摘 要：空調(diào)系統(tǒng)是整車重要的組成部分和能耗部件。純電動汽車在低溫環(huán)境下續(xù)駛里程大幅縮減，熱泵空調(diào)系可提升整車電能利用效率，但熱泵空調(diào)系統(tǒng)相對復雜，增加了布置難度。文章通過熱泵系統(tǒng)關鍵零部件及管路走向布置、靜態(tài)及動態(tài)間隙校核、裝配工藝性分析和美觀性等多個維度，結(jié)合具體整車系統(tǒng)案例，總結(jié)了熱泵空調(diào)系統(tǒng)總布置設計時的注意因素和遵循原則，為熱泵空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)提供參考依據(jù)，降低開發(fā)周期。

1  前言

電動汽車乘員艙加熱方案主要分為高壓PTC和熱泵兩種方案。其中PTC加熱分風暖和水暖兩種，利用PTC加熱空氣和水，實現(xiàn)車內(nèi)采暖，結(jié)構相對簡單，能量轉(zhuǎn)換效率低，影響車輛續(xù)駛里程高達30-40%，甚至更。

熱泵空調(diào)系統(tǒng)，目前主流應用為三換熱器式結(jié)構，如寶馬i3和日產(chǎn)LEAF，當系統(tǒng)以除霜、除濕模式運行時，制冷劑將經(jīng)過3個換熱器，空氣通過內(nèi)部蒸發(fā)器除濕，將空氣冷卻到除霜所需要的溫度，再通過內(nèi)部冷凝器加熱，送至車室，解決了汽車安全駕駛的問題，在除霜時還能同時控制出風口空氣溫度，系統(tǒng)原理如圖1所示。


圖1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖

本文以配置三換熱器結(jié)構熱泵空調(diào)純電動車型為例，詳細介紹熱泵空調(diào)系統(tǒng)布置設計，熱泵空調(diào)結(jié)構如圖2所示，主要包括空調(diào)主機、一體式壓縮機、室外換熱器、氣液分離器和管路等。


1.室外換熱器 2.氣液分離器 3.吸氣管 4.排氣管 5.管路及膨脹閥 6.制熱管 7.空調(diào)控制器 8.空調(diào)主機 9.鼓風機 10.消音器 11.一體式壓縮機
圖2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)構成示意圖

主要部件功能如下：空調(diào)主機，包括殼體及鼓風機、PTC芯體、蒸發(fā)器和車內(nèi)冷凝器等；鼓風機負責將加熱后或冷卻后的空氣吸入乘員艙，PTC芯體負責輔助發(fā)熱，蒸發(fā)器和車內(nèi)冷凝器負責吸收和提供熱量。一體式壓縮機，通過電機運轉(zhuǎn)帶動渦旋盤壓縮，為制冷循環(huán)提供動力。室外換熱器，制冷時將壓縮機排出高溫高壓氣態(tài)制冷劑冷卻成高壓低溫液體制冷劑；制熱時將制冷劑由霧狀液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，吸收車外熱量。氣液分離器，負責干燥冷媒，案例車型冷媒型號為R134a。管路由管路及膨脹閥、排氣管、吸氣管、制熱管組成，包括三個閥體，用來控制冷媒循環(huán)的通斷，以及一對高低壓PT傳感器，用于監(jiān)測冷媒狀態(tài)。

2  關鍵零部件及管線路布置設計

2.1  一體式壓縮機布置

布置考慮以下幾個方面：

（1）壓縮機排氣口朝向不可朝下；

（2）高壓插件不可處于動力總成最前方；

（3）壓縮機接口前方預留足夠的安裝空間，與驅(qū)動軸運動包絡X向間隙≥25mm，各插件不能朝上，避免進水失效；

（4）壓縮機與動力總成等相對靜止件間隙≥5mm，與縱梁等相對運動件間隙≥25mm；

（5）壓縮機安裝方便，插件插拔方便。

本車型壓縮機通過支架三點固定在電驅(qū)動總成右側(cè)。


1.車體縱梁 2.驅(qū)動軸 3.壓縮機總成 4.電機總成
圖3 壓縮機布置示意圖

2.2  氣液分離器

氣液分離器布置在壓縮機附近，隱蔽性好的位置，進出氣口需帶防錯功能，與周邊相對靜止件間隙≥5mm。本車型布置在右縱梁側(cè)，前組合燈下方。


1.洗滌液壺 2.前組合燈 3.支架 4.氣液分離器
圖4 氣液分離器布置示意圖

2.3  室外換熱器

布置考慮以下幾個方面：

（1）與周邊件間隙≥10mm；

（2）與兩側(cè)車身支撐梁間隙≥5mm。

本車型室外換熱器四點固定在前端模塊上，考慮安裝空間及便利性，管路接口布置在換熱器右側(cè)。


1.車身縱梁 2.前端模塊 3.室外換熱器 4.安裝模塊
圖5 室外換熱器布置示意圖

2.4  空調(diào)管路

布置考慮以下幾個方面：

（1）盡量布置在隱蔽空間，利用各零部件本身遮擋、固定，整體橫平豎直；

（2）管路設計滿足以下基本參數(shù)，轉(zhuǎn)彎處彎曲角度≥90°，彎管最小直線長度≥15mm，軟管與硬管接頭長度≥35mm。硬管和軟管與運動件間隙≥25mm，硬管與靜止件間隙≥5mm，軟管與靜止件間隙≥10mm；

（3）硬管兩固定點間隙大于100mm，小于400mm，安裝固定牢靠，允許管路作微量位移，軟管不能直接與金屬部件相連；避免在軟管上增加固定點；管路連接能保持軟管兩端呈自然狀態(tài)，不能造成扭曲，不能因被連接件的運動而使軟管偏離其軸線所在的平面；

（4）冷媒加注口正上方400mm（半徑40mm）不得布置遮擋，安裝法蘭面需預留插拔空間。每個電磁閥需有固定支架；甩線插件需布置好固定點和操作空間，相近電磁閥插件需做防錯處理。

本車型管路按功能分四段，即管路及膨脹閥、排氣管、吸氣管和制熱管。管路及膨脹閥連接主機內(nèi)蒸發(fā)器、室外換熱器及氣液分離器，走向貼緊前圍板、車身塔包和縱梁，管路上含有兩個電磁閥、低壓加注口和低壓傳感器接口；排氣管連接制熱管及壓縮機，布置有消音器；吸氣管連接壓縮機及氣液分離器，并設計軟管用于吸收余量；制熱管連接主機內(nèi)冷凝器、排氣管和室外換熱器，管路上含有電磁閥及高壓加注口。


1.管路及膨脹閥 2.制熱管 3.排氣管 4.吸氣管
圖6 管路總成布置示意圖

3  靜態(tài)及動態(tài)間隙合理性分析

熱泵空調(diào)部件除壓縮機外，考慮制造公差、裝配公差和部件運動包絡，預留出足夠安全間隙，推薦間隙設計值如表1所示。

表1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)部件間隙推薦值


4  裝配工藝性分析

表2 操作方便性間隙推薦值


裝配工藝性考慮總裝車間工位及相關工具操作便捷性，以及在維修時拆解方便，盡可能減少關聯(lián)部件。

本車型熱泵裝配順序：內(nèi)飾工位，乘員艙依次安裝空調(diào)主機、室內(nèi)溫度傳感器、空調(diào)控制器、風道等；前艙安裝溫控中心、氣液分離器、管路及膨脹閥和制熱管。底盤工位，前艙安裝排氣管、吸氣管和室外換熱器。合裝工位，加注冷媒。

預留出相應工具空間或手操空間，推薦間隙設計值如表2所示。

5  美觀性分析

熱泵系統(tǒng)布置美觀性也需重點考慮，空調(diào)管路可見部分盡量做到“橫平豎直”和“平行等距”，在車身固定處，盡可能貼緊車身，做到隱蔽，不顯突兀。氣液分離器，消音器等零部件布置，盡可能與周邊部件緊湊，并布置在視野之外，消除前艙雜亂感。方案布置后，聯(lián)合主觀評價美觀性，最終確定設計方案。最后，增加前艙蓋板遮蔽也是一種可行方案。

6  總結(jié)

新能源純電動車型，熱泵空調(diào)具有較好能效利用率，應用越來越普及，主機廠需建立熱泵空調(diào)的總布置能力，從而提升整車集成水平。本文結(jié)合某車型“三換熱器”型熱泵系統(tǒng)，從間隙合理性、美觀性和裝配性等方面，重點分析了壓縮機、室外換熱器主要零部件的布置要求，對后續(xù)車型的開發(fā)提供了一定參考。