辛 偉，高福學，張素麗

（山東朗進科技股份有限公司，山東 濟南 266400）

1 前言

隨著能源危機愈演愈烈，傳統(tǒng)燃油汽車由于消耗大量石油，對環(huán)境造成嚴重污染，已經(jīng)不能滿足人們對環(huán)境保護的要求。純電動客車及純電動客車空調以其低能耗、低排放、對環(huán)境不造成污染、噪聲小等優(yōu)點，以及接近甚至超越傳統(tǒng)燃油汽車的動力性和經(jīng)濟性方面的特點而廣受世界關注。

近幾年，中國純電動客車市場發(fā)展迅速，國家產業(yè)政策也鼓勵純電動客車向產業(yè)化方向發(fā)展，投資者對純電動客車市場的關注越來越密切，這使得純電動客車市場的發(fā)展研究需求增大。為了提升乘客的乘車體驗和乘車舒適性，客車空調已經(jīng)成為純電動客車必不可少的重要部件。與此同時，客車空調的能耗情況也直接影響著整車的續(xù)航里程?？照{的結構布局設計不僅關系著產品的性能，而且與空調設備的能耗直接關聯(lián)，因此，對客車空調進行結構布局設計，可以滿足客車空調輕量化與節(jié)能降耗的需要，對提升純電動客車的續(xù)航里程有著非常重要的意義。

2 客車空調的發(fā)展歷程及工作原理

客車空調的發(fā)展經(jīng)歷了由傳統(tǒng)空調向純電動空調的轉變，電動壓縮機取代了機械壓縮機，由機械驅動變更為電力驅動，空調系統(tǒng)的動力源由發(fā)動機變?yōu)檐囕d動力電池。純電動客車空調內所有電器部件只靠車載電池來提供電源工作，純電動客車空調的使用消耗了大量的動力電池電量，由于動力電池的容量有限，空調系統(tǒng)的能耗對純電動客車充電一次后的續(xù)航里程有很大的影響。因此，研究在限定的外形尺寸下，將空調結構布局做到最優(yōu)設計，可使空調運營更加高效節(jié)能。

與傳統(tǒng)空調一樣，純電動客車空調也由壓縮機、膨脹閥、冷凝器、蒸發(fā)器、冷凝風機、蒸發(fā)風機等主要部件組成?？照{系統(tǒng)工作時，制冷劑經(jīng)由壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)4個過程循環(huán)進行，通過蒸發(fā)器的熱交換，降低蒸發(fā)器周圍空氣的溫度，實現(xiàn)降溫功能，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 純電動客車空調系統(tǒng)原理圖

3 客車空調優(yōu)化結構布局的意義及措施

空調作為整車一個非常重要的部件，其能效高低直接決定了客車的續(xù)航里程。目前運營公司在采購客車時，將空調的能效比作為一個重要參數(shù)寫入招標文件中，希望通過采購更加高效節(jié)能的空調來提升經(jīng)濟效益。因此，從源頭探索更加合理的空調結構布局和設計更加高效節(jié)能的空調，對純電動客車的推廣具有重要意義。

優(yōu)化空調的結構布局，可以從以下幾方面進行。

1）首先考慮外觀設計，空調的外觀要能與整車搭配得當、契合度高、流線型好，符合國人審美的設計外觀能受到購買者青睞。

2）外形尺寸及接口設計滿足整車的安裝，簡便可靠的安裝方案可以提升客車廠的生產效率。

3）選取更加合理的空調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空調減重。

4）采用CAE仿真分析等技術手段，量化強度等級，保證空調滿足整車運營過程中振動沖擊強度的前提下，優(yōu)化結構設計，進一步為空調減重。

4 客車空調常見結構布局形式及優(yōu)缺點

目前市面上的純電動客車空調結構布局常見的有經(jīng)典三腔式結構布局、迎風式三腔結構布局、傳統(tǒng)兩腔式結構布局和新型兩腔式結構布局4種形式，下面分別展開討論一下4種結構形式的優(yōu)缺點。

4.1 經(jīng)典三腔式空調結構布局方案

經(jīng)典三腔式結構布局是最常見的一種空調布局形式，整個空調布局劃分為3個腔體，如圖2所示。

圖2 經(jīng)典三腔式空調結構布局圖

這種結構布局的優(yōu)點有兩點：第一，空調內部空間富裕，便于各空調部件的安裝和維護；第二，各器件在空調高度方向上沒有相互重合的布置，與其他形式的結構布局相比，此種結構布局可使空調高度控制在250mm以內，這使空調與整車安裝后的契合度更高、更美觀。

此種空調結構布局的缺點是：空調的長度往往很長，以12m純電動客車用24kW空調機組為例（下同），空調長度需要做到3900mm左右。以往的傳統(tǒng)燃油車，車頂除空調外無其他部件，此種缺點顯得不夠明顯。純電動客車和燃料電池車車頂需要布置電池包和燃料電池反應發(fā)生裝置，空調長度會擠壓電池的布置空間，這種缺點就被無限放大。同時，整機長度大帶來的另一個問題就是整機的質量較重，一般在370kg左右，這會給整車帶來很大的負擔。

4.2 迎風式三腔空調結構布局方案

迎風式結構布局方式是三腔結構布局的一種變形?？照{布局同樣劃分為3個腔體，如圖3所示。

圖3 迎風式三腔空調結構布局圖

與經(jīng)典三腔式空調結構布局方案相比，其最大的區(qū)別就是冷凝腔的結構形式不同，因為冷凝風機布置在冷凝器的上方，且冷凝風機在空調寬度方向上一字排開，故而空調的長度可以縮短，空調長度可以縮短至3500mm左右，同時也減小了整機質量，一般在350kg左右。

冷凝腔結構布局的改變同時也給空調帶來了兩點不利影響：第一，冷凝風機布置在冷凝器上方，在高度方向上重合布置，這會增加空調的高度，整機高度一般能控制在260mm左右；第二，冷凝風從冷凝器下部進風，導致空調在整車的安裝具有一定的方向性，冷凝腔布置在整車的車頭側，更有利于冷凝風場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空調的能效會降低。

4.3 傳統(tǒng)兩腔式空調結構布局方案

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

圖4 傳統(tǒng)兩腔式空調結構布局圖

與經(jīng)典三腔式空調結構布局方案相比，此種結構布局取消了原有的壓縮機和電控腔，將壓縮機布置在冷凝風機的下方，將電控布置在回風腔，利用整車回風對功率器件進行散熱。

此種結構布局的優(yōu)點是在縮短空調長度的同時，保證空調的制冷能力和能效最大的輸出?？照{長度可以縮短至3400mm左右，整機質量一般在330kg左右。同樣也存在兩點問題：第一，壓縮機布置在冷凝風機的下方，會增加空調的高度，一般整機高度在270mm左右，會降低與整車的適配性；第二，壓縮機及系統(tǒng)管路布置在冷凝風機的下方，不利于后期空調的維護保養(yǎng)工作，可操作性比較差。

4.4 新型兩腔式空調結構布局方案

為了解決傳統(tǒng)兩腔式空調結構布局方案存在的問題，近年來又出現(xiàn)了新型兩腔式結構布局的空調，其結構布局如圖5所示。

圖5 新型兩腔式空調結構布局圖

冷凝腔布置在回風腔的正上方，蒸發(fā)腔對稱布置在冷凝腔的兩側，壓縮機和電控單獨一個腔體布置。此種空調結構布局方案目前并無明顯的結構缺點，主要優(yōu)點有以下幾個方面。

1）冷凝器和蒸發(fā)器平行對稱布置，在保證制冷能力和能效的前提下，空調長度可以大幅縮短，空調長度可以做到3200mm左右，整機質量一般在300kg左右，非常適合目前的純電動客車和燃料電池車，可以解決車頂空間有限的難題。

2）在保證回風面積的前提下，空調高度可以控制在250mm左右，保證整車適配性。

3）壓縮機和電控單獨設置一個腔體，大大方便后期的市場維保工作。

4）壓縮機和電控腔模塊化單元設計理念，易拓展系列化空調產品，適配不同長度的客車車型，縮短設計周期。

5）通過試驗數(shù)據(jù)得出，前3種結構布局的24kW的純電動客車空調COP一般在2.2～2.4之間，而新型兩腔式結構布局的24kW空調機組的COP可以達到2.7左右，大幅節(jié)省電量消耗，為整車增加續(xù)航里程。

另外，還可通過優(yōu)化空調外殼材質，進一步提升空調性能。如：底殼采用鋁合金材質，既可以保證空間的充分利用，又能最大限度地實現(xiàn)空調輕量化設計理念，為整車減負；頂蓋采用玻璃鋼材質，可以根據(jù)整車外觀設計出圓滑的造型，保證與整車的搭配。

綜上，不同的空調結構布局形式各有優(yōu)缺點，而新型兩腔式空調結構布局的方案，空調具有長度短、質量輕、能效高、可維護性好的優(yōu)點，能更好適應新能源純電動車輛和燃料電池車輛，可以為整車節(jié)省很多的空間和能耗，值得推廣應用。

5 結束語

目前新能源純電動車輛和燃料電池車輛正在蓬勃發(fā)展，取代傳統(tǒng)燃油車輛的趨勢已不可逆轉，空調生產企業(yè)要積極適應并推動新能源汽車行業(yè)的發(fā)展。

本文通過對空調結構布局的探討，希望空調生產企業(yè)認識到空調結構布局設計的重要性，同時也希望空調工程師能夠積極探索新的結構布局形式，設計出更加高效節(jié)能的空調，為車輛運營公司節(jié)省成本，提升經(jīng)濟效益，同時改善乘客的乘車體驗。