基于24V鋰電的行駐一體式空調(diào)系統(tǒng)的研究

王鋒軍，李國(guó)慶，韓思捷，崔璇，陸冰清，施駿業(yè)*

（1-北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206；2-上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

“十三五”計(jì)劃明確指出節(jié)能減排和輕量化是汽車空調(diào)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)，重型卡車（重卡）的空中運(yùn)輸系統(tǒng)制冷能耗約占發(fā)動(dòng)機(jī)的10%，在保證空調(diào)制冷效果的前提下，降低能耗尤為重要[1-2]。

重卡作為中長(zhǎng)途物流的主要車型，其駕乘場(chǎng)景與空調(diào)的應(yīng)用場(chǎng)景大致分為以下三個(gè)部分：夜間停車休息、裝卸貨等待和怠速等待。具體應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。重卡的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性與駕乘舒適性要求比較突出，目前一般采用駐車空調(diào)[3-5]的技術(shù)路線來(lái)解決，現(xiàn)有解決方案分為頂置一體式、內(nèi)置分體式、雙模一體式和家用空調(diào)改制四大類，特點(diǎn)如表1所示。目前，常見(jiàn)的的駐車空調(diào)形式，無(wú)法在性能、成本、可靠性和經(jīng)濟(jì)性之間達(dá)到最佳配置，且普遍存在空調(diào)待機(jī)時(shí)間不足、啟動(dòng)電池易損和制冷功率不夠等問(wèn)題[6-7]。

表1 駐車空調(diào)特點(diǎn)

圖1 空調(diào)應(yīng)用場(chǎng)景

針對(duì)能耗和舒適性的研究，整車熱負(fù)荷一直都是影響能耗和熱舒適性分析的重要一環(huán)[8-9]。影響整車熱負(fù)荷的因素有很多，對(duì)于傳統(tǒng)車而言，整車熱負(fù)荷的大小主要與乘客艙內(nèi)外溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，車身材料、車輛速度、乘客艙內(nèi)電器總散熱量以及乘客總數(shù)有關(guān)[10-13]。

鑒于駐車空調(diào)的特點(diǎn)，本文基于24 V鋰電電池和電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)開(kāi)發(fā)了行駐一體式空調(diào)系統(tǒng)，并對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行了整車熱負(fù)荷分析和電平衡計(jì)算。研究表明：行駐一體式空調(diào)系統(tǒng)可以解決空調(diào)待機(jī)時(shí)間不足和制冷功率不夠等問(wèn)題，滿足整車制冷需求；同時(shí)采用24 V鋰電電池代替啟動(dòng)鉛酸電池，兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整車“減重節(jié)能”的目的。

1 系統(tǒng)架構(gòu)和控制原理

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)行駐一體空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如2所示。行車模式和駐車模式下系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3和圖4所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

圖3 行車模式下的系統(tǒng)架構(gòu)

圖4 駐車模式下的系統(tǒng)架構(gòu)

行車模式下，由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)24 V發(fā)電機(jī)發(fā)電，由24 V/48 V DC-DC進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，供給48 V電動(dòng)壓縮機(jī)工作，并給24 V鋰電池充電，空調(diào)為正常模式（不作功率限制），預(yù)計(jì)整車用電設(shè)備全開(kāi)情況下連續(xù)行車6 h，充滿24 V鋰電池，行車過(guò)程用電負(fù)載開(kāi)啟相對(duì)少時(shí)，相對(duì)會(huì)縮短充電時(shí)間。

駐車模式下，由24 V鋰電池或者外接電源給電動(dòng)壓縮機(jī)供電進(jìn)行工作，通過(guò)控制器策略，限定駐車空調(diào)工作模式下空調(diào)系統(tǒng)功率。駐車空調(diào)分為：日間降溫、日間維溫、夜間降溫、夜間維溫四種工況，日間降溫和日間維溫可連續(xù)使用3 h，夜間降溫和夜間維溫可連續(xù)使用5 h。

1.2 控制原理

整車空調(diào)控制通訊信號(hào)[13]如表2所示。系統(tǒng)控制拓?fù)鋱D如圖5所示。圖6所示為空調(diào)控制邏輯原理。

表2 整車空調(diào)控制信號(hào)

圖5 電子控制拓?fù)鋱D

圖6 空調(diào)控制邏輯原理

行駐一體式空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速判定行車或駐車模式；通過(guò)可見(jiàn)光傳感器判定日間或夜間模式；通過(guò)蒸發(fā)器溫度和車內(nèi)溫度計(jì)算并輸出壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速；通過(guò)行駐車狀態(tài)、鋰電池電量判定DC-DC工作狀態(tài)。行車工況下，空調(diào)系統(tǒng)有制冷請(qǐng)求時(shí)，AC發(fā)出制冷請(qǐng)求信號(hào)和DC-DC工作狀態(tài)信號(hào)給ECM和DC-DC，同時(shí)發(fā)出壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速給壓縮機(jī)，此時(shí)BMS控制鋰電池為充電模式；DC-DC升壓給電動(dòng)壓縮機(jī)供電，壓縮機(jī)收到制冷請(qǐng)求信號(hào)和目標(biāo)轉(zhuǎn)速值后工作。

駐車工況下：空調(diào)系統(tǒng)有制冷請(qǐng)求時(shí)，AC發(fā)出制冷請(qǐng)求信號(hào)和DC-DC工作狀態(tài)信號(hào)給ECM和DC-DC，同時(shí)發(fā)出壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速給壓縮機(jī)，此時(shí)BMS控制鋰電池為放電模式，壓縮機(jī)收到制冷請(qǐng)求信號(hào)和目標(biāo)轉(zhuǎn)速值后工作。

電能控制策略：為保證整車鋰電池發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)功能，增加鋰電池電池電量保護(hù)功能；保證行車模式下鋰電池充電功能，增加特殊工況下的壓縮機(jī)降轉(zhuǎn)速控制，夜間最高轉(zhuǎn)帶小于2 000 r/min，日間小于4 000 r/min；為保證駐車模式下的空調(diào)系統(tǒng)工作時(shí)長(zhǎng)，對(duì)駐車工況下的鼓風(fēng)機(jī)檔位、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速均做降功率處理。

2 整車熱負(fù)荷計(jì)算

本文的環(huán)境工況選擇國(guó)內(nèi)夏季工況38 ℃[14]。車身和環(huán)境參數(shù)如表3所示。

表3 車身和環(huán)境參數(shù)

2.1 空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷計(jì)算

汽車車體結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷QB：

式中，K為車廂傳熱系數(shù)，車頂、側(cè)圍傳熱系數(shù)一般取2.5 W/(m2·℃)；F為車廂結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面積，m2；Δt為車內(nèi)外溫差，℃；tR為車頂外部溫度，℃；tS為車身側(cè)面溫度，℃；t2為車內(nèi)目標(biāo)溫度，℃。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙傳入車廂的熱負(fù)荷QF：

式中，KF為發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱系數(shù)，取2.5 W/(m2·℃)；tF為發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度，取80 ℃。

通過(guò)地板傳入車廂的熱負(fù)荷QD：

式中，KD為地板傳熱系數(shù)，取2.5 W/(m2·℃)；tD為地板溫度，℃。

太陽(yáng)輻射熱（車窗和擋風(fēng)玻璃）QG：

式中，KB為玻璃傳熱系數(shù)，一般取5.5 W/(m2·℃)；η為太陽(yáng)輻射通過(guò)玻璃的透入系數(shù)，一般取0.84；ρ為玻璃對(duì)太陽(yáng)輻射熱的吸收系數(shù)，一般取0.08；I為太陽(yáng)輻射，一般取550 W/m2；Is為太陽(yáng)散射，一般取42 W/m2；S為遮陽(yáng)修正系數(shù)，6 mm吸熱玻璃取0.46；αB為內(nèi)表面放熱系數(shù)，一般取7.5；αH為外表面放熱系數(shù)，一般取3。

對(duì)于乘員人體放熱，人體時(shí)刻不停的進(jìn)行著生理活動(dòng)。這些生理活動(dòng)將不斷的產(chǎn)生熱量和水分，并將最終通過(guò)人體釋放到周圍的環(huán)境中，給汽車空調(diào)造成一定的負(fù)荷。對(duì)于人體熱負(fù)荷，其數(shù)值相對(duì)于其他負(fù)荷（如太陽(yáng)輻射熱負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷等）通常較小。其計(jì)算可根據(jù)乘客的身高體重等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，或直接查表得到[15]?；贗SO 8996的規(guī)定，對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行簡(jiǎn)化。本文中乘員為2人，其中一人為駕駛員，乘員的放熱量一般為150 W，駕駛員的放熱量一般為220 W，人體放熱總量為370 W。

新風(fēng)、漏風(fēng)熱負(fù)荷QX：

式中，V為漏風(fēng)量，取值22 m3/h；ρ為空氣密度，取值1.14 kg/m3；i1為外部空氣焓值，取值101 kJ/kg；i2為車內(nèi)空氣焓值，取值47.8 kJ/kg。

綜上所述，空調(diào)系統(tǒng)維溫工況下熱負(fù)荷為：

降溫工況下熱負(fù)荷為：

根據(jù)樣車性能參數(shù)和熱負(fù)荷目標(biāo)溫度設(shè)定值，部分溫度參數(shù)如表4所示。帶入上述公式后，可得出日間降溫和維溫、夜間降溫和維溫4種工況的熱負(fù)荷，計(jì)算結(jié)果如表5所示。由表5可知，日間工況和夜間工況的Q1分別為2 958.83 kW和1 231.79 kW；Q2分別為3 254.71 kW和1 354.97 kW根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，分解到空調(diào)蒸發(fā)器、冷凝器的熱負(fù)荷結(jié)果如表6所示。

表4 溫度參數(shù)值

表5 空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷

表6 蒸發(fā)器冷凝器熱負(fù)荷

2.2 壓縮機(jī)及換熱器選型計(jì)算

根據(jù)整車熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，駕駛室降溫需求從25~38 ℃，所需總制冷量3.2 kW，其中壓焓圖狀態(tài)點(diǎn)的確定如圖7所示。

圖7 空調(diào)系統(tǒng)工作壓焓圖

2.2.1 設(shè)計(jì)狀態(tài)參數(shù)的選定

1-2為等比熵壓縮過(guò)程；2-3為等壓冷凝過(guò)程；3-4為等比焓節(jié)流過(guò)程；4-1為等壓蒸發(fā)過(guò)程。冷凝壓力pd=1.67 MPa；蒸發(fā)壓力ps=0.196 MPa；吸氣溫度ts=5 ℃；排氣溫度td=85 ℃；蒸發(fā)器過(guò)熱度Sh=5 ℃；冷凝器過(guò)冷度Sc=10 ℃；

參照劉金偉等[16]的研究，各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)為：壓縮機(jī)吸氣點(diǎn)1的t1=ts=5 ℃，焓值h1=402 kJ/kg；比容v1=0.07 m3/kg；壓縮機(jī)排氣點(diǎn)2的t2=85 ℃，焓值h2=458.4 kJ/kg；3點(diǎn)的p3=pd=1.67 MPa，焓值h3=271.6 kJ/kg；4點(diǎn)的焓值h4=h3=271.6 kJ/kg。

2.2.2 制冷劑循環(huán)流量

質(zhì)量流量m：

式中，Q為系統(tǒng)制冷量，W。

體積流量V：

壓縮機(jī)排量qv：

式中，V為體積流量，取V=1 680 mL/s；n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，取n=4 000 r/min；ηv為壓縮機(jī)容積效率，渦旋式壓縮機(jī)取0.98，旋葉式壓縮機(jī)取0.8，活塞式壓縮機(jī)取0.6~0.65，本文選取0.9。

根據(jù)計(jì)算，系統(tǒng)質(zhì)量流量0.024 kg/s，體積流量1 680 mL/s，排量應(yīng)為28 mL/r，結(jié)合市場(chǎng)現(xiàn)有電動(dòng)壓縮機(jī)資源，選取27 mL/r排量壓縮機(jī)。其制冷性能參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 27 mL/r電動(dòng)壓縮機(jī)制冷性能

3 整車電負(fù)荷計(jì)算及發(fā)電機(jī)匹配

3.1 空調(diào)系統(tǒng)電功率計(jì)算

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)電器件的功率特性，可以計(jì)算出日間降溫（Daytime Cooling，DC）和維溫（Daytime temperature Maintenance，DM）、夜間降溫（Night Cooling，NC）和維溫（Night temperature Maintenance，NM）4種工況下的空調(diào)系統(tǒng)電功率值，如表8所示。

表8 空調(diào)系統(tǒng)電功率

3.2 鋰電池容量需求計(jì)算

根據(jù)整車性能指標(biāo)要求，車內(nèi)平均溫度需在0.75 h內(nèi)達(dá)到舒適值，此時(shí)間段為降溫工況，其余時(shí)間段為維溫工況。結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)駐車時(shí)長(zhǎng)（日間連續(xù)使用3 h，夜間連續(xù)使用5 h）的需求及維溫、降溫電功率計(jì)算結(jié)果可得，日間駐車鋰電池容量需要大于5.25 kW·h，夜間駐車鋰電池容量需要大于4.84 kW·h，見(jiàn)表9。

表9 電池容量計(jì)算

考慮駐車空調(diào)的實(shí)際使用工況，日間長(zhǎng)時(shí)間駐車工況使用較少，因此以滿足夜間駐車電池容量作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，鋰電池容量選型設(shè)定為4.8 kW·h。

3.3 電平衡匹配計(jì)算

整車電平衡設(shè)計(jì)原則是發(fā)電機(jī)必須在絕大多數(shù)運(yùn)行工況下，能夠給各用電設(shè)備提供足夠的電能，同時(shí)能保證給電池充電[17]。

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)所選零部件的功率負(fù)載及鋰電池容量，對(duì)整車電平衡進(jìn)行匹配計(jì)算。按整車新增用電器的總負(fù)荷計(jì)算發(fā)電機(jī)功率。

整車用電設(shè)備在不同場(chǎng)合[18]、不同氣候條件[19]下使用，一般不全部工作，而許多用電設(shè)備的工作時(shí)間長(zhǎng)短，取決于季節(jié)和環(huán)境的變化，對(duì)汽車在行駛中較為典型的用電情況進(jìn)行分析，大致可分為平常日間、平常夜間、夏季日間、夏季夜間、夏季雨夜、冬季日間、冬季夜間和冬季雪夜（表10）。

電氣系統(tǒng)負(fù)荷與用電設(shè)備的使用和工作狀態(tài)相關(guān)，用電設(shè)備工作狀態(tài)決定于季節(jié)、環(huán)境、交通狀況和個(gè)人使用習(xí)慣。為了分析計(jì)算方便，采用用電設(shè)備使用的頻度系數(shù)來(lái)計(jì)算整車的用電量，在傳統(tǒng)用電器功率和頻度不變的前提下，針對(duì)行駐一體式空調(diào)系統(tǒng)行車工況下電氣架構(gòu)增加的電動(dòng)壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)扇和DC-DC等用電量進(jìn)行電平衡計(jì)算，在日間6 h完成鋰電池充電，選擇180 A以上的發(fā)電機(jī)。按表10中使用頻度系數(shù)，“√”為使用，“×”為不使用，μo為與季節(jié)氣候無(wú)關(guān)頻度系數(shù)，即平常日間、夜間，μs為與夏季（日間、夜間和雨夜）相關(guān)頻度系數(shù)，μw為與冬季（日間、夜間和雪夜）相關(guān)頻度系數(shù)，計(jì)算出用電設(shè)備各工況功率（表11），“A類”為永久及長(zhǎng)期用電設(shè)備，“B類”為怠速提升。

表10 整車用電設(shè)備工況及使用頻度系數(shù)

表11 用電設(shè)備各工況功率計(jì)算

4 仿真分析及結(jié)果

4.1 整車降溫一維仿真分析及結(jié)果

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)擬選型的零部件參數(shù)[20]，進(jìn)行整車乘員艙降溫的一維KULI仿真分析，分別對(duì)系統(tǒng)降溫空氣側(cè)、制冷劑側(cè)和冷卻液側(cè)進(jìn)行模型搭建，根據(jù)模型參數(shù)擬合壓焓圖如圖8所示，與系統(tǒng)預(yù)選壓焓值誤差不超過(guò)1%，仿真分析結(jié)果基本契合系統(tǒng)真實(shí)降溫性能。仿真分析結(jié)果表明：在環(huán)境溫度38 ℃、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速4 500 r/min、鼓風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量的穩(wěn)態(tài)工況下，乘員艙室內(nèi)平均溫度隨時(shí)間變化曲線的仿真結(jié)果如圖9所示。降溫結(jié)果為45 min整車平均溫度將低至23 ℃以下，擬選擇的零部件性能滿足整車降溫性能需求。

圖8 KULI擬合壓焓圖

圖9 整車降溫性能曲線

4.2 整車電平衡仿真分析及結(jié)果說(shuō)明

根據(jù)整車電負(fù)荷計(jì)算及各用電器負(fù)載選型，用MATLAB仿真系統(tǒng)電能匹配模型表明，使用180 A發(fā)電機(jī)滿足整車低壓用電器負(fù)載正常工作，滿足DC-DC輸出功率給鋰電充電和電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)工作達(dá)到整車駕駛室舒適溫度。

5 臺(tái)架測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證行駐一體空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行性，按空調(diào)系統(tǒng)零部件選型搭載臺(tái)架，并依據(jù)各工況運(yùn)行條件增加模擬負(fù)載，模擬整車運(yùn)行中其它用電器耗電（如圖3所示）。臺(tái)架驗(yàn)證日間行車、日間駐車、夜間行車和夜間駐車4個(gè)工況。日間行車工況：壓縮機(jī)最高轉(zhuǎn)速4 500 r/min、鼓風(fēng)機(jī)最高8檔風(fēng)。日間駐車工況：壓縮機(jī)最高轉(zhuǎn)速4 500 r/min、鼓風(fēng)機(jī)最高8檔風(fēng)運(yùn)行20 min后調(diào)整為壓縮機(jī)最高轉(zhuǎn)速4 000 r/min、鼓風(fēng)機(jī)最高4檔風(fēng)運(yùn)行至鋰電保護(hù)。夜間行車工況：壓縮機(jī)最高轉(zhuǎn)速2 000 r/min、鼓風(fēng)機(jī)最高8檔風(fēng)。夜間駐車工況：壓縮機(jī)最高轉(zhuǎn)速2 000 r/min、鼓風(fēng)機(jī)8檔風(fēng)運(yùn)行20 min后調(diào)整為2 000 r/min、鼓風(fēng)機(jī)4檔風(fēng)，直至鋰電池保護(hù)。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表11，由表11可知，本設(shè)計(jì)方案基本滿足初期制定的整車降溫指標(biāo)、駐車時(shí)長(zhǎng)指標(biāo)及充電時(shí)長(zhǎng)指標(biāo)，其它指標(biāo)也在誤差范圍。

表11 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

本文基于24 V鋰電池的行駐一體式空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案，將行車與駐車空調(diào)的功能通過(guò)電動(dòng)化技術(shù)整合和功能集成，提升了整車的經(jīng)濟(jì)性與駕駛舒適性，并通過(guò)理論計(jì)算、仿真分析和實(shí)車驗(yàn)證的方式證實(shí)此方案的可行性，得出如下結(jié)論：

1）通過(guò)匹配4.8 kW·h鋰電池，可最終實(shí)現(xiàn)日間3 h、夜間5 h駐車的空調(diào)持續(xù)工作指標(biāo)；

2）采用電動(dòng)壓縮機(jī)，根據(jù)熱負(fù)荷需求精準(zhǔn)控制壓縮機(jī)的功率及轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)低功耗和低排放，在38 ℃環(huán)境溫度下頭部平均可降低至25 ℃以下，滿足全國(guó)絕大多數(shù)地區(qū)物流卡車的空調(diào)需求；

3）由于采用鋰電池代替啟動(dòng)鉛酸電池，作為電動(dòng)壓縮機(jī)的動(dòng)力源，既可以增加啟動(dòng)電池使用壽命，還可以拓展能量回收，節(jié)能高效；

4）采用電動(dòng)壓縮機(jī)及專用動(dòng)力電池，可提高壓縮機(jī)的容積效率和整車空調(diào)性能系數(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制而不需要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，降低能耗與噪聲；

5）由于采用DC-DC電源轉(zhuǎn)換控制模塊，可以實(shí)現(xiàn)外接市電充電及空調(diào)制冷功能。