電動空調(diào)匹配計算書

1、.專業(yè)整理 .電動空調(diào)匹配計算書版本換版/修訂記錄編制/修訂人批準人生效日期前言根據(jù)已有電動空調(diào)系統(tǒng)設計規(guī)，計算空調(diào)系統(tǒng)各項性能參數(shù)，保證空調(diào)系統(tǒng)能正常運行，符合克服使用要求并且經(jīng)濟、可靠。本標準由產(chǎn)品開發(fā)技術中心提出，綜合管理部歸口。. 學習幫手 .專業(yè)整理 .本標準主要起草人：本標準審核人：本標準批準人：. 學習幫手 .專業(yè)整理 .1 概述隨著新能源電動汽車技術的不斷進步，電動汽車產(chǎn)業(yè)化的趨勢越來越明顯。作為未來主要潛在車型，電動汽車也需要為駕乘人員提供舒適的環(huán)境，并且擁有一套節(jié)能高效的電動空調(diào)系統(tǒng)對電動汽車開拓市場也是至關重要的。 本設計包括： 冷熱負荷計算， 電動壓縮機選型計算， 蒸發(fā)

2、器、冷凝器、膨脹閥選型設計。2 電動空調(diào)匹配計算2.1熱負荷計算N800系列駕駛室按尺寸定義共有5 個規(guī)格，空調(diào)系統(tǒng)制冷性能的需求可按最大駕駛室容積計算，也可按產(chǎn)量最大的駕駛室容積計算。因目前沒有明確的要求，暫按最大駕駛室容積計算空調(diào)系統(tǒng)制冷性能的需求。2.1.1參數(shù)確定綜合考慮夏季的高溫酷暑和汽車空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)常使用環(huán)境，結合有關資料，確定計N800 中體雙排的車外邊界條件如下：空氣流速 v： v=2m/s日照強度： I 水平 =1000W/ m2 I垂直 =160W/ m2I散=40W/ m2圖 1中體雙排車車長. 學習幫手 .專業(yè)整理 .圖 2中體雙排車車寬圖 3中體雙排車車高車長 2.00

3、m，車寬 1.59m，駕駛室高1.38m（如圖所示）車外綜合溫度計算由于太陽輻射的影響，車身表面溫度比環(huán)境溫度高許多，為簡化這部分熱負荷計算，引入車外綜合溫度的概念，由于車頂和車側的日照強度和熱傳導系數(shù)不一樣，因此，車頂和車側的綜合溫度也不一樣，其中：車頂綜合溫度：tc 頂 =I 頂 / （ 2+K 頂） +t2車側綜合溫度：tc 側 =I 側 / （ 2+K 側） +t2式中：車外表面吸收系數(shù)，取0.9 ；I 頂：車頂太陽輻射強度，I 頂 = I水平 =1000W/ m2；I 側：車側太陽輻射強度，I 側 = （ I 垂直 + I散） /2= （ 160+40） /2=100W/ m 2；.

4、 學習幫手 .專業(yè)整理 . 2：車外空氣與車表面的對流放熱系數(shù)，取經(jīng)驗值： 2 =33.48W/ （ m2·）K 頂：車頂傳熱系數(shù)；K 側：車側傳熱系數(shù)；t2 ：環(huán)境溫度38。壁面?zhèn)鳠峄竟剑篞=KFt式中：K：傳熱系數(shù)；F：傳熱面積；t ：溫差。為簡化計算，車身各部分按多層均勻平壁考慮，根據(jù)傳熱學理論，有：K=1/（ (1/ 1)+ （ i/ i ） + (1/ 2) ）式中： 1：車表面的對流放熱系數(shù)，按自然循環(huán)考慮，其值取15 W/ （ m2·） i ：各層材料的厚度； i ：各層材料的傳熱系數(shù)。車頂和車側的傳熱系數(shù)計算見表1（表中與車體結構相關的參數(shù)為參考其它車型

5、的估算值）。表 1 車頂和車側傳熱系數(shù)車頂車側空氣隔 熱鋼空 氣結構層構成鋼板間隙硬頂板間隙飾板單一結構層厚度i （ mm）0.71550.7253單一結構層導熱系數(shù)i （ W/51.630.1630.0651.630.1630.182（ m·）20.1750.170（ i / i ）（ m·） /W）1/ 1（ m2·） /W）1/151/151/ 2（ m2·） /W）1/33.481/33.4823.683.75傳熱系數(shù) K（ W/（ m·）由此可得：車頂綜合溫度： t c 頂 = I 頂 / （ 2+K頂 ）+t 2=0.9 ×

6、; 1000/ （ 33.48+3.68）+38=62.22 車側綜合溫度： t c 側 = I 側 / （ 2+K側 ）+t2=0.9×100/ （ 33.48+3.75） +38=40.42 車地綜合溫度：t c 地 按 41計算熱負荷計算. 學習幫手 .專業(yè)整理 .1)通過車頂傳入車熱負荷Q頂車頂面積約為3.2m2，則：Q頂= K 頂 F 頂 （ t c 頂 - t1）=3.68 × 3.2 ×（ 62.22-25） =438.30W2) 通過車側傳入車的熱負荷 Q側車側面積約為 7.7m2，則：Q側= K 側 F 側 （ t c 側 - t1）=3.75

7、× 7.7 ×（ 40.42-25） =455.25W3)通過地板傳入車的熱負荷Q發(fā)地板的傳熱系數(shù)約為：22，溫度約為 75，則：4.02W/ （ m·），面積約為1.7 mQ發(fā)=4.02 × 1.7 ×（ 75-25 ）=341.7W4) 通過窗玻璃傳入車的熱負荷Q玻車窗玻璃面積見表 2：圖 4車體玻璃的面積1（紅色區(qū)域）圖 5 車體玻璃的面積 2（紅色區(qū)域）表 2 車窗玻璃面積（ m2）. 學習幫手 .專業(yè)整理 .全面積前窗約 3.4約 1.0圖 6前玻璃的垂直投影（紅色區(qū)域）圖 7前玻璃的水平投影（紅色區(qū)域）其中前窗擋風玻璃并非垂直安裝，

8、其垂直方向投影面積約為20.2 m，水平方向投影面積約為0.9m 2。玻璃傳熱系數(shù)為：K 玻=11.5 W/ （ m2·）則由于車外溫差而形成的熱負荷為：Q玻 1=11.5 ×3.4 ×（ 38-25 ） =508.30W又太陽總輻射量為：U= I 側（ 3.4-1.0+0.2） + I水平 ·0.9=100× 2.6+1000 × 0.9. 學習幫手 .專業(yè)整理 .=1160W則由于太陽輻射而形成的熱負荷為：Q玻 2=（ + 1/ 2） U· S式中：太陽輻射透過玻璃的透入系數(shù)，取=0.84 ；：玻璃對太陽輻射熱的吸收系數(shù)

9、，取=0.08 ；S ：遮陽修正系數(shù)，取 S=1.0。Q玻 2=（ 0.84+0.08 × 15/33.48 ）× 1160×1.0=1015.97W總熱負荷 : Q 玻 = Q 玻 1+ Q 玻 2=508.3+1015.97=1524.27W5) 乘員熱負荷 Q人乘員全熱： 108W 司機全熱： 175W總熱量： Q人 =0.89 × 6× 108+175=751.72W車電機及照明燈等的熱負荷Q附暖風機電機轉換為熱量的功率約為 40W，收放機功率約為 7W，照明燈等功率約為 5W。則：Q附=40+7+5=52W6) 總熱負荷：Q總= Q

10、頂 +Q側 +Q發(fā) + Q 玻 +Q人 +Q 附=3565.24W取整： Q總 =3560W7) 制熱負荷冬季車外溫度低于車，熱量會通過車身、車窗等傳到車外。忽略人體、電器散發(fā)熱量。Q熱= Q 頂+Q側+Q發(fā)+ Q 玻 =2761.52W 取整： Q 熱=2760W8) 結論通過以上計算分析， 總熱負荷為3560W。所以 N800 電動空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能應不小于3560W。同時上述分析尚有一些影響空調(diào)系統(tǒng)制冷性能的因素沒有考慮，諸如整車密封性能、隔熱措施的采用、室新風吸入量等。需要對樣車或相關類似車型的空調(diào)系統(tǒng)進行詳細的分析和測試，再結合理論分析和整車其它的限制因素，最終確定一個優(yōu)化的系統(tǒng)制冷

11、參數(shù)，進而確定系統(tǒng)各個部件的參數(shù)。同時，由于不同車型（窄體單排、中體雙排、寬體排半等）對空調(diào)制冷能力的需求也有所不同，對于這種情況，通常的做法是采用可變頻一體式壓縮機，而不改變空調(diào)系統(tǒng)的其它部件來達到空調(diào)系統(tǒng)與整車的匹配。. 學習幫手 .專業(yè)整理 .制熱負荷為 2760W，電動空調(diào)采暖和除霜采用 PTC電加熱， PTC能根據(jù)車溫度、風量自動調(diào)節(jié)發(fā)熱量，制熱負荷小于制冷負荷，只需根據(jù)需要選擇適合的產(chǎn)品即可。2.2電動壓縮機選型計算壓縮機結構形式汽車空調(diào)壓縮機是汽車空調(diào)系統(tǒng)的心臟，其作用是將來自于蒸發(fā)器的低溫、低壓的制冷劑氣體壓縮成高溫、高壓的氣體，并將其送入冷凝器中，以保證制冷循環(huán)的正常進行。壓

12、縮機性能的好壞與空調(diào)系統(tǒng)的能量消耗、噪聲大小和運轉可靠性都有直接關系。電動汽車對車上輔助設備的能量消耗有嚴格的要求， 因此在電動汽車上所使用的空調(diào)壓縮機應具有較高的工作效率，使其在滿足使用要求的情況下，能量消耗降到最低。從汽車空調(diào)發(fā)展趨勢來看，渦旋式壓縮機將是未來汽車空調(diào)的主要機型，其原理是利用動、靜渦旋片的相對公轉運動形成閉死容積的連續(xù)變化，實現(xiàn)壓縮制冷工質的目的。渦旋式壓縮機具有以下優(yōu)點：1) 效率高。渦旋壓縮機沒有吸、排氣閥及余隙容積，氣體可以通暢的吸入并能被完全排出，容積效率高。同時，動旋片上的所有點都以很小半徑作同步轉動，摩擦損失小。同活塞式壓縮機相比較，其效率約高 10%? 15%

13、。2)運轉平穩(wěn)。多腔室連續(xù)工作，數(shù)個不同相位的工作循環(huán)同時進行，氣流脈動小, 扭矩變化均勻。3)沒有吸、排氣閥，運轉可靠，壽命長，且特別適應于變速運轉。4)轉動慣量小，渦旋的結構型式使壓縮機可以實現(xiàn)高速旋轉，最高轉速可達13000rpm 左右，因此，渦旋式壓縮機體積小、重量輕。5)由于吸氣過程幾乎連續(xù)進行，振動噪聲低。2.2.2壓縮機驅動電機結構形式為了最大限度地降低制冷劑的泄漏量，電動空調(diào)壓縮機往往會做成不可拆卸的全封閉系統(tǒng)，這給電機的保養(yǎng)和維修帶來了麻煩，傳統(tǒng)的直流電動機，因其工作離不開換向器和碳刷，轉動的換向器和碳刷始終處于接觸的摩擦狀態(tài)，很容易磨損， 需經(jīng)常保養(yǎng)維護， 故不能釆用。 另

14、一方面，為了提高空調(diào)系統(tǒng)的工作品質并降低其能量消耗，電動壓縮機的驅動電機應具有良好的調(diào)速性能，基于不同的調(diào)速原理，三相異步電動機和無刷直流電動機都能滿足這一要求，但比較這兩種電機，由于無刷直流電機轉子是永磁的，不用供給電流，沒有激磁損耗，效率更高。同時，其還具有體積小、重量輕、振動噪聲低、無電磁干擾及控制系統(tǒng)簡單等優(yōu)點，因此在電動空調(diào)系統(tǒng)上的應用具有更廣闊的前景。空調(diào)制冷劑熱力循環(huán)壓焓圖對于汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)，由前面計算得到的空調(diào)制冷負荷，從空調(diào)制冷原理出發(fā), 結合空調(diào). 學習幫手 .專業(yè)整理 .制冷系統(tǒng)熱力循環(huán)圖，就可以計算得到電動壓縮機功率、冷凝器換熱量等空調(diào)制冷系統(tǒng)匹配參數(shù)。電動汽車空調(diào)制

15、冷系統(tǒng)制冷劑的壓焓圖如圖 8 所示。空調(diào)的制冷循環(huán)，主要由下列四個過程組成：圖 8 空調(diào)制冷過程壓 - 焓圖1) 壓縮過程 低溫低壓的制冷劑氣體被壓縮機吸入，并壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體。這一過程是以消耗機械功作為補償，壓縮增壓，以便氣體液化。在圖8 中用線段 1-2 表示。2)冷凝過程制冷劑氣體由壓縮機排出后進入冷凝器。這一過程在壓力和溫度不變得情況下，制冷劑由氣態(tài)逐漸向液態(tài)轉變。用線段2-3-4 表示。3)節(jié)流膨脹過程高溫高壓的制冷劑液體經(jīng)膨脹閥節(jié)流降溫降壓后進入蒸發(fā)器。該過程的作用是制冷劑降溫降壓、調(diào)節(jié)流量、控制制冷能力。用線段4-5 表示。4)蒸發(fā)過程制冷劑液體經(jīng)膨脹閥降溫降壓后進入蒸

16、發(fā)器，吸熱制冷后從蒸發(fā)器出口被壓縮機吸入。此過程的特點是在壓力不變的情況下，制冷劑由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。用線段5-0表示。過程 0-1為在蒸發(fā)器和壓縮機之間，產(chǎn)生吸氣過熱的階段，是通過回熱循環(huán)，利用節(jié)流前的制冷劑液體來加熱回到壓縮機的氣體，從而產(chǎn)生液體過冷和吸氣過熱兩種結果。液體過冷可以避免因節(jié)流損失使少量制冷劑蒸發(fā)而產(chǎn)生的閃氣現(xiàn)象。吸氣過熱可防止液滴被帶入壓縮機氣缸，從而避免氣缸中的液擊。過程 l-2s為等熵過程，是理論上的壓縮機絕熱變化過程，但實際上，壓縮過程不是完全的絕熱過程，其絕熱指數(shù)也是不斷變化的。因此，壓縮機的實際工作過程為1-2 ，狀態(tài)點2 的焓值可用下式進行計算：（ h2s - h1

17、 ）h2 =+ h1 i式中： h 壓縮機進氣口的制冷劑焓值，kJ/kg ；h 、h壓縮機排除制冷劑的實際、理論焓122s值， kJ/kg ； i 壓縮的指示效率。. 學習幫手 .專業(yè)整理 .熱力循環(huán)狀態(tài)參數(shù)的確定1) 工況條件確定參考傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)計算工況，結合純電動客車空調(diào)實際使用條件，確定空調(diào)系統(tǒng)計算工況為：制冷劑為 R134a，冷凝溫度t k =55，蒸發(fā)溫度 t e=0，過冷溫度t 4=53，吸氣溫度t 1=5。2) 熱力循環(huán)參數(shù)確定根據(jù)所選定的空調(diào)工況，就可以得出制冷系統(tǒng)壓焓圖的各狀態(tài)點參數(shù)，如表3 所示。表 2各循環(huán)狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)號參數(shù)單位數(shù)值tl°C51v1m3/kg

18、0.07093h1kJ/kg402.182t2°C73.6h2kJ/kg449.032st2s°C62.6h2skJ/kg435.914t4°C53h4kJ/kg275.65h5kJ/kg275.6x5-0t0°C0h0kJ/kg397.09空調(diào)系統(tǒng)熱力循環(huán)的計算根據(jù)所確定的空調(diào)系統(tǒng)各循環(huán)狀態(tài)點的參數(shù)，就可以計算所需壓縮機及熱交換器的一些基本性能參數(shù)。1) 單位制冷量：q0 = h0 -h4由此可得：q0 = h0 - h4 = 397.09 - 275.6 = 121.49kJ / kg2) 單位冷凝量：qk = h2 -h4. 學習幫手 .專業(yè)整理

19、.由此可得：qk = h2 - h4 = 449.03 - 275.6 = 173.43kJ / kg3) 制冷劑循環(huán)量：G = Q/ q0（Q- 制冷負荷）由此可得：Q3560G = q0 = 121.49 = 29.34) 冷凝器熱負荷：Qk = Gqk由此可得：Qk = Gqk = 29.3 ×173.43 = 5081.5W5) 單位壓縮功：W= h2 -h1由此可得：W= h2 - h1 = 449.03 - 420.18 = 46.85kJ / kg6) 壓縮機壓縮功：N= W×G由此可得：N = W×G= 46.85 ×29.3 = 137

20、2.7W7) 壓縮機軸功率：Ne = N/ m其中 m壓縮機機械效率（一般選取0.92 ）。由此可得：Ne =N1372.7= 1492W m0.928) 制冷系數(shù)（ COP）： = Q/ Ne由此可得：Q3560 = Ne = 1492 = 2.39. 學習幫手 .專業(yè)整理 .9) 壓縮機排量：60 ×103QviVh =nq0其中輸氣系數(shù)，渦旋壓縮機一般取0.8 0.95， vi 壓縮機吸氣口處制冷劑蒸氣比體積；壓縮機轉速， rpm。由上式可以看出，當制冷量Q確定后，壓縮機的排量V 僅與其轉速 n 有關，兩者成反比。h10) 結論根據(jù)以上公式可以確定在特定工況下， 電動壓縮機排量

21、、 軸功率、冷凝器熱負荷等性能參數(shù)。值得注意的是，由于制冷負荷是隨著時間不斷變化的，因此在選取作為匹配電動壓縮機功率的制冷負荷值時，應充分考慮空調(diào)系統(tǒng)的實際使用狀況，使電動壓縮機能夠經(jīng)常工作在高效率區(qū)。通常情況下，在一天中最熱的中午到下午的時段，空調(diào)的使用頻率較高，這一時段，空調(diào)的制冷負荷雖有波動，但變化不大。電機功率、冷凝器熱負荷與壓縮機轉速無關，只與制冷負荷有關。在制冷負荷一定時，壓縮機排量隨著轉速的增加而減小，對于電動壓縮機，由于其轉速不受發(fā)動機轉速的限制，可以自由調(diào)整，因此可適當提高壓縮機轉速來減小壓縮機排量，進而減小壓縮機尺寸和轉動慣量，提高壓縮機效率并降低振動噪聲。另一方面，在取定

22、壓縮機排量后，當所需制冷負荷減少時，可通過調(diào)節(jié)壓縮機轉速，來減小制冷劑循環(huán)量和壓縮機軸功率，降低能量的消耗。2.3電加熱系統(tǒng)選型釆用 PTC電輔加熱，是目前解決空調(diào)冬季釆暖比較普遍的做法。PTC加熱陶瓷新材料具有恒溫加熱、無明火、熱轉換率高、受電源電壓影響極小、自然壽命長等傳統(tǒng)發(fā)熱元件無法比擬的優(yōu)勢。圖 9 為 PTC熱敏元件的電阻值隨溫度的變化曲線，PTC熱敏電阻是一種典型的具有溫度敏感性的半導體電阻，當超過一定的溫度（居里溫度）時，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。. 學習幫手 .專業(yè)整理 .圖 9 PTC 熱敏電阻阻值變化曲線電流通過PTC熱敏元件后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升

23、，當超過居里溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，而后電流的下降又導致元件溫度降低，電阻值隨之減小，電路電流又增加，元件溫度再升高，周而復始。因此PTC熱敏元件即具有使溫度保持在特定圍的功能，又起到開關作用。它的一大突出特點在于安全性能上，即使遇到風機故障停轉時，PTC加熱器因得不到充分散熱，其功率會自動急劇下降，此時加熱器的表面溫度維持在居里溫度左右（一般為250上下），從而不致產(chǎn)生如電熱管類加熱器的表面“發(fā)紅”現(xiàn)象。此外，當外界溫度降低時，PTC的電阻值隨之減小，發(fā)熱量反而會相應增加，依據(jù)此原理，采用了PTC電輔熱技術的空調(diào)，能夠自動根據(jù)車溫度的變化以及風機風量的大小而改變發(fā)熱量，從而恰到好

24、處地調(diào)節(jié)車溫度，達到迅速、強勁制熱的目的。PTC電加熱器結構如圖10 所示，可用于汽車室的取暖和除霜，根據(jù)需要將多組電加熱器并聯(lián)安裝在汽車空調(diào)風箱，設計的一個重要問題就是如何將PTC產(chǎn)生的熱量及時取走，這取決于風機和風道的設計。風機可采用軸流式風扇、離心式風扇等，基本要求是：使作用到整個PTC發(fā)熱器迎風面上的風速均勻，充分發(fā)揮PTC元件的發(fā)熱能力；風速要合理，PTC發(fā)熱器的消耗功率和出口風溫與風速密切相關，風速增加, 發(fā)熱量增大。另外要有與之配合良好的風道設計。圖 10 PTC 熱風加熱器示意圖2.4換熱器型式選擇與計算. 學習幫手 .專業(yè)整理 .電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的換熱器均可沿用傳統(tǒng)汽車的結構

25、型式，根據(jù)汽車的布置要求和使用工況進行設計，盡量釆用熱交換效率高的冷凝器和蒸發(fā)器，降低能量消耗。2.4.1蒸發(fā)器型式選擇與計算蒸發(fā)器的作用是將經(jīng)過節(jié)流降壓后的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器沸騰汽化，吸收蒸發(fā)器表面的周圍空氣的熱量使其降溫。汽車空調(diào)蒸發(fā)器有管片式、管帶式、層疊式三種結構。管片式蒸發(fā)器一般由銅或鋁質圓管套上鋁翅片組成，經(jīng)膨脹工藝使鋁翅片與圓管緊密相接觸，其結構簡單、加工方便，但換熱效率較低。管帶式蒸發(fā)器由多孔扁管與蛇形散熱鋁帶焊接而成，工藝比管片式復雜，需釆用雙面復合鋁材及多孔扁管材料，該蒸發(fā)器換熱效率比管片式高10%左右。層疊式蒸發(fā)器由兩片沖成復雜形狀的鋁板疊在一起組成制冷劑通道，每兩片通道

26、之間夾有蛇形散熱鋁帶，該類型蒸發(fā)器也需要雙面復合鋁材，并且焊接要求高，因此加工難度較大。但是其換熱效率也最高，結構也最緊湊。采用新型制冷劑 R134a 的汽車空調(diào)就應用這種層疊式蒸發(fā)器。蒸發(fā)器計算主要是根據(jù)制冷量大小，在規(guī)定工況下，計算出蒸發(fā)器所需面積。蒸發(fā)器傳熱計算公式為：Q= KF? t m式中 Q蒸發(fā)器產(chǎn)冷量，單位為kW；2K蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)，單位為kW/m· ;2F蒸發(fā)器空氣側的傳熱面積，單位為m； t m沿氣流方向蒸發(fā)器表面與空氣流之間的對數(shù)平均溫差，對數(shù)平均溫差可按下式計算：t 1 -t 2? t m =t 1 -t 0lnt 2 -t 0式中 t1蒸發(fā)器進口空氣溫度，單位為；t2蒸發(fā)器進口空氣溫度，單位為；t0蒸發(fā)溫度，單位為；蒸發(fā)器傳熱系數(shù)K 值取決于蒸發(fā)器材料的導數(shù)系數(shù)及結構。常見的蒸發(fā)器結構中，管帶式K值比管片式較高。計算出蒸發(fā)器所需的換熱面積，還要確定迎風面積與排深的比例關系。在不增加風阻的條件下，可減少迎風面積，增加排深。冷凝器型式選擇與計算冷凝器的作用是把壓縮機排出的高溫、高壓制冷劑氣體在冷凝器中液化為高溫高壓的液體，而將相變產(chǎn)生的熱量散發(fā)給周圍的空氣。汽車空調(diào)冷凝器有管片式、管帶式及平行流式三種結構形式，其中平行