集成電池冷卻功能的純電動客車空調結構設計探討

辛 偉，管慶禹，趙金剛

（山東朗進科技股份有限公司，山東 濟南 266400）

1 前言

客車空調自誕生以來，始終為提升居民乘車舒適性發(fā)揮著重要作用，已經逐漸成為整車不可缺少的一個重要部件。近年來，國內各大客車廠，紛紛響應國家政策號召，積極布局新能源客車的研發(fā)制造，如今純電動客車和燃料電池客車已經推廣普及，取代燃油燃氣客車的趨勢已經不可逆轉，這也給客車空調制造企業(yè)提出了更高的要求，單純的空調制冷功能已經無法滿足乘客、客車廠、運營公司的需要，空調制造企業(yè)需要站在市場需求的角度，更多的考慮空調集成熱泵功能，應用變頻節(jié)能技術，集成電池冷卻功能。

本文介紹一種集成電池冷卻功能的純電動客車空調的結構設計方案，主要從功能兼容性設計、機械接口設計、外觀設計、結構細節(jié)設計4大方面詳細介紹空調結構設計的思路和方法，希望能夠提升空調產品的功能集成性、接口兼容性、可靠性、可維修性等性能。

2 功能集成性設計

無論是純電動客車還是燃料電池客車，電池在正常的充放電過程中，都會產生熱量，導致電池溫度升高，需要對電池進行降溫處理，使電池始終工作在合理安全的溫度區(qū)間內，提升電池的性能和使用壽命。

目前給電池降溫普遍有兩種方案，獨立的電池水冷機組和頂置客車空調集成電池冷卻功能，后者因為可以降低整車的質量、節(jié)省整車安裝空間、采購成本低、安裝對接方便等優(yōu)點，得到客戶青睞，市場推廣迅速。

空調制造企業(yè)在新產品研發(fā)時，完全可以將頂置客車空調機組設計成集成電池冷卻功能的一體式空調機組，空調內部合理布置電池冷卻水路系統的水箱、水泵、板式換熱器及冷卻液管路等部件，并設計合理的部件安裝固定方式，預留水箱加液口等。根據不同客戶的具體要求，在標準配置基礎上做選配處理即可快速響應客戶需求。

圖1是一種集成電池冷卻功能的一體式客車空調機組示意圖。

圖1 集成電池冷卻一體式空調機組示意圖

3 機械接口兼容性設計

要保證空調機組的正確順利安裝，空調機組機械接口的設計非常重要?？蛙嚳照{與整車的機械接口主要包括4個方面，即客車空調的安裝固定、空調機組送風口及回風口的安裝密封、電池冷卻水路系統進出水管的安裝對接、空調機組高壓線束和低壓線束的連接。

其中，空調機組的安裝固定和風口密封對接，客車廠需根據空調的接口調整整車的安裝接口，空調可根據部件布局進行自主設計。不同客車廠同一長度的車型，整車電池的布置位置，整車多合一控制器的安裝位置不同，空調機組與整車端水路進出水管和高低壓線束的對接位置會有差別。這兩項接口的位置均布置在整車的兩側風道中，空調機組的送風口下方。為減少客車廠的頻繁改動，將空調機組的水冷系統進出水管接口和高低壓線束的接口位置設計成兩側送風口對稱布置，根據具體的項目要求，選擇相應的進出水管和高低壓線束對接位置即可。這樣可以減少客車廠的設計改動，提高訂單項目的執(zhí)行效率。

圖2是一種進出水管和高低壓線束接口兩側可選的客車空調機組機械接口示意圖。

圖2 空調機械接口示意圖

4 空調殼體材料選擇

客車空調殼體材料的選擇，對空調機組的外觀造型和空調機組的結構性能都起著至關重要的作用。

玻璃鋼材料質量輕、強度高，具有較好的耐候性和耐腐蝕性，非常適合戶外環(huán)境的應用，而且可以做出過渡平滑的流線型造型，非常適合空調機組的頂蓋。玻璃鋼材質頂蓋可進行二次加工制作，根據不同車頂弧度的圖紙匹配預裝效果，靈活裁切空調頂蓋兩側邊的高度尺寸，使空調安裝完成后，與車頂的縫隙均勻一致，保證整車的外觀更加勻稱美觀。玻璃鋼頂蓋的可視外表面為模具加工面，表面品質高，可根據具體車型的顏色要求，與整車一起噴涂。

鋁合金材料是一種質量輕、強度高、價格低廉的合金材料，可制造性可加工性強、批量化生產效率高，非常適用于空調機組底殼，與玻璃鋼材質的加工工藝相比，鋁合金材質加工的底殼主要有3大優(yōu)點。

1）空間利用率更高，不會存在因為增加強度而設計的空腔造型，不會存在因玻璃鋼脫模需要增加的脫模角度、工藝圓角等，可以最大程度地利用空間，增加空調部件安裝的可操作性。

2）加工精度高，玻璃鋼產品的模具會存在一定的變形收縮，制作的產品誤差大，一致性不強。手糊玻璃鋼產品的預埋標準件及開孔，為脫模后人工制作，精度很難保證，這些都給空調機組部件的裝配帶來很多不便，影響空調整機裝配線的生產效率。而鋁合金材質的殼體，采用激光切割下料、數控折彎、焊接鉚接成型等工藝加工制作而成，標準化程度高、產品尺寸精度準確、一致性好，適合大批量的流水線作業(yè)。

3）結構強度高，鋁合金材質的底殼可以設計成框架式結構，在空調設計階段，對空調底殼三維模型進行結構強度的有限元仿真分析，根據仿真結果，有針對性地進行相應的結構補強和優(yōu)化設計，保證空調底殼在滿足結構強度的前提下，做到質量最輕，為整車減負，增加電池的續(xù)航里程。

5 結構細節(jié)設計

當然，空調設計除了要從宏觀層面把控空調的功能性集成設計、接口兼容性設計、外觀造型美觀、結構強度可靠等，還要注重空調內部結構設計的細節(jié)，只有細化結構設計，才能保證空調功能的正常實現，保證空調使用的可靠性。下面分別從空調風場、空調密封、空調排水3個方面分別介紹空調結構設計方案。

5.1 風場設計

客車空調的風場設計主要包括兩方面，蒸發(fā)風場和冷凝風場。

從外界進入空調機組的新風和從客車內的回風混合后，通過蒸發(fā)器降溫，進入送風腔，并由蒸發(fā)風機送入客車風道內，形成蒸發(fā)風場的循環(huán)。新風口和回風口的進風面積需要根據理論風量進行計算確定，不能隨意開設，導致出現風量不足或者風速過大引起噪音過大的問題。新風口建議左右兩側各設置一個，這樣可以保證一處新風閥故障的情況下，另一個正常工作，能夠為客車內提供新風供應，使乘客不會感覺到呼吸發(fā)悶。空調兩側送風口的中心距尺寸，要能滿足落入客車的風道內，送風口中心距設計過小，會出現擋風和窩風的問題，嚴重的會導致空調無法與整車匹配安裝。另外，空調機組兩側送風口及回風口的周邊，需在底殼內部設計加強筋，以保證空調風口安裝密封時有足夠的支撐強度，不會因為底板強度不足引起底板變形，進而引起空調機組風口密封不良、漏風、漏水的問題。

外界空氣從空調機組冷凝風進風口進入，通過冷凝器換熱后重新返回外界空氣當中，形成冷凝風場的循環(huán)。冷凝風場設計的重點是要保證足夠的冷凝風進風面積。在限定的空調機組外形尺寸和高度情況下，建議將冷凝器設計成截面為平行四邊形的結構，冷凝風進風腔設計成與冷凝器斜邊近乎平行的結構，以保證冷凝器底部有足夠的進風，減小風場阻力，保證換熱效率。除此以外，在冷凝器的兩個端部及四周也設計端部進風口，盡可能地加大進風面積。蒸發(fā)風場的流向和冷凝風場的流向示意圖見圖3。

圖3 空調風場示意圖

5.2 密封設計

客車空調的密封設計主要是蒸發(fā)腔的密封設計。蒸發(fā)腔密封一是防止漏風影響空調性能，二是防止出現雨天漏水的問題?？照{蒸發(fā)腔頂蓋的密封結構，在空調鋁合金殼體蒸發(fā)腔四周卡密封膠條，蒸發(fā)腔頂蓋的內表面粘貼保溫棉，利用密封膠條和保溫棉的互相壓縮，形成閉合的密封圈，保證整個蒸發(fā)腔與外界完全隔絕。蒸發(fā)器頂部粘貼保溫棉，與蒸發(fā)腔頂蓋內表面保溫棉互相壓縮形成密封，保證風場不會短路?？照{蒸發(fā)腔密封結構見圖4。

圖4 空調蒸發(fā)腔密封區(qū)域示意圖

通過理論計算密封結構所需要的配合尺寸鏈后，將蒸發(fā)腔頂蓋的結構設計成鉸鏈、撐桿、螺栓組合使用的固定型式，方便頂蓋的打開和固定，提升了后續(xù)空調機組車頂維修作業(yè)的可操作性。

5.3 排水設計

客車空調的排水設計主要包括冷凝水的排放和雨水的排放兩方面。

冷凝水的排放采用集中排水的方式，蒸發(fā)器底部設計接水盤，用于冷凝水的存放，接水盤傾斜放置，方便冷凝水的排放。在相對位置較低的接水盤的側壁沿蒸發(fā)器長度方向的兩端各設置一處排水孔，焊接排水管，排水管的一側與接水盤相連接，另一側在送風口處，保證空調安裝在車上后，可以連接PVC鋼絲軟管，從整車風道中引致車輛后尾部排出車外。鋼絲軟管的末端需要連接鴨嘴閥，形成水封，防止外界空氣沿軟管倒吸入接水盤，發(fā)生吹水問題。設置兩處排水孔的優(yōu)點在于可以保證車輛在上下坡過程中的正常排水。空調在整車上的冷凝水流向見圖5。

圖5 空調冷凝水排放示意圖

雨水的排放，需要確保外界的雨水不會進入到空調的回風腔和蒸發(fā)腔內，除了要做到蒸發(fā)腔頂蓋的密封之外，還需要保證雨水的及時快速排放，以及在雨水流路中空調底殼的密封設計。整個冷凝腔與回風腔利用一張完整的板折彎而成，實現內外分離。利用車輛在行進過程中的速度與慣性，在冷凝腔的兩端設計排水口，實現雨水快速排放到車頂，不容易積水?？照{冷凝腔雨水排放見圖6。

圖6 空調雨水排放示意圖

6 結束語

本文從功能集成、機械接口兼容、外殼材料、結構細節(jié)4個方面，對空調的結構設計進行了詳細的探討，希望對空調制造企業(yè)有所幫助，設計出功能更加齊全、性能更加可靠、標準化程度更高的空調產品，與各大客車廠一起積極推動新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，不斷實現空調技術的創(chuàng)新與發(fā)展。