空调系统研究 开题报告.docx

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空调系统研究开题报告

题目:

电动汽车空调系统设计

学院:

电气专业:

电力电子与电能转换姓名:

桑斯日学号:

一.课题背景:

传统的燃油汽车由于消耗大量的石油,对环境造成了严重的污染,在日益注重环保的今天,电动汽车由于具有无任何排泄物、不污染环境、噪声低及不消耗石油资源等特点,受到了全世界广泛的关注。

尤其就是奥运会与世博会即将在我国举办,我国也投入了大量的人力、物力进行电动汽车的开发与研制,取得了大量的成果,并且成功开发出了性能良好样车。

为了给电动汽车创造一个舒适的驾驶与乘坐环境,在开发与研制电动汽车同时,必然也要对其配套的空调系统进行开发与研制。

电动车与传统汽车的驱动动力不同,使得它们的空调系统也有很大的区别:

电动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,

电动车的空调系统必须自身具有供暖的功能,即要求我们采用热泵型空调系统。

同时,压缩机也只能采用电机直接驱动,结构上与现有的压缩机型式不完全相同。

由于用来给热泵空调系统提供动力的电池主要就是用来驱动汽车的,空调系统能量的消耗对汽车每充一次电的行程的影响很大。

如果电动汽车仍采用现有能效比较低的空调系统,将要求耗费10%以上的电功率,这就意味着不就是增加电池的制造成本就就是降低电动汽车的驱动性能指标。

在开发电动车热泵空调系统的时候,必须全面考虑这些特点。

二.文献综述:

电能驱动相对于传统的燃油发动机驱动,总的能量利用率更高（电动汽车的能量利用率大概为17、8%,燃油汽车的能量利用率大致为10、3%）,而空调系统就是电动汽车功耗最大的辅助子系统,它的功耗占所有辅助子系统功耗的60%~75%,因此电动空调系统的使用相对提高了能量利用率。

有资料显示,在炎热的夏天,比起发动机驱动的空调装置来,由电动机驱动的空调装置所消耗的能量要少20%。

传统汽车与电动汽车空调系统区别在于:

电动汽车没有发动机的余热可以利用或者不能完全利用发动机的余热,需采用热泵型空调或辅助加热器;电动空调压缩机可以采用电动机直接驱动,但对压缩机高转速与密封性的要求较高。

相比传统空调系统,电动空气调节系统在环境保护,前舱结构布置以及车厢舒适性等各项指标上均处于优势,其优点如下:

1）电驱动压缩机空调系统可以采用全封闭的HFC134a（目前主要汽车空调用制冷剂）系统及制冷剂回收技术,整体的高度密封性可以减小正常运行以及修理维护式制冷剂的泄漏损失,从而减少了对环境的污染。

2）电动空调的压缩机靠电动机驱动,因此可以通过精确的控制以及在常见热负荷工况下的高效率运行来降低空调系统的能耗,从而提高整车的经济性。

电动压缩机相对于传统机械式压缩机效率较高,也可以减少能量消耗。

3）采用电驱动,噪音较低,可靠性更高,使用寿命长,故障率低。

4）对于一体式电动压缩机,取消了发动机与压缩机之间的传动皮带,没有了张紧件的质量,相对于传统结构减少了整车质量。

5）可以在上车之前预先遥控启动电动空调,对车厢内的空气进行预先调节,相比传统空调可增加乘客的舒适性。

三.研究方法:

1、电动车空调方案的介绍

对于电动空气调节系统,目前采用的方案主要包括电动热泵式空调系统,电动压缩机制冷与与电加热器混合调节空调系统。

1）电动汽车热泵式空调系统

由皮带驱动的直流无刷电机的电动汽车热泵式空调系统。

其工作原理如图1所示,空调系统的制冷/制热模式由四通换向阀转换,实线箭头表示制冷工况,虚线箭头表示制热工况。

从原理上讲,该系统与普通的热泵空调并无区别,但就是用于电动车辆上,其专门开发了双工作腔滑片压缩机、直流无刷电动机与逆变器控制系统。

在热泵工况下,系统从融霜模式转为制热模式时,风道内换热器上的冷凝水将迅速蒸发,在挡风玻璃上结霜,影响驾驶的安全性。

还有其采用的制冷剂为CFC12,已经不能满足环保法规的要求。

电装公司开发的采用HFC134a制冷剂的电动汽车热泵空调系统,其在热泵系统的风道中采用了车内冷凝器与蒸发器的结构,如图2所示。

制冷工况循环为:

由压缩机经四通阀至车外冷凝器,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、车外冷凝器、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。

2）电动压缩机制冷与电加热器制热混合调节空调系统

目前传统燃油车辆的空调装置以及热泵空调同时具有制冷与加热的能力。

对于纯电动汽车来说,没有发动机,也没有发动机废热可以利用。

采用该设计方案,制冷由电机驱动压缩机执行,制热由专门加热装置来实现。

相比热泵式空调系统,该方案对整车结构改变较小,制冷工况的实现通过采用电动压缩机取代机械式压缩机即可实现。

目前最成功的混合动力车型丰田PRIUS采用的就就是该种方案,空调为电动空调,暖风为PTC暖风,制冷制热迅速。

该空调系统可以在发动机不起动的情况下正常运行,满足乘员的舒适性要求。

对于电动汽车以及采用42V电源的传统燃油汽

车,如果采用电动空调系统,图4即可作为供选择的供电方式之一。

电池组的直流电经逆变器后为空调压缩机驱动电机供电,空调电机带动压缩机产生制冷效果。

控制器将传感器送来的电池组电量信号以及温度控制信号进行处理后,通过输出端控制驱动逆变器,从而通过驱动电机控制压缩机的功率、转速。

2.空调系统参数匹配与设计计算

1）空调系统制冷负荷的计算

空调的制冷负荷就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。

车室的热量主要包括以下几部分:

车身不透明围护结构的逐时传人热量、车窗玻璃的逐时传人热量、乘员散发的热量、车室外空气带人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的热量后,可采用Z传递函数法计算得到空调系统制冷负荷。

车室的热量Q（Z）与制冷负荷

的关系式为:

（1）

式中.G（z）为车室的热量与制冷负荷的z传递函数。

将式中各项皆用Z的负幂多项式表示,则有:

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

时刻制冷负荷的计算公式:

（5）

由于Z变换系数

收敛很快,只需取2～3项就可以满足工程要求,于就是得到计算制冷负荷的简化式为:

（6）

不同的得热形式对应不同的

值,

.与车室与空调情况有关,在确定各系数后就能计算出任意

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人的热量按式（6）转化为制冷负荷值。

乘员与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,而由通风换气与密封泄漏带人的热量全部由对流换热产生,所以得热量即等于制冷负荷。

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所示,其中各状态点参数如表所列:

压缩机所需的轴功率:

（7）式中

为压缩机的机械效率;

为压缩机的指示效率。

压缩机排量:

（8）式中,

为输气系数;

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,而电动压缩机就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

来匹配压缩机排量。

3）实例分析

以一辆乘员为五人的轿车为例,计算了制冷负荷,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。

该车车体结构材料导热参数如表所列。

结合车身各传热部分面积,最后计算结果为:

车身传热热负荷Q1=725W;车窗玻璃传热热负荷Q2=1820w换气热负荷Q3=1190w司乘人员热负荷Q4=400w动力舱传入车厢的热负荷Q5=150w总共热负荷为4285w

4）空调系统参数匹配

蒸发器热负荷即为整车车厢热负荷,后者不就是恒定值,在计算值上下波动,

参考汽车空调设计手册,在此取波动上限值为计算值的1.1倍,即4700w。

故在特定的空调计算工况下,取压缩机转速及蒸发器热负荷两个变量r计算压缩机驱动电机功率、压缩机排量以及冷凝器热负荷,计算所得见下表

由计算所得可以瞧出,电机功率、冷凝器热负荷与压缩机转速无关,只与蒸发器热负荷有关。

而压缩机计算排量随压缩机计算转速增大而减小,随蒸发器计算热负荷增大而增大。

根据系统平衡计算,并经综合考虑,如要达到制冷目标,主要单体性能要求如下:

电机功率3、2kw;

电机额定电压288V;

压缩机排量55ml／r;

冷凝器热负荷不小于7300w;

蒸发器热负荷不小于4700w。

5）动空调控制系统

该电动空调的控制系统就是我这次毕业设计的主要研究方向,首先介绍一下电动空调的两种调速模式:

一种就是定速模式,另

一种就是变速模式。

定速模式就是指在电动空调系统工作的情况下,压缩机驱动电机始终以恒定转速运转,该转速的选择可以参考压缩机以及驱动电机的高效转速区。

而变速模式就是指在电动空调系统工作的情况下,压缩机驱动电机的转速可以调节以适应整车行驶工况并达到节约车载能源的目的。

在变速模式下,电动压缩机可以低速启动,以降低启动电流,减少功率消

耗。

起动之后,可以由低速状态快速转入高速状态,利用短时间达到车厢设定温度后。

低于设定温度之后,电动压缩机便开始以低速工作,在此种功率消耗最小的状态下,保持车厢温度恒定。

为了保证主驱动系统以及空调系统的正常工作,在变速摸式下,还可以根据几种特殊整车行驶工况,对压缩机驱动电机转速进行控制:

（1）上车前静止工况。

在上车之前预先遥控启动电动空调,对车厢内的空气进行预先调节,电机以设定高转速运转,为车厢制冷。

（2）长时间低速行驶工况。

电动空调匹配在平台车型上后,冷凝器位于电

机散热器的前面,迎面风在冷却冷凝器器后用以冷却散热器,如果车辆在较长时间内以低于5km／h的慢速行驶,散热器将由于迎风面积减少而使电机冷却液温度上升,造成电机过热,此时调节压缩视驱动电机转速为零,使制冷系统停止。

（3）加速、爬坡行驶工况。

加速、爬坡行驶时,主驱动电机处于大功率工况,电池以大电流放电,母线负载较大,此时控制压缩机驱动电机,调低其转速,通过牺牲短时间的舒适性来避免电源过大电流放电。

当电子油门踏板达到其行程的90％时,油门踏板触碰到微动开关信号发生器,发生器发出信号通知控制系统调低压缩机驱动电机转速。

总之,变速模式可以根据整车行驶工况以及车厢温度变化相应的调节压缩机的转速来达到控制要求,这就避免了运行参数的单一化而带来能源浪费,从而达到满足整车行驶要求以及节能的效果。

在确定了使用变速空调系统后,我们需要对电动空调系统进行整体的控制,从而最终实现舒适性与节能性这两个极其重要的指标。

电动空调控制系统通过接收系统的压力、温度传感器的信号以及环境温度信号,通过控制系统计算处理之后,最终实现对电动压缩机转速的控制。

思路如下图:

首先,车室热负荷模块根据输入的参数计算在一个步长内车室的热负荷;同时,控制系统根据温差及其变化率,控制电动压缩机所需要的转速与

转矩,并将所得转速与转矩传入电动空调模块;电动空调模块利用传递过来的转速与转矩,计算出在这个步长内需要的制冷量。

然后,从车室热负荷模块计算的车室热负荷中扣除该制冷量,并根据剩余热量计算出当前车室内的实时温度;再将当前车室内温度反馈到模糊控制系统进行下一个步长的控制,如此循环。

最后使车室温度达到设定的舒适温度。

四.预期成果:

基于这次毕业设计的主要研究方向就是电动空调的控制系统,所以我的预期成果就是可以设计出一个电动空调控制系统的模型,能够检测出环境温度并在将其转化为电信号后,计算出所需要的电机转速指标并输出电信号控制电机以需要的功率运行。

五.参考文献:

[1]陈清泉,孙逢春,祝嘉光、现代电动汽车技术、北京:

北京理工大学出版社,2002;124-128、

[3]潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术教程。

北京:

电子工业出版设,2005;115-122.

[4]陈江平,陈芝久.电动车空调系统及其控制方法的研究.上海市制冷学会2005年学术年会论文集。

2005:

272-274.

[5]吴坚,赵英觊。

计算机控制系统.武汉;武汉理工大学出版社,2002:

247-249.

[6]陈孟湘.汽车空调.上海;上海交通大学出版社,2001:

59-63.

[7]刘向农.汽车空调制冷系统匹配研究:

[硕士学位论文].合肥:

合肥工业大学低温与制冷工程,2002.

毕业设计（论文）进度安排:

序号

毕业设计（论文）各阶段内容

时间安排

备注

1

收集查阅有关电动汽车书籍文献资料,进一步熟悉相关理论知识。

3月1日到3月7日

2

与指导老师交流并完成开题报告。

3月7日到3月16日

3

开始设计空调系统

3月22日到4月中旬

4

初步完成毕业设计

4月中旬到5月下旬

5

根据指导老师的评阅与意见完成毕业论文。

5月下旬到6月初

6

准备毕业答辩。

6月初

指导教师意见:

指导教师签名:

审核日期:

年月日