純電動(dòng)客車(chē)空調(diào)結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)探討

辛 偉，高福學(xué)，張素麗

（山東朗進(jìn)科技股份有限公司，山東 濟(jì)南 266400）

1 前言

隨著能源危機(jī)愈演愈烈，傳統(tǒng)燃油汽車(chē)由于消耗大量石油，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求。純電動(dòng)客車(chē)及純電動(dòng)客車(chē)空調(diào)以其低能耗、低排放、對(duì)環(huán)境不造成污染、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，以及接近甚至超越傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面的特點(diǎn)而廣受世界關(guān)注。

近幾年，中國(guó)純電動(dòng)客車(chē)市場(chǎng)發(fā)展迅速，國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策也鼓勵(lì)純電動(dòng)客車(chē)向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，投資者對(duì)純電動(dòng)客車(chē)市場(chǎng)的關(guān)注越來(lái)越密切，這使得純電動(dòng)客車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展研究需求增大。為了提升乘客的乘車(chē)體驗(yàn)和乘車(chē)舒適性，客車(chē)空調(diào)已經(jīng)成為純電動(dòng)客車(chē)必不可少的重要部件。與此同時(shí)，客車(chē)空調(diào)的能耗情況也直接影響著整車(chē)的續(xù)航里程?？照{(diào)的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)不僅關(guān)系著產(chǎn)品的性能，而且與空調(diào)設(shè)備的能耗直接關(guān)聯(lián)，因此，對(duì)客車(chē)空調(diào)進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，可以滿(mǎn)足客車(chē)空調(diào)輕量化與節(jié)能降耗的需要，對(duì)提升純電動(dòng)客車(chē)的續(xù)航里程有著非常重要的意義。

2 客車(chē)空調(diào)的發(fā)展歷程及工作原理

客車(chē)空調(diào)的發(fā)展經(jīng)歷了由傳統(tǒng)空調(diào)向純電動(dòng)空調(diào)的轉(zhuǎn)變，電動(dòng)壓縮機(jī)取代了機(jī)械壓縮機(jī)，由機(jī)械驅(qū)動(dòng)變更為電力驅(qū)動(dòng)，空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)力源由發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)檐?chē)載動(dòng)力電池。純電動(dòng)客車(chē)空調(diào)內(nèi)所有電器部件只靠車(chē)載電池來(lái)提供電源工作，純電動(dòng)客車(chē)空調(diào)的使用消耗了大量的動(dòng)力電池電量，由于動(dòng)力電池的容量有限，空調(diào)系統(tǒng)的能耗對(duì)純電動(dòng)客車(chē)充電一次后的續(xù)航里程有很大的影響。因此，研究在限定的外形尺寸下，將空調(diào)結(jié)構(gòu)布局做到最優(yōu)設(shè)計(jì)，可使空調(diào)運(yùn)營(yíng)更加高效節(jié)能。

與傳統(tǒng)空調(diào)一樣，純電動(dòng)客車(chē)空調(diào)也由壓縮機(jī)、膨脹閥、冷凝器、蒸發(fā)器、冷凝風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)等主要部件組成?？照{(diào)系統(tǒng)工作時(shí)，制冷劑經(jīng)由壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)4個(gè)過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，通過(guò)蒸發(fā)器的熱交換，降低蒸發(fā)器周?chē)諝獾臏囟龋瑢?shí)現(xiàn)降溫功能，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 純電動(dòng)客車(chē)空調(diào)系統(tǒng)原理圖

3 客車(chē)空調(diào)優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局的意義及措施

空調(diào)作為整車(chē)一個(gè)非常重要的部件，其能效高低直接決定了客車(chē)的續(xù)航里程。目前運(yùn)營(yíng)公司在采購(gòu)客車(chē)時(shí)，將空調(diào)的能效比作為一個(gè)重要參數(shù)寫(xiě)入招標(biāo)文件中，希望通過(guò)采購(gòu)更加高效節(jié)能的空調(diào)來(lái)提升經(jīng)濟(jì)效益。因此，從源頭探索更加合理的空調(diào)結(jié)構(gòu)布局和設(shè)計(jì)更加高效節(jié)能的空調(diào)，對(duì)純電動(dòng)客車(chē)的推廣具有重要意義。

優(yōu)化空調(diào)的結(jié)構(gòu)布局，可以從以下幾方面進(jìn)行。

1）首先考慮外觀設(shè)計(jì)，空調(diào)的外觀要能與整車(chē)搭配得當(dāng)、契合度高、流線型好，符合國(guó)人審美的設(shè)計(jì)外觀能受到購(gòu)買(mǎi)者青睞。

2）外形尺寸及接口設(shè)計(jì)滿(mǎn)足整車(chē)的安裝，簡(jiǎn)便可靠的安裝方案可以提升客車(chē)廠的生產(chǎn)效率。

3）選取更加合理的空調(diào)底殼和頂蓋的制作材料，以及選取更加輕量化的材料為整個(gè)空調(diào)減重。

4）采用CAE仿真分析等技術(shù)手段，量化強(qiáng)度等級(jí)，保證空調(diào)滿(mǎn)足整車(chē)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中振動(dòng)沖擊強(qiáng)度的前提下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步為空調(diào)減重。

4 客車(chē)空調(diào)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)布局形式及優(yōu)缺點(diǎn)

目前市面上的純電動(dòng)客車(chē)空調(diào)結(jié)構(gòu)布局常見(jiàn)的有經(jīng)典三腔式結(jié)構(gòu)布局、迎風(fēng)式三腔結(jié)構(gòu)布局、傳統(tǒng)兩腔式結(jié)構(gòu)布局和新型兩腔式結(jié)構(gòu)布局4種形式，下面分別展開(kāi)討論一下4種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn)。

4.1 經(jīng)典三腔式空調(diào)結(jié)構(gòu)布局方案

經(jīng)典三腔式結(jié)構(gòu)布局是最常見(jiàn)的一種空調(diào)布局形式，整個(gè)空調(diào)布局劃分為3個(gè)腔體，如圖2所示。

圖2 經(jīng)典三腔式空調(diào)結(jié)構(gòu)布局圖

這種結(jié)構(gòu)布局的優(yōu)點(diǎn)有兩點(diǎn)：第一，空調(diào)內(nèi)部空間富裕，便于各空調(diào)部件的安裝和維護(hù)；第二，各器件在空調(diào)高度方向上沒(méi)有相互重合的布置，與其他形式的結(jié)構(gòu)布局相比，此種結(jié)構(gòu)布局可使空調(diào)高度控制在250mm以?xún)?nèi)，這使空調(diào)與整車(chē)安裝后的契合度更高、更美觀。

此種空調(diào)結(jié)構(gòu)布局的缺點(diǎn)是：空調(diào)的長(zhǎng)度往往很長(zhǎng)，以12m純電動(dòng)客車(chē)用24kW空調(diào)機(jī)組為例（下同），空調(diào)長(zhǎng)度需要做到3900mm左右。以往的傳統(tǒng)燃油車(chē)，車(chē)頂除空調(diào)外無(wú)其他部件，此種缺點(diǎn)顯得不夠明顯。純電動(dòng)客車(chē)和燃料電池車(chē)車(chē)頂需要布置電池包和燃料電池反應(yīng)發(fā)生裝置，空調(diào)長(zhǎng)度會(huì)擠壓電池的布置空間，這種缺點(diǎn)就被無(wú)限放大。同時(shí)，整機(jī)長(zhǎng)度大帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題就是整機(jī)的質(zhì)量較重，一般在370kg左右，這會(huì)給整車(chē)帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)。

4.2 迎風(fēng)式三腔空調(diào)結(jié)構(gòu)布局方案

迎風(fēng)式結(jié)構(gòu)布局方式是三腔結(jié)構(gòu)布局的一種變形?？照{(diào)布局同樣劃分為3個(gè)腔體，如圖3所示。

圖3 迎風(fēng)式三腔空調(diào)結(jié)構(gòu)布局圖

與經(jīng)典三腔式空調(diào)結(jié)構(gòu)布局方案相比，其最大的區(qū)別就是冷凝腔的結(jié)構(gòu)形式不同，因?yàn)槔淠L(fēng)機(jī)布置在冷凝器的上方，且冷凝風(fēng)機(jī)在空調(diào)寬度方向上一字排開(kāi)，故而空調(diào)的長(zhǎng)度可以縮短，空調(diào)長(zhǎng)度可以縮短至3500mm左右，同時(shí)也減小了整機(jī)質(zhì)量，一般在350kg左右。

冷凝腔結(jié)構(gòu)布局的改變同時(shí)也給空調(diào)帶來(lái)了兩點(diǎn)不利影響：第一，冷凝風(fēng)機(jī)布置在冷凝器上方，在高度方向上重合布置，這會(huì)增加空調(diào)的高度，整機(jī)高度一般能控制在260mm左右；第二，冷凝風(fēng)從冷凝器下部進(jìn)風(fēng)，導(dǎo)致空調(diào)在整車(chē)的安裝具有一定的方向性，冷凝腔布置在整車(chē)的車(chē)頭側(cè)，更有利于冷凝風(fēng)場(chǎng)的暢通和冷凝器的換熱，反向安裝或者冷凝腔前部有部件遮擋時(shí)空調(diào)的能效會(huì)降低。

4.3 傳統(tǒng)兩腔式空調(diào)結(jié)構(gòu)布局方案

為了盡可能地縮短空調(diào)的長(zhǎng)度，最大限度利用有限的空間尺寸，將空調(diào)的制冷能力和能效做到最大，兩腔式空調(diào)結(jié)構(gòu)布局的形式隨之出現(xiàn)，傳統(tǒng)兩腔式空調(diào)結(jié)構(gòu)布局如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)兩腔式空調(diào)結(jié)構(gòu)布局圖

與經(jīng)典三腔式空調(diào)結(jié)構(gòu)布局方案相比，此種結(jié)構(gòu)布局取消了原有的壓縮機(jī)和電控腔，將壓縮機(jī)布置在冷凝風(fēng)機(jī)的下方，將電控布置在回風(fēng)腔，利用整車(chē)回風(fēng)對(duì)功率器件進(jìn)行散熱。

此種結(jié)構(gòu)布局的優(yōu)點(diǎn)是在縮短空調(diào)長(zhǎng)度的同時(shí)，保證空調(diào)的制冷能力和能效最大的輸出?？照{(diào)長(zhǎng)度可以縮短至3400mm左右，整機(jī)質(zhì)量一般在330kg左右。同樣也存在兩點(diǎn)問(wèn)題：第一，壓縮機(jī)布置在冷凝風(fēng)機(jī)的下方，會(huì)增加空調(diào)的高度，一般整機(jī)高度在270mm左右，會(huì)降低與整車(chē)的適配性；第二，壓縮機(jī)及系統(tǒng)管路布置在冷凝風(fēng)機(jī)的下方，不利于后期空調(diào)的維護(hù)保養(yǎng)工作，可操作性比較差。

4.4 新型兩腔式空調(diào)結(jié)構(gòu)布局方案

為了解決傳統(tǒng)兩腔式空調(diào)結(jié)構(gòu)布局方案存在的問(wèn)題，近年來(lái)又出現(xiàn)了新型兩腔式結(jié)構(gòu)布局的空調(diào)，其結(jié)構(gòu)布局如圖5所示。

圖5 新型兩腔式空調(diào)結(jié)構(gòu)布局圖

冷凝腔布置在回風(fēng)腔的正上方，蒸發(fā)腔對(duì)稱(chēng)布置在冷凝腔的兩側(cè)，壓縮機(jī)和電控單獨(dú)一個(gè)腔體布置。此種空調(diào)結(jié)構(gòu)布局方案目前并無(wú)明顯的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。

1）冷凝器和蒸發(fā)器平行對(duì)稱(chēng)布置，在保證制冷能力和能效的前提下，空調(diào)長(zhǎng)度可以大幅縮短，空調(diào)長(zhǎng)度可以做到3200mm左右，整機(jī)質(zhì)量一般在300kg左右，非常適合目前的純電動(dòng)客車(chē)和燃料電池車(chē)，可以解決車(chē)頂空間有限的難題。

2）在保證回風(fēng)面積的前提下，空調(diào)高度可以控制在250mm左右，保證整車(chē)適配性。

3）壓縮機(jī)和電控單獨(dú)設(shè)置一個(gè)腔體，大大方便后期的市場(chǎng)維保工作。

4）壓縮機(jī)和電控腔模塊化單元設(shè)計(jì)理念，易拓展系列化空調(diào)產(chǎn)品，適配不同長(zhǎng)度的客車(chē)車(chē)型，縮短設(shè)計(jì)周期。

5）通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，前3種結(jié)構(gòu)布局的24kW的純電動(dòng)客車(chē)空調(diào)COP一般在2.2～2.4之間，而新型兩腔式結(jié)構(gòu)布局的24kW空調(diào)機(jī)組的COP可以達(dá)到2.7左右，大幅節(jié)省電量消耗，為整車(chē)增加續(xù)航里程。

另外，還可通過(guò)優(yōu)化空調(diào)外殼材質(zhì)，進(jìn)一步提升空調(diào)性能。如：底殼采用鋁合金材質(zhì)，既可以保證空間的充分利用，又能最大限度地實(shí)現(xiàn)空調(diào)輕量化設(shè)計(jì)理念，為整車(chē)減負(fù)；頂蓋采用玻璃鋼材質(zhì)，可以根據(jù)整車(chē)外觀設(shè)計(jì)出圓滑的造型，保證與整車(chē)的搭配。

綜上，不同的空調(diào)結(jié)構(gòu)布局形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，而新型兩腔式空調(diào)結(jié)構(gòu)布局的方案，空調(diào)具有長(zhǎng)度短、質(zhì)量輕、能效高、可維護(hù)性好的優(yōu)點(diǎn)，能更好適應(yīng)新能源純電動(dòng)車(chē)輛和燃料電池車(chē)輛，可以為整車(chē)節(jié)省很多的空間和能耗，值得推廣應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前新能源純電動(dòng)車(chē)輛和燃料電池車(chē)輛正在蓬勃發(fā)展，取代傳統(tǒng)燃油車(chē)輛的趨勢(shì)已不可逆轉(zhuǎn)，空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)要積極適應(yīng)并推動(dòng)新能源汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展。

本文通過(guò)對(duì)空調(diào)結(jié)構(gòu)布局的探討，希望空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)認(rèn)識(shí)到空調(diào)結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)的重要性，同時(shí)也希望空調(diào)工程師能夠積極探索新的結(jié)構(gòu)布局形式，設(shè)計(jì)出更加高效節(jié)能的空調(diào)，為車(chē)輛運(yùn)營(yíng)公司節(jié)省成本，提升經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)改善乘客的乘車(chē)體驗(yàn)。