车辆工程技术
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郑淳允
（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434）
摘 要：本文研究了针对纯电动汽车所设计的冷暖一体热泵空调系统，测试了在不同环境温度下，系统的制热效率以及制热量，然后将测试效果和PTC 制热进行了对比。结果证明，随着环境温度的降低，系统压力会减小，热泵的制热量也会有效减少，制热效率明显降低，而热泵的制热效率较PTC 的制热效率要大得多，足以证明，热泵空调系统在电动汽车上的应用具有较高的可行性。关键词：电动汽车；热泵空调系统；设计及试验
传统车载空调系统的制热原理是，充分利用发动机冷却液的循环实现车内环境的温控。电动车没有发动机，不能应用传统的车载空调系统的原理进行制热。在低温条件下，驾驶员可以利用车载的制热元件进行
制热，供驾驶员取暖，保证行车的安全性，提高车内环境的舒适度。所以，电动汽车必须创新相应的方法，实现制热功能。
1 电动汽车热泵空调系统设计方案
目前，制冷/采暖系统在电动汽车的设计中应用较为广泛，32cc 压缩机负责提供制冷剂循环动力，如图1所示，制冷/采暖系统主要由压缩机、室内、外换热器、膨胀阀、气液分离器等部件构成。如果系统以制冷模式进行运作，四通阀处于不通电的状态，气态制冷剂在低温低压的状态下，由压缩机压缩成高温高压气态制冷剂，然后进入到室外换热器，对中和外界空气形成对流换热后，转变为中温中压的液体，经过膨胀阀节流后，温度和压力有所降低，转变成为雾状继续进入到室内换热器，在室内换热器中，制冷剂会蒸发吸热，达到降低车内温度的作用，这个过程中，气体在室内换热器出口的温度和压力有所降低，进入到压缩机中，完成整个制冷循环。如果系统以制热的模式进行运作的时候，四通阀处于通电的状态，压缩机将具有一定温度和压力的气态制冷剂推入到室内换热器，这时，制冷剂所携带达到热量高
就会传递到车内，有效的实现室内制热，制冷剂经过膨胀阀的节流，压力降低后会进入到室外换热器，蒸发吸热，将环境中的热量带入到系统中，在压缩机的抽吸功能下，工质回到压缩机中，整个制热循环完成。
电动汽车热泵空调系统控制方案：通过应用空调控制器和CAN 通信可以实现整车控制器、压缩机之间信号的有效交互。根据空调控制器控制指令，整车控制器会对室外的传感器的温度和压力传感器的信号进行采集，配合控制电子膨胀阀的开度，实现制冷和制热的有效切换。在热泵控制系统中，四通换向阀与电子膨胀阀属于核心部分，本文针对这两个部件进行了具体的分析：（1）四通换向阀控制。作为独立受控的单元，四通换向阀会对主阀进行驱动，默认情况下，主阀的滑块会默认在右端，实现制冷循环的有效接通；通过四通换向阀将主阀移动到左端，实现制热循环的有效接通。①制冷请求：冷凝器C 端和压缩机排气端D 连接在一起，压缩机吸气端和蒸发器E 端连接在一起，就可以实现制冷。②制热请求：蒸发器E 和压缩机排气端D 连接在一起，压缩机吸气端和冷凝器C 端连接在一起，可以实现制热。（2）通过调整电子膨胀阀开度，控制液态制冷剂的膨胀。VCU 会对压缩机蒸发器出口的温度和压力信号进行读取，然后将实际的过热温度计算出来，和系统控制目标进行对比，根据目标过热度，自动的对
电子膨胀阀开度进行调节。
图1 热泵空调制热原理图
2 热泵空调系统的实验研究及分析
2.1 实验原理
组织整个实验系统，然后将其安装在实验台架上。将热电偶、压力变送器安装在双向膨胀阀的进出口、压缩机的进出口以及室内外换热器的进出口，然后将温湿度变送器安装在室内换热器的风道进出风口的位置，将电流变送器安装在稳压电源与控制器之间，然后将质量流量计安装在压缩机出口位置，然后将所有的变送器和无纸记录仪连接起来，并且将热电偶接到温度采集仪上，温度采集仪和无纸记录仪直接和电脑相连，可以将采集到的数据实时性的传输到电脑上。2.2 仿真计算 热负荷： 冷负荷：电池
公式中，C Q
为冷负荷；为太阳照射热量及辐射；m Q 为人体的
散热量；
为从室外渗入空气的热量；为从动力舱传入的热量；q Q 为从其他设备、仪器散发出的热量；电池Q 电池为电动车所需的电池。在对热、冷负荷进行估算完，并对车辆外循环确定的情况下，车辆的制热量大概为4.2kW，而制冷量大概为3.5kW。2.3 数据采集系统
温度测试系统主要由主机、温度采集模块以及热电偶组成，数据采集仪的主机和电网直接相连，通过操作电脑上的软件就可以对温控系统进行操作；温度采集模块分为20个通道，通过这些通道可以采集20路温度信息；T 型热电偶型号线径0.25mm，可以对-50～150℃之间的温度进行有效的测量。热电偶其中一段和温度采集模块的正极相连，另外一端为侧两端，在室内、外换热器的翅片上、压缩机进出口以及室内外热交换器的进出口的位置安装热电偶测量端，并且用胶带锡箔纸进行固定，然后外面裹上保温性的材料。2.4 热泵空调系统组件
为了更高的实现热泵空调系统功能性要求，注意根据热泵空调匹配计算结果，做好关键元件的选型，比如四通交换阀、车外换热器、电子膨胀阀等。
（1）车外换热器。其设计结构为垂直结构，通过应用小管径铜管铝翅片有效提高换热器的排水性能，推迟冷凝器结霜的时间，实际的换热能力超过了4.5kW。
（2）储液器。选择气液分离效率超过98%的微孔过滤分离型储液器，这类储液器可以做好完全、充分的吸收液体制冷剂，避免压缩机出现液击问题。 （3）电子膨胀阀。电子膨胀阀具有电磁阀和膨胀阀的所有工鞥呢，通过调节阀体的开度，可以对膨胀阀的流量进行控制。电子膨胀阀属于常开型的独立受控单元，膨胀方向是可逆的。在选择的时候，尽可能选择代用通信功能的电子膨胀阀。
（4）四通换向阀。四通换向阀通过调整制冷剂的流向，转换蒸发器和冷凝器的热交换方向。四通换向阀主要有三个部分构成：毛细管、四通气动换向阀以及电磁换向阀。四通阀的驱动由控制阀完成，通过合理的对电磁圈的通断，控制主阀的滑向滑块，进而完成制冷剂的换向。
2.5 实验结果与分析
热泵空调系统在运行的时候，压缩机进出口的位置分别为低压侧和高压侧，通过调整环境温度，促进压缩机可以在不同的环境温度下
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运行，当运行的状态稳定后，取稳定状态下的平均压力，如图2所示，系统高低压侧的压力会随着温度的升高而升高，但是高低压之间的压差会维持一个稳定的值。如果环境温度为零度，空调系统启动的时候，高低压之间的温度会产生瞬时的拜年话，高压通常在200s 升至最大值，然后状态稳定，但是波动情况较为严重；系统启动后，低压会继续下降，在200s 时压力开始出现回升，最终达到稳定的状态，波动情况较为轻微。如图3所示，环境温度相同，PTC 和热泵消耗功率相等的时候，热泵的制热量明显要大于PTC，而且，随着温度的不断提高，热泵的制热量也会越大。通过对比分析得知，在不同温度的环境下，PTC 的制热效率始终保持在0.9左右，而环境温度为-5℃时，热泵制热效率就已经达到1.55，环境温度升到5℃时，热泵制热效率可以高达2.3。因此在应用热泵的时候，可以通过提高环境温度，提高热泵的制热效
率。
图
2 系统压力与环境温度的关系
图3 热泵制热量与PTC 制热量的对比
3 结语
总而言之，热泵空调系统是由双蒸发器电动空调系统发展起来的，通过CAN 网路实现空调控制器、压缩机控制器之间的交互和互通，完成热泵空调系统的有效控制。试验证明，热泵空调系统的开发和应用完全满足既定要求。
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[3]金鹏.电动汽车热泵空调系统试验研究[D].华南理工大学,2015.
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4 绿汽车制造技术体系的完善途径
现阶段，中国节能汽车的绿汽车制造技术得到了迅猛发展，然而该技术的研发与应用仍处于起步阶段，与西方国家相比，在精密成形技术方面仍有所不足。因此，中国的汽车制造企业应多多关注国外的精密成形技术发展，并将之引入到国内汽车制造领域当中。如，目前西方发达国家的锻件技术应用目前已得到了普及，部分国外汽车企业逐步应用近净成形技术，此种技术具有极高的精密度，在近净成形设置过程中应用了冷热温锻技术，可实现钢材料的有效利用，进而使汽车制造效率得以大幅提升的同时可实现制造成本的有效节约。同时，中国的绿汽车制造技术虽然得到了应用与推广，与传统制造工艺相比，汽车制造过程中所消耗的材料得以有效节约，但与西方国家相比，资源消耗量相对较高，并且制造
效率较低，难以降低汽车制造成本。此外，部分汽车生产企业已将国外的锻件技术引入汽车制造当中，然而生产过程中的锻件生产质量仍与国外的标准有较大差距。基于此，汽车企业应积极将西方国家的精密成型技术引入国内，同时还要实现技术工艺与设备功能的匹配，并合理进行引入方案的设置，进而为中
国绿汽车制造体系的完善奠定基础，进而确保利用基于节能汽车的绿汽车制造技术所生产出的汽车质量可与时代发展需求相一致。
5 结语
在汽车制造领域，绿汽车制造技术的应用主要体现在汽车制造工艺的绿改造方面，同时还可对汽车车身材料以及零部件材料的生态设置进行优化。为了实现绿汽车制造技术体系的优化与完善，汽车制造企业应积极将国外的精密成形技术引入国内，以此促进中国绿汽车制造技术能力的优化与完善，进而推动中国汽车产业的发展与进步。
参考文献：
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图4 单对齿轮载荷分布率对比
3 结论
针对修形对齿轮啮合过程中齿面应力、载荷分布率的影响，本文
采用有限元方法，对其进行仿真分析，主要结论如下：
1）适当修形可有效降低齿轮在啮合过程中啮合点的冲击，减小齿面最大应力；
2）修形容易导致齿轮齿根弯曲应力增大，分析时要着重评估其是否安全；
3）适当修形可使齿轮啮合过程中，齿轮对的载荷分布率过渡更加平稳，进而减小齿轮的振动噪音。
参考文献：
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