论文总字数：18560字

摘 要

随着世界范围内节能减排的重视和新能源的利用，新型电动汽车也就成为车辆行业的主流，特别是小型车辆。然而电动轿车内的空调系统在提高车的节能方面起着极为重要的作用。空调系统作为车辆的辅助系统和高能耗对象，也应适应新型电动汽车的发展和提高新能源的利用率。如今传统发动机汽车空调系统在节能及NVH方面有着较大缺点，本文主要研究适用于电动轿车的空调系统。送风器是空调系统的主要部件，需要消耗能量将符合车室内要求的空气介质送到车室内。并且采用渐缩喷管作为送风器的设计。之后利用GAMBIT建立计算模型并使用 FLUENT 软件对喷管模型进行流速与压强分析，建立喷管网格模型并进行仿真。本设计从节能角度对送风器进行探讨性设计。

关键词：电动汽车；空调系统；渐缩喷管；FLUENT

Abstract

With the worldwide attention to energy conservation and emission reduction and the use of new energy, new electric vehicles have become the mainstream of the vehicle industry, especially small vehicles. However, the air conditioning system in the electric car plays an important role in improving the energy saving of the car. As the auxiliary system and high energy consumption object of vehicle, air conditioning system should also adapt to the development of new electric vehicle and improve the utilization rate of new energy. Nowadays, the traditional engine vehicle air conditioning system has great shortcomings in energy saving and NVH. This paper mainly studies the air conditioning system suitable for electric cars. The air blower is the main component of the air conditioning system. It needs to consume energy to send the air medium that meets the requirements of the car interior to the car interior. In addition, the design of the draft fan is based on the reduced nozzle. After that, we use gambit to build the calculation model and fluent to analyze the velocity and pressure of the nozzle model, and then build the nozzle grid model and simulate it. This design carries on the discussion design from the energy conservation angle to the air blower.

Key Words：Electric vehicle；Air conditioning system；Tapered nozzle；FLUENT

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 电动汽车的发展 1

1.2 电动汽车的分类 1

1.3 电动汽车空调系统 2

1.3.1 汽车用空调的功能和要求 2

1.3.2 电动汽车空调系统的分类 2

1.4 电动汽车空调系统的发展现状和趋势 3

1.4.1 电动汽车空调系统的现状 3

1.4.2 国内外的研究现状 3

1.4.3 电动汽车空调系统发展的趋势 4

第2章 电动汽车空调送风器设计 5

2.1 电动汽车空调换气系统 5

2.2 对喷管的基本认识 5

2.2.1 喷管的分类 5

2.2.2 气体在喷管中的流动特性 5

2.2.3 渐缩喷管的流动特性 8

2.2.4可行方案的分析 8

2.3 基本参数的确定 9

第3章 喷管模型的建立 12

3.1 喷管模型的建立 12

3.1.1 利用GAMBIT建立计算模型 12

3.2 本章小结 15

第4章 喷管内气体流动的仿真计算 16

4.1 FLUENT软件的介绍 16

4.2 仿真计算 16

4.2 计算结果分析 21

4.3 与另一尺寸的喷管模型建模仿真对比 21

第5章 总结与展望 24

5.1 总结 24

5.2 展望 24

参考文献 25

致 谢 26

第1章 绪论

电动汽车的发展

进入新世纪以来，全球能源衰竭和环境危害的问题被逐渐放大，已然在二十一世纪的第二个十年更加刻不容缓，全球各国将发展新能源产业提上重要日程。党和国家逐步出台了一系列政策方针，针对新能源特别是电动汽车的发展引领了重要的方向逐步用电动汽车替代传统燃油汽车的方案收到各界普遍接受。

电动汽车的分类

电动汽车(BEV)通常以使用车用电池为动力，使用车用电机来使车轮运转，符合道路安全法等各项要求的车辆。在汽车上能够实现其他能量与动能转化的装置有电机、热机和燃料电池三类， 电动汽车按照驱动能源类型可分为燃料电池汽车、纯电动汽车和混合动力汽车三类^[1]。

（1）燃料电池电动汽车

燃料电池电动汽车（FCEV）主要是利用H₂等可燃气体作为燃料，通过燃料电池机组或燃料发动机作为能源转换装置，将氢气的化学能用电化学方式转化为电能来驱使电机运转并驱动汽车行驶，通常这类电动汽车需配备高压电池组系统。

（2）纯电动汽车

纯电动汽车（BEV）是完全不使用化学燃料作为动力源，仅利用车载电池储存电能来驱动电机，进而驱动汽车行驶的混合动力汽车。

（3）混合动力汽车

混合动力汽车（HEV）是指同时使用化学燃料和电能作为动力源，用力改善低速行驶时汽车的动力输出和能源消耗问题。根据所使用的化学燃料的不同，混合动力汽车又可以分为柴油和汽油混动汽车两类。

电动汽车空调系统

汽车用空调的功能和要求

在汽车的发展过程中总结出汽车的主要功能有四种：

1. 空调系统的制冷、采暖功能：

通过对进入汽车车室的空气进行冷却或加热，保证车内的温度在一个较为合适的范围的功能。

1. 空调系统的湿度控制功能：

用以维持车室内较为舒适的干燥度的功能，通常将车内湿度保持在 50%左右。

1. 空调系统的通风换气和空气过滤功能:：

用于除去进入车室空气中的灰尘和颗粒物，保持车内空气的新鲜程度。

1. 空调系统的除霜除雾功能:：

利用空调的外循环清除前挡风玻璃及两侧车窗因温度差所产生的霜或雾，为驾驶员和乘客提供清晰的视野，以保证驾驶和乘车安全。

现代人们对于汽车的需求越来越高，同时对汽车的要求也更高，电动汽车除了要满足上述常规动力汽车所必要的功能之外，还需要技术的发展和创新，调整动力改变对汽车所带来的影响，以满足人们更高的要求。

电动汽车空调系统的分类

常规动力的汽车充分利用车内有限的空间，采用制冷、取暖和通风换气一体式的空调系统，即为汽车空调器的总成，是如今汽车通用的空调系统。由于电动汽车动力源的改变，它对汽车空调系统也造成了很多方面的影响，使得汽车的能源使用效率降低。因此电动汽车的一个发展目标就是提高能源利用效率，同时改进汽车空调系统，满足电动汽车的发展要求。目前来说几类电动汽车对应的空调系统略有差异：

（1）燃料电池电动汽车的空调系统

该类汽车将燃料的化学能转化为电能，其弊端在于电池的能量转换效率低，余热消耗量大，导致该类汽车的能耗较大。不过这样可以采用吸收式制冷系统利用余温， 但该系统传热性能较差，热力系数偏低，制冷量也随之下降，因此还需进一步的研究完善。

（2）纯电动汽车的空调系统：

为纯电动汽车，没有燃料的化学能源被用作动力。因此也不能利用内燃机运转过程中产生的余热来作为空调加热装置的热源。该类汽车空调的制冷和加热装置的能量都来自于高压电池，因此其工作效率较低，但从另一方面来说，纯电动汽车无需用空调系统对发动机构件进行冷却，因此无需大功率的进气风扇以及复杂的空调系统构造。

对于其制冷功能可用电动压缩机代替传统的发动机驱动压缩机，其匹配参数以及转速控制能需改善以提高能源利用效率，但这类汽车的最大弊端是空调的制热过程。纯电动汽车没有发动机为空调提供余热和动力，同时电池的发热量很小，电动机的余热难以回收利用，需要用高压电池给空调系统加热。加热方法包括利用高压电直接加热空气或加热冷却液，然后加热空气。两种方法都有其弊端。因此需要更多的实验研究来得到一种更为合适的制热方法。

（3）混合动力汽车空调系统：

混合动力汽车与其他类别的汽车的区别在于其采用的是混合动力驱动，是由燃油发动机和电动机共同或独自驱动汽车行驶，其动力匹配装置与传统内燃机汽车相比差别不大，因此该类汽车的空调系统与传统内燃机汽车空调系统基本相似。当压缩机的动力来源改变时，只需要改变相应的参数配置来保证空调系统的正常运行。

混合动力驱动的汽车通过高压电池产生的能量驱动压缩机制冷，因此当发动机停止运转时电动压缩机仍可运行，但受到高压电池容量和电压的限制其功率不会很高， 因此在大多数情况下需要用机械和电力双模式压缩机制冷。

电动汽车空调系统的发展现状和趋势

电动汽车空调系统的现状

常规动力汽车空调制冷系统主要由压缩机、冷凝器、储液器、膨胀阀、蒸发器、风机及管路与控制部件等组成，他们的共同特点是由发动机提供动力，消耗约20%的发动机功率，但其转化效率却低于50%，因此对空调系统的改进是十分必要的。电动汽车空调系统与传统内燃机汽车有所差异，其制冷系统主要包括电动压缩机及控制器、冷凝器、管路系统、室内外温度传感器、光传感器、主机、膨胀阀、控制器等部件组成。在制热系统方面主要采用电热管加热和PTC加热两种模式。国内多数车企直接利用蓄电池带动电动压缩机工作，虽然这种方法具有结构简单、制热效率高、体积小等优点，但这样会严重损耗汽车的续航里程，同时其加热效率不高，这些明显的缺陷制约着电动汽车在我国的发展，尤其是在北方地区。冬季汽车的空调制热系统会损耗汽车50%左右的续航里程，因此新能源汽车在我国的发展和普及还有很长的路要走。

国内外的研究现状

随着电动汽车的快速发展，汽车空调系统也相应的向着节能、环保、智能化与轻量化的方向发展。目前国内外的研究主要集中在电动压缩机研发、热泵循环技术、电池热管理技术、集成控制系统、环保型制冷剂等五个方面，目前这些技术主要研发国家是美国、日本、中国和法国等国。1）电动压缩机的研发，国内主要是由上海三电贝洱和奥特佳进行研发，国外的研发公司主要有日本的三电、电装、松下以及韩国的翰昂等。在该方面国内的技术与国外还相差较大。2）热泵循环技术加上辅助 PTC，目前国内外都在进行制冷性能、低温制冷量和除霜方面的研究。3）在集成控制系统方面国内外的差距主要在于软件系统和控制逻辑方面。4）环保型制冷剂，目前国内有企业与上海交通大学合作研究制冷剂的替代应用^[2]。另外有研究在车型开发的早期准确地计算风道中的流体运动缩短开发周期和减少开发成本的基础上，提高乘员舱的舒适性^[3]；；云南师范大学的胡小芳等人^[4]通过对喷管内流体的流动状况做分析，得到喷管截面的变化规律取决于多种参数，尤其是马赫数的结论；兰州交通大学的郑玉等人^[5]分析了气流通过喷管时，各个界面的压力和流量的变化情况最近这些年的大趋势是对汽车的NVH性能进行研究，所以空调出风口的气动噪声研究也是热门，利用仿真分析，在寻找噪声源分布方面下功夫^[6]；还有研究分析与对比我国和西方国家的空调节能性能在法律法规上的鼓励机制上的差异，并探究分析多种空调研究节能技术的内在运行机制^[7]；还有研究对不同温度下的空调工质，研究了不同工质的吸附性能^[8]；还有外国学者对中国的新能源汽车空调的成本和效益进行建模^[9]；利用数学模型建立混合动力系统模型，对能耗进行性能评估^[10]。

电动汽车空调系统发展的趋势

在未来电动汽车需要加大对清洁能源的使用占比，同时使用效率也应越来越高。而作为未来新能源主要的能源消耗系统之一的空调系统，也要随着技术的不断改进趋 近于新的发展趋势。电动汽车的发展也应集中在高效控制以及节能环保等方面。常规动力汽车空调系统采用ECU 电控系统，而电动汽车采用的是电动压缩机，在控制领域上可以参考家用空调“变频控制”的模式，市场上已经出现了较为成熟的交流变 频电动压缩机的技术。另一项较为适用的技术为热泵技术，有效利用空调制冷时的热量损失，不仅能提高效率，也可以提升汽车的续航里程。随着研发的改进与技术的升级，变频与热泵技术都有望得到应用。

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