傳統(tǒng)的汽車空調(diào)技術(shù)已經(jīng)不能滿足新能源汽車的需要。作為未來主要的發(fā)展車型，擁有一套節(jié)能高效的電動空調(diào)系統(tǒng)對開拓電動汽車市場是至關(guān)重要的。將空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用到電動車汽車上，并減少其對電動汽車電池的動力性能和續(xù)駛里程的影響，使得電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)以及電池冷卻的匹配設(shè)計(jì)成為開發(fā)電動汽車的一個(gè)難題。

純電動汽車沒有發(fā)動機(jī)為空調(diào)壓縮機(jī)提供動力源，也沒有利用傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的余熱供熱，因此就不能直接使用傳統(tǒng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)，而需要采用新的能源即電能作為動力源。

電動汽車的主要?jiǎng)恿υ淳鶃碜噪姵亟M，溫度是制約電動汽車性能提升的關(guān)鍵因素，高溫對動力電池有雙重影響。有研究表明，在 45 ℃的環(huán)境溫度下工作時(shí)，鎳氫電池循環(huán)次數(shù)大約減少 60％。在高倍率充電時(shí)，溫度每升高 5 ℃，電池壽命減半。目前電池對環(huán)境溫度要求非?？量?，必須對其進(jìn)行熱管理，使其工作在最佳狀態(tài)。

為開發(fā)與電動汽車相匹配的空調(diào)系統(tǒng)，將其恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用到電動汽車上，并且減少其對電動汽車電池的動力性能和續(xù)駛里程的影響，同時(shí)保證電池組的冷卻，使其在合適的溫度范圍內(nèi)，提高能源的利用率，筆者搭建電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的試驗(yàn)臺架，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析，掌握電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)電動汽車車型的空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)提供參考。

電動空調(diào)系統(tǒng)

1、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)整車行駛條件和環(huán)境溫度，筆者所研究的電動汽車電池工作在0~50 ℃范圍內(nèi)，最佳工作溫度范圍為20~30 ℃。所以將筆者所研究的電動汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成雙蒸發(fā)器的冷卻循環(huán)：一個(gè)蒸發(fā)器布置在駕駛艙的空調(diào)箱內(nèi)，滿足乘員的舒適度要求，稱為單空調(diào)系統(tǒng)（單HVAC系統(tǒng)）；另一個(gè)蒸發(fā)器（電池?zé)峤粨Q器）布置在地板下，冷卻動力電池，稱為單chiller系統(tǒng)。

圖1 電動空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，左側(cè)為電動空調(diào)系統(tǒng)，右側(cè)以chiller作為連接，將制冷劑中的冷量傳遞給電池冷卻液（水和乙二醇的混合物）。

2、工況條件的確定

根據(jù)電池供應(yīng)商提供的資料，單塊磷酸鐵鋰電池的性能參數(shù)如表1所示。

表1 單塊磷酸鐵鋰電池的性能參數(shù)

由試驗(yàn)測得電池充電時(shí)電池生熱功率為

單位體積電池的生熱功率為

式中：Φ 為電池的生熱功率（W）；I 為電池的電流強(qiáng)度（A），充電為正，放電為負(fù)；R z為電池內(nèi)阻（Ω）；T 為電池的熱力學(xué)溫度（K）；E 0為單體電池兩端的電壓（V）；V 為單體電池的體積（m3）；φ 為單位體積電池的生熱功率（W/m3）。由此可以計(jì)算單體電池在不同充放電電流下單位體積生熱速率，如表2所示。

表2 單位體積電池的生熱速率

電池的最佳運(yùn)行溫度大致為25 ℃，在夏季，考慮從38 ℃降低到25 ℃，所需要的熱量(W)為

式中：C 為磷酸鐵鋰電池的比熱容（J/（kg·℃））；M 為電池的質(zhì)量（kg）；t h為環(huán)境溫度（℃）；t 0為電池最佳運(yùn)行溫度（℃）；N 為電池總塊數(shù)；τ 為排熱時(shí)間（s）。因須20 min內(nèi)將熱量排出,可得Q 1=1 257 W。

電池內(nèi)部產(chǎn)熱量為Q 2=561 W，取電池總傳熱量為Q，且Q =Q 1+Q 2=1 818 W?？紤]到換熱過程中的熱損失，引入修正系數(shù)k，可取k=1.0～1.2，這里取k =1.1。故電池?fù)Q熱量為Q =2 000 W。

電池?zé)峤粨Q器使制冷劑R134a在其內(nèi)蒸發(fā)并吸收冷卻液的熱量，冷卻液再冷卻電池冷卻循環(huán)系統(tǒng)中的熱源電池。此熱交換器有4個(gè)接口：2個(gè)水管路接口，2個(gè)空調(diào)管路接口。電池?zé)峤粨Q器相當(dāng)于一個(gè)蒸發(fā)器，不同的是傳統(tǒng)的蒸發(fā)器冷卻空氣，而此熱交換器冷卻電池水回路中的冷卻液，再通過水泵將冷卻液輸入電池冷卻板中，使電池保持在一個(gè)合適的溫度范圍內(nèi)。電池?zé)峤粨Q器制冷量為Q c，其與電池的換熱量Q 是一致的，所以電池?zé)峤粨Q器制冷量Q c=Q =2 000 W。根據(jù)實(shí)際整車運(yùn)行情況選用16片的板式換熱器。