纯电动汽车热泵空调系统布置设计分析

摘 要：空调系统是整车重要的组成部分和能耗部件。纯电动汽车在低温环境下续驶里程大幅缩减，热泵空调系可提升整车电能利用效率，但热泵空调系统相对复杂，增加了布置难度。文章通过热泵系统关键零部件及管路走向布置、静态及动态间隙校核、装配工艺性分析和美观性等多个维度，结合具体整车系统案例，总结了热泵空调系统总布置设计时的注意因素和遵循原则，为热泵空调系统开发提供参考依据，降低开发周期。

1  前言

电动汽车乘员舱加热方案主要分为高压PTC和热泵两种方案。其中PTC加热分风暖和水暖两种，利用PTC加热空气和水，实现车内采暖，结构相对简单，能量转换效率低，影响车辆续驶里程高达30-40%，甚至更。

热泵空调系统，目前主流应用为三换热器式结构，如宝马i3和日产LEAF，当系统以除霜、除湿模式运行时，制冷剂将经过3个换热器，空气通过内部蒸发器除湿，将空气冷却到除霜所需要的温度，再通过内部冷凝器加热，送至车室，解决了汽车安全驾驶的问题，在除霜时还能同时控制出风口空气温度，系统原理如图1所示。


图1 热泵空调系统原理图

本文以配置三换热器结构热泵空调纯电动车型为例，详细介绍热泵空调系统布置设计，热泵空调结构如图2所示，主要包括空调主机、一体式压缩机、室外换热器、气液分离器和管路等。


1.室外换热器 2.气液分离器 3.吸气管 4.排气管 5.管路及膨胀阀 6.制热管 7.空调控制器 8.空调主机 9.鼓风机 10.消音器 11.一体式压缩机
图2 热泵空调系统构成示意图

主要部件功能如下：空调主机，包括壳体及鼓风机、PTC芯体、蒸发器和车内冷凝器等；鼓风机负责将加热后或冷却后的空气吸入乘员舱，PTC芯体负责辅助发热，蒸发器和车内冷凝器负责吸收和提供热量。一体式压缩机，通过电机运转带动涡旋盘压缩，为制冷循环提供动力。室外换热器，制冷时将压缩机排出高温高压气态制冷剂冷却成高压低温液体制冷剂；制热时将制冷剂由雾状液态变为气态，吸收车外热量。气液分离器，负责干燥冷媒，案例车型冷媒型号为R134a。管路由管路及膨胀阀、排气管、吸气管、制热管组成，包括三个阀体，用来控制冷媒循环的通断，以及一对高低压PT传感器，用于监测冷媒状态。

2  关键零部件及管线路布置设计

2.1  一体式压缩机布置

布置考虑以下几个方面：

（1）压缩机排气口朝向不可朝下；

（2）高压插件不可处于动力总成最前方；

（3）压缩机接口前方预留足够的安装空间，与驱动轴运动包络X向间隙≥25mm，各插件不能朝上，避免进水失效；

（4）压缩机与动力总成等相对静止件间隙≥5mm，与纵梁等相对运动件间隙≥25mm；

（5）压缩机安装方便，插件插拔方便。

本车型压缩机通过支架三点固定在电驱动总成右侧。


1.车体纵梁 2.驱动轴 3.压缩机总成 4.电机总成
图3 压缩机布置示意图

2.2  气液分离器

气液分离器布置在压缩机附近，隐蔽性好的位置，进出气口需带防错功能，与周边相对静止件间隙≥5mm。本车型布置在右纵梁侧，前组合灯下方。


1.洗涤液壶 2.前组合灯 3.支架 4.气液分离器
图4 气液分离器布置示意图

2.3  室外换热器

布置考虑以下几个方面：

（1）与周边件间隙≥10mm；

（2）与两侧车身支撑梁间隙≥5mm。

本车型室外换热器四点固定在前端模块上，考虑安装空间及便利性，管路接口布置在换热器右侧。


1.车身纵梁 2.前端模块 3.室外换热器 4.安装模块
图5 室外换热器布置示意图

2.4  空调管路

布置考虑以下几个方面：

（1）尽量布置在隐蔽空间，利用各零部件本身遮挡、固定，整体横平竖直；

（2）管路设计满足以下基本参数，转弯处弯曲角度≥90°，弯管最小直线长度≥15mm，软管与硬管接头长度≥35mm。硬管和软管与运动件间隙≥25mm，硬管与静止件间隙≥5mm，软管与静止件间隙≥10mm；

（3）硬管两固定点间隙大于100mm，小于400mm，安装固定牢靠，允许管路作微量位移，软管不能直接与金属部件相连；避免在软管上增加固定点；管路连接能保持软管两端呈自然状态，不能造成扭曲，不能因被连接件的运动而使软管偏离其轴线所在的平面；

（4）冷媒加注口正上方400mm（半径40mm）不得布置遮挡，安装法兰面需预留插拔空间。每个电磁阀需有固定支架；甩线插件需布置好固定点和操作空间，相近电磁阀插件需做防错处理。

本车型管路按功能分四段，即管路及膨胀阀、排气管、吸气管和制热管。管路及膨胀阀连接主机内蒸发器、室外换热器及气液分离器，走向贴紧前围板、车身塔包和纵梁，管路上含有两个电磁阀、低压加注口和低压传感器接口；排气管连接制热管及压缩机，布置有消音器；吸气管连接压缩机及气液分离器，并设计软管用于吸收余量；制热管连接主机内冷凝器、排气管和室外换热器，管路上含有电磁阀及高压加注口。


1.管路及膨胀阀 2.制热管 3.排气管 4.吸气管
图6 管路总成布置示意图

3  静态及动态间隙合理性分析

热泵空调部件除压缩机外，考虑制造公差、装配公差和部件运动包络，预留出足够安全间隙，推荐间隙设计值如表1所示。

表1 热泵空调系统部件间隙推荐值


4  装配工艺性分析

表2 操作方便性间隙推荐值


装配工艺性考虑总装车间工位及相关工具操作便捷性，以及在维修时拆解方便，尽可能减少关联部件。

本车型热泵装配顺序：内饰工位，乘员舱依次安装空调主机、室内温度传感器、空调控制器、风道等；前舱安装温控中心、气液分离器、管路及膨胀阀和制热管。底盘工位，前舱安装排气管、吸气管和室外换热器。合装工位，加注冷媒。

预留出相应工具空间或手操空间，推荐间隙设计值如表2所示。

5  美观性分析

热泵系统布置美观性也需重点考虑，空调管路可见部分尽量做到“横平竖直”和“平行等距”，在车身固定处，尽可能贴紧车身，做到隐蔽，不显突兀。气液分离器，消音器等零部件布置，尽可能与周边部件紧凑，并布置在视野之外，消除前舱杂乱感。方案布置后，联合主观评价美观性，最终确定设计方案。最后，增加前舱盖板遮蔽也是一种可行方案。

6  总结

新能源纯电动车型，热泵空调具有较好能效利用率，应用越来越普及，主机厂需建立热泵空调的总布置能力，从而提升整车集成水平。本文结合某车型“三换热器”型热泵系统，从间隙合理性、美观性和装配性等方面，重点分析了压缩机、室外换热器主要零部件的布置要求，对后续车型的开发提供了一定参考。