与电动相结合的排量控制方式。电控阀可以在吸气压力和电流的共同作用下, 打开或关闭排气腔和压缩机腔的通道, 从而调节进入压缩机腔内的制冷剂流量, 改变腔内压力, 达到控制压缩机排量的目的。由图1可看出, 电控阀的阀头位于连接排气腔与压缩机曲轴腔的通道上, 当阀头打开时, 压缩机曲轴腔与排气腔连通, 制冷剂气体由排气腔进入压缩机曲轴腔内, 使压缩机腔内压力上升。腔内压力增加, 斜盘倾角减小, 压缩机排量减小。反之, 当阀头关闭时, 腔内压力减小, 斜盘倾角增大, 压缩机排量增大。电控阀阀头的关闭和开启是由吸气压力和电控阀的电流决定的。电控阀内装有真空波纹管, 浸浴在吸气压力下, 当吸气压力增加时, 波纹管收缩, 阀头有关闭的运动趋势。控制阀的阀杆与电磁铁的动铁芯固结在一起, 当电流增加时, 在电磁吸力的作用下动铁芯带动阀杆向静铁芯方向运动, 即阀头有关闭的运动趋势。通过电动控制阀结构图可知, 施加给电控阀的电压 (或电流) 的大小和影响真空波纹管伸缩的压缩机吸气压力是电控阀动作的主要因素。阀杆在电磁力、吸气压力以及内部弹簧力等作用下往复运动, 控制压缩机排气腔与压缩机腔的通道的通断。
2.2 电动控制阀的工作原理
电动控制阀主要结构参数如下:初始间隙1 mm, 动铁芯最大运动位移X=0.68 mm, 动铁芯外径a=10.5 mm, 侧向间隙b=0.1 mm。阀杆所受到的电磁力可由下式计算:Fe=Φ2/2μ0S, 其中μ0—真空磁导率, μ0=4π×10-7H/m;S—气隙处的磁极面积;Φ—磁通量。磁通量Φ的计算公式为:Φ=NI/Rm, 式中N—线圈匝数831;I—线圈电流;R m—磁阻。对于导磁体的铁芯来说, 其磁导率大大超过真空中的磁导率, 可忽略铁芯的磁阻。电磁力公式为:Fe=Φ2/2μ0S=N2I2/2μ0S。综上所述, 电磁力与电流的平方和线圈匝数的平方成正比。线圈匝数、电磁铁材料是影响电动控制阀电磁特性的主要因素。
线圈匝数影响稳态电磁力大小, 只有当电磁力增长到大于等于弹簧的初始反力时, 动铁芯才有开始运动的可能性, 因此线圈匝数对每一阶段时间都有显著影响, 尤其是对触动时间影响最大。线圈匝数多, 电感大, 电磁吸力大, 动铁芯可获得较大的加速度。但另一方面, 过渡过程时间常数也大, 电流响应慢, 磁势增长慢。由此可见, 线圈匝数太多、太少都不利于电磁铁的快速动作, 因此必存在一个最合适的匝数值。
磁性材料磁导率高, 饱和磁通密度大, 电阻率高, 动作时间短。磁导率和饱和磁通密度高, 主磁通大;而电阻率高, 涡流小, 去磁作用小, 也会使主磁通大, 电磁力大, 动作时间短。然而, 磁导率、电阻率、饱和磁密三者都大的材料很少。
3 电动控制阀试验标准
控制阀应当在以下条件下进行耐久性测试:第一, 控制阀周围温度120℃。第二, 高侧压力500+/-50 k Pa。第三, 低侧压力4.2+/-50 k Pa。第四, PWM信号400Hz和13.2Volts。控制阀电流在5s之内从0.1 amps激增到0.85 amps, 然后在下一个5s之内激减到0.1amps, 这被认为是一个周期。为完成200 000个周期, 每个周期之间有2s的停顿。在测试的整个过程中, 阀门工作压力的改变不应超过50k Pa。
参考文献
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