赵志宏 庞宏磊

摘 要：以半导体单元为制冷制热元件，采用气-液半导体系统作为纯电动汽车的制冷制热系统，通过两个正六面体换热器实现双温区控制，利用改变通入半导体单元的电流方向实现制冷制热互换，控制简单方便，采用强制水冷系统为半导体单元工作时散热，增加制冷功率和效果，采用模糊-PID控制实现空调的自动控制，达到对其制冷制热的精确控制。解决了现有纯电动汽车无内燃机，无法为压缩机式空调提供直接机械动力源，无法通过内燃机冷却水系统为压缩机式空调提供制暖热源的问题。

关键词：半导体;纯电动汽车;正六面体;制冷;制热

0 绪论

目前，纯电动汽车作为一种新能源汽车，普遍受到用户的青睐[1]。现有纯电动汽车内部没有发动机、加热装置，在需要制热时，必需通过电阻加热来满足车内需求，导致电能耗费，影响续航里程，制热效果也不令人满意。国外电动汽车空调方面，采用电驱动热泵式空调系统，如日本本田纯电动汽车，系统内通过设置反换流控制压缩泵来实现制冷制热[2]。有部分汽车厂家在传统燃油车空调基础上进行改进，将燃油发动机带动的压缩机用直流电动机直接驱动，但制冷效果不理想。也有采用半导体制热制冷的热电空调技术，但效率较低，不容易被电动车接受[3，4]。

1 几种纯电动汽车空调系统比较

目前纯电动汽车空调一般采用以下三种，即压缩机式制冷空调、热泵式空调、热电式空调。传统压缩机式制冷空调的制冷系统主要由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器构成[5]。这種传统压缩机制冷式汽车空调，用在内燃机车上，空压机通过内燃机带动，把内燃机机械能转化为空压机机械能，能耗传递效率为0.95左右，制冷系数在1.5-2之间。但若应用在纯电动汽车上，电能转换为机械能，能耗转化效率为0.44，制热需另加设备。热泵式空调，根据热量传递只能从高温物体→低温物体的热量传递原理，采用逆循环压迫方式进行热量传递，工作原理图如图2所示[6]。其结构复杂，难以维修，制冷系数在1.5-2之间。热电式空调，通过改变电流方向来获得制热制冷效果，且热电制冷片热惯性小，制冷时间短，主要由半导体元件，换热器，冷却系统，鼓风机，温控元件。电动转化为制冷制热量[7，8，9]。冷效率只有压缩机制冷效率的50%左右，只能在小体积和微型化上比传统压缩机制冷有较好表现。其在温度小于0℃的环境下换热器结霜，系统无法在寒冷地区使用，如我国高纬度地区[10，11]。

2 正六面体半导体空调

正六面体半导体空调系统主要由换热器、半导体单元、接线柱、鼓风机、半导体水箱、散热器、散热风扇和冷却水泵构成。其工作原理如图1所示。

图1（a）中，把一P型半导体元件和一N 型半导体元件连成热电偶，接通电源，半导体单元的上端产生冷源，并将冷源传递至换热器，将鼓风机鼓入换热器的空气制冷，通入汽车内部，下端产生的热源被半导体水箱中的冷却水吸收，通过冷却水泵将水注入散热器中，由散热风扇将热量排到车厢外。制热时，电流方向是P-N，温度上升，并且放热，形成热端，如图1（b），当电流方向相反时，可以实现冷热端互换。换热器若采用正六面体结构，体积更小，制冷量更大，制冷效果更好，效果图如图2所示。热电元件工作时仅需12V直流电源、改变电流方向即可产生制冷、制热逆效果，改变电流大小即可改变制冷制热量，体积小、重量轻、有利于减小电动汽车的整备质量，可靠性高、寿命长、维护方便，因没有传动部件，所以无振动、无噪声且耐冲。直流电控制制冷片制冷量大小，控制方式更精确，半导体空调正六面体结构设计更为优化，节省空间和质量。

3 制冷制热试验

本文从制冷制热两方面进行试验，对提出的正六面体半导体空调系统制冷制热进行分析。

制冷试验，车速为0，处在静止状态，测试时间为30分钟，环境温度为39℃，相对湿度为63%，日照强度为1200瓦/m2，车外交换器表面风速为4.0m/s，压缩机转速保持在3000-5000转/秒，车内风机风量为400m3/h，进行测试。制冷30分钟后，出风口温度≤12℃，回风口温度≤28℃，车内平均温度≤26℃。在压缩机转速为3000-5000r/min变化时，压缩机转速大小对出风口温度具有一定影响，如图3所示。车内风机风量在360-450m3/h变化，出风口的温度变化曲线如图4所示。

通过对图3 和4 分析可以看出，发动机转速从3000r/m开始运行时，出风温度为11.5℃，当发动机转速升到5000r/m时，出风口温度下降到8.7℃左右。同时，车内送风量从刚开始的370m3/h上升到450m3/h，出风温度从7.5℃上升到10.25℃左右。总体来看，正六边形半导体空调系统制冷效果可以接受。

制热试验，所需时间较长，测试50分钟后，车内的平均温度变化情况。外界环境温度为-5℃，在持续制热40分钟过后，车内平均气温可以达到15℃，前席足部温度≥18℃，后席足部温度≥10℃。排气温度和回风温度变化曲线如图5、6所示。图5、6所示排气温度和回风温度变化曲线中，可以看出，空调系统制热40分钟后，排气温度从7℃上升到接近63℃，回风温度从零下2.5℃上升到接近25℃。比较燃油汽车制热，显然不足。但比较其他几种纯电动汽车而言，制热效果仍具有明显的优势。

4 总结

本文提出一种采用正六面体半导体电流方向来实现系统制热与制冷，总结出适用于纯电动汽车的制冷制热方法，在实验环境下获得制冷制热的节能高效，相比现在大多数纯电动汽车上使用的传统空调制冷和电加热设备制热装置，可以节约30%左右的空调制造成本和维修成本。

参考文献：

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