新能源汽車半導(dǎo)體空調(diào)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 巖 李琳燁 張青松

（承德應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，河北 承德 067000）

1 概述

在綠色低碳的趨勢(shì)下，新能源汽車成為我國(guó)發(fā)展的重點(diǎn)方向。新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的工作由動(dòng)力電池替代發(fā)動(dòng)機(jī)，在新能源汽車使用空調(diào)時(shí)影響其動(dòng)力性與續(xù)航里程。光伏電池將光轉(zhuǎn)為直流電供半導(dǎo)體制冷組成的制冷系統(tǒng)引入新能源汽車空調(diào)中，半導(dǎo)體制冷過(guò)程不使用制冷劑，在提高新能源汽車動(dòng)力性的同時(shí)節(jié)能環(huán)保。

目前，王曉?shī)蟮萚1]對(duì)于針對(duì)汽車，設(shè)計(jì)并搭建光伏板半導(dǎo)體制冷空調(diào)系統(tǒng)，并通過(guò)仿真模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了車用半導(dǎo)體制冷空調(diào)的可行性。我國(guó)甘蕓華[2]將半導(dǎo)體空調(diào)引入微型電動(dòng)汽車，根據(jù)微型汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)，為電動(dòng)車空調(diào)方案提供參考。

在國(guó)外Kashif Irshad[3]利用光伏電池板與半導(dǎo)體制冷片相結(jié)合，設(shè)計(jì)空調(diào)墻體，實(shí)驗(yàn)表明：半導(dǎo)體片在9A 電流時(shí)，室內(nèi)外溫差最大為6.8℃。Liu[4]等利用光伏板和半導(dǎo)體設(shè)計(jì)了制冷空調(diào)，這種新型制冷空調(diào)可供應(yīng)熱水，實(shí)驗(yàn)表明:空間制冷系數(shù)可達(dá)4.51，在水加熱后性能可達(dá)3.01。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在光伏半導(dǎo)體制冷方面都有一定的研究，由于制冷片的制冷量較小，易受外界環(huán)境因素變化影響，制冷效果不穩(wěn)定。與之相比，半導(dǎo)體空調(diào)作為輔助制冷聯(lián)合壓縮機(jī)工作，提高制冷效果穩(wěn)定性。

本文從半導(dǎo)體片制冷的效果與制冷特點(diǎn)，設(shè)計(jì)搭建光伏發(fā)電供半導(dǎo)體車用空調(diào)，并與新能源汽車原有空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合使用，提高新能源汽車在使用空調(diào)時(shí)的續(xù)航里程與動(dòng)力性。

2 光伏發(fā)電及空調(diào)制冷原理

2.1 光伏電池板發(fā)電原理

光伏發(fā)電利用半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)。太陽(yáng)能輻射直接轉(zhuǎn)為電能的半導(dǎo)體關(guān)鍵器件為光伏電池[5]。

2.2 半導(dǎo)體制冷原理

在直流電通過(guò)兩種不同材料的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體組成的閉合回路時(shí)，在產(chǎn)生焦耳熱現(xiàn)象外，在不同材料的導(dǎo)體兩端的對(duì)接點(diǎn)，分別產(chǎn)生吸熱和放熱的現(xiàn)象，此現(xiàn)象稱為帕爾貼效應(yīng)[6]。

2.3 新能源汽車空調(diào)制冷原理

新能源汽車采用壓縮機(jī)式空調(diào)制冷，其原理是壓縮機(jī)將從蒸發(fā)器出來(lái)的低溫低壓制冷劑壓縮成高溫高壓的過(guò)熱蒸氣，過(guò)熱蒸氣從壓縮機(jī)出來(lái)后進(jìn)入冷凝器。高溫高壓的過(guò)熱蒸氣溫度高于外接環(huán)境溫度，且其壓力使制冷劑能在低溫下冷凝成液體狀態(tài)，在冷凝器內(nèi)，高溫高壓的氣體成為高壓常溫液體。常溫高壓的液體經(jīng)過(guò)膨脹閥，使得壓力下降的同時(shí)，液體因沸騰蒸發(fā)而吸收周圍環(huán)境熱量，使得周圍空氣溫度下降來(lái)達(dá)到制冷降溫的目的。

3 光伏半導(dǎo)體空調(diào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成

新能源汽車空調(diào)輔助系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由光伏電池板、太陽(yáng)能控制器、蓄電池、半導(dǎo)體制冷片、溫度測(cè)量?jī)x和汽車空間模型組成，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成如圖1 所示。

圖1 光伏半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備選型（表1）

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備選型

熱端風(fēng)扇電壓對(duì)系統(tǒng)制冷性能的影響：

根據(jù)李國(guó)超[7]對(duì)制冷空間冷負(fù)荷的計(jì)算評(píng)估，制冷空間從30℃降到20℃的冷負(fù)荷為102W，根據(jù)預(yù)估冷負(fù)荷得到的制冷元件的選型如下：

光伏電池板的選擇：根據(jù)承德當(dāng)?shù)氐墓庹諒?qiáng)度情況以及實(shí)驗(yàn)用電量需求，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇功率為2 塊200W 多晶硅電池板，且電池板安裝角度為30°。

圖2 太陽(yáng)能控制器實(shí)物

實(shí)驗(yàn)用制冷空間為模擬新能源汽車空間制作，采用泡沫板制作而成，其尺寸按照北京新能源汽車EV360 試車：模擬空間比例1:0.5 制作而成。制冷空間實(shí)物如圖3-5。

圖3 蓄電池實(shí)物

為了滿足制冷實(shí)驗(yàn)需求，采用型號(hào)為TEC1-12708 制冷片進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。該制冷片為冷熱兩端帶陶瓷絕緣片的單級(jí)半導(dǎo)體制冷片，選取4 片即可滿足預(yù)估冷負(fù)荷需求。制冷片參數(shù)如表2。

圖4 測(cè)溫儀器實(shí)物

圖5 制冷測(cè)試空間

表2 半導(dǎo)體制冷片參數(shù)

3.3 光伏半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)與壓縮機(jī)空調(diào)結(jié)合設(shè)計(jì)

減緩新能源汽車使用電動(dòng)壓縮機(jī)空調(diào)對(duì)續(xù)航里程的消耗,以及電動(dòng)壓縮機(jī)空調(diào)制冷劑的對(duì)環(huán)境的危害，將半導(dǎo)體制冷裝置引入新能源汽車車內(nèi)，由于半導(dǎo)體制冷片的制冷量不足以位置整個(gè)車內(nèi)熱負(fù)荷，所以只能對(duì)空調(diào)制冷起到輔助作用。半導(dǎo)體制冷片安裝與空調(diào)風(fēng)道總口上，在空調(diào)的風(fēng)道內(nèi)安裝四個(gè)半導(dǎo)體制冷片。

半導(dǎo)體制冷裝置如圖6 所示是由半導(dǎo)體制冷片、水泵、散熱水排、風(fēng)扇、導(dǎo)熱片、出風(fēng)口和水箱組成。制冷片分為熱端與冷端，與散熱水排連接為熱端，通過(guò)水將熱端熱量傳到散熱水排，通過(guò)水排將熱量散到環(huán)境中，水泵的作用是將水箱內(nèi)的水在系統(tǒng)中循環(huán)，冷端與出風(fēng)口相連，制冷片的冷風(fēng)由風(fēng)扇送入出風(fēng)口進(jìn)入車內(nèi)。

圖6 半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)示意圖

新能源汽車傳統(tǒng)空調(diào)半導(dǎo)體制冷輔助系統(tǒng)，如圖7 所示包括控制器、溫度傳感器、半導(dǎo)體制冷裝置、汽車蓄電池、太陽(yáng)能蓄電池、光伏板、電動(dòng)壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、變頻器、出風(fēng)口。

圖7 光伏半導(dǎo)體空調(diào)輔助系統(tǒng)示意圖

太陽(yáng)能供電裝置包括與控制器1 電性連接的太陽(yáng)能蓄電池5，太陽(yáng)能蓄電池5 還連接有安裝在車頂上的光伏板6，光伏板6 傾斜設(shè)置，并且在光伏板6 上增加光敏元件，通過(guò)光敏元件控制光伏板6 下的角度轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，使光伏板6根據(jù)太陽(yáng)位置調(diào)整位置?？刂破? 電性連接有電動(dòng)壓縮機(jī)7，電動(dòng)壓縮機(jī)7 連接有兩個(gè)冷凝器9 和蒸發(fā)器8，控制器1和電動(dòng)壓縮機(jī)7 之間設(shè)有變頻器10，兩個(gè)冷凝器9 分別與電動(dòng)壓縮機(jī)7 連接，提高搭載半導(dǎo)體制冷輔助系統(tǒng)后現(xiàn)有空調(diào)機(jī)制的制冷和換熱效率。

車廂內(nèi)設(shè)置的溫度傳感器2 由PLC 控制，判斷在電動(dòng)壓縮機(jī)7 工作時(shí)車內(nèi)溫度是否為人體舒適溫度，若車內(nèi)溫度下降為人體舒適溫度，則電動(dòng)壓縮機(jī)7 停止工作，半導(dǎo)體制冷輔助系統(tǒng)開(kāi)始工作，實(shí)時(shí)控制，保持溫度恒定。

半導(dǎo)體制冷輔助系統(tǒng)打開(kāi)后，判斷當(dāng)前溫度是否在設(shè)定人體舒適溫度溫度區(qū)間內(nèi)，同時(shí)判斷光伏板6 上的光照強(qiáng)度,是否需要給汽車蓄電池4 充電，光伏板6 電流不足時(shí)，則啟動(dòng)汽車蓄電池4 作為主要能源進(jìn)行供電。若高于人體舒適溫度，則半導(dǎo)體制冷輔助系統(tǒng)停止工作，電動(dòng)壓縮機(jī)7空調(diào)開(kāi)始工作。

4 太陽(yáng)能半導(dǎo)體空調(diào)輔助系統(tǒng)性能測(cè)試

4.1 新能源汽車壓縮機(jī)空調(diào)耗能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)將以新能源汽車如圖8 所示為對(duì)象，測(cè)試開(kāi)啟新能源汽車壓縮機(jī)空調(diào)實(shí)際的消耗里程數(shù)。通過(guò)儀表盤(pán)如圖9 所示中得到續(xù)航里程等數(shù)據(jù)。

圖8 新能源汽車實(shí)物

圖9 新能源汽車儀表盤(pán)實(shí)物

測(cè)試過(guò)程中，環(huán)境溫度測(cè)得28℃，開(kāi)啟汽車電源，汽車檔位至于P 檔，車速為0km/h，將空調(diào)A/C 打開(kāi)，空調(diào)溫度調(diào)至最低，測(cè)試三種不同風(fēng)速檔位下，空調(diào)使用的消耗續(xù)航里程數(shù)。得出數(shù)據(jù)如表3。

表3 使用空調(diào)消耗續(xù)航里程表

測(cè)試小時(shí)共用4 小時(shí)，在不同檔位出風(fēng)速度、相同出風(fēng)溫度下消耗的里程數(shù)，開(kāi)空調(diào)后每小時(shí)平均消耗續(xù)航數(shù)為6-8km。

4.2 半導(dǎo)體空調(diào)輔助系統(tǒng)測(cè)試

將光伏發(fā)電半導(dǎo)體空調(diào)輔助系統(tǒng)組裝連接，如圖10 所示，測(cè)試環(huán)境溫度為28℃，整個(gè)系統(tǒng)置于室內(nèi)，測(cè)試環(huán)境溫度相對(duì)穩(wěn)定。在模擬車內(nèi)空間里放置半導(dǎo)體空調(diào)輔助系統(tǒng)，在半導(dǎo)體空調(diào)出風(fēng)口與車內(nèi)空間分別放置溫度測(cè)量?jī)x器。

圖10 光伏半導(dǎo)體空調(diào)輔助系統(tǒng)實(shí)物圖

接入半導(dǎo)體空調(diào)輔助系統(tǒng)工作，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)需要一定時(shí)間才能保持出風(fēng)溫度的穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)10min 的時(shí)間出風(fēng)溫度穩(wěn)定后，測(cè)試能維持車內(nèi)溫度時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如表4。

表4 輔助系統(tǒng)溫度測(cè)試表

通過(guò)1h 的時(shí)間測(cè)算，車內(nèi)溫度升高1.5℃，在輔助系統(tǒng)運(yùn)行20min 后溫度開(kāi)始升高，若對(duì)駕駛?cè)藛T局部降溫，半導(dǎo)體空調(diào)輔助系統(tǒng)可一直代替新能源汽車壓縮機(jī)空調(diào)使用，若對(duì)車內(nèi)溫度整體降溫，在空調(diào)輔助系統(tǒng)工作20min 后，壓縮機(jī)空調(diào)需要開(kāi)啟。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并搭建了新能源汽車半導(dǎo)體空調(diào)輔助系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)測(cè)試得出：在1h 內(nèi)，開(kāi)啟壓縮機(jī)空調(diào)消耗里程數(shù)在6-8km，接入半導(dǎo)體空調(diào)輔助系統(tǒng)后，若對(duì)駕駛員進(jìn)行局部降溫，可以直接關(guān)閉壓縮機(jī)空調(diào)，此時(shí)節(jié)省續(xù)航里程為6-8km，若考慮車內(nèi)整體溫度舒適性，在20min 中后，開(kāi)啟壓縮機(jī)空調(diào)，在1h 時(shí)間內(nèi)，節(jié)省續(xù)航2-3km，節(jié)約的續(xù)航里程占比為33%-37.5%。