電動汽車空調的發展現狀與趨勢

李冬青 張永學

（1.焦作交通中等職業學校，焦作 454200；2.鄭州交通學院，鄭州 450062）

電動汽車作為目前新能源汽車的主要類型，已公認為是汽車的發展方向。盡管目前電動汽車的動力性、經濟性和舒適性與傳統燃油汽車還存在一定的差距，但無論是政府、科研機構，還是汽車制造商都在致力于電動汽車與傳統汽車相比性能上的突破。作為汽車舒適性之一的空調性能已成為現代汽車消費者的基本要求。然而，由于電動汽車的動力源與傳統燃油汽車有著本質的不同，其空調系統也有著較大的差別。

汽車空調作用有三個，一是調節乘艙內的空氣溫度，二是吸入新鮮空氣，保持乘艙內的空氣流動和清潔度；三是實現擋風玻璃的去霜功能，保持駕駛員有一個良好的視野。傳統燃油汽車空調裝置實現上述功能，是依靠來自于發動機曲軸的動力，驅動壓縮機和水泵（發動機余熱）進行工作，而電動汽車就不能依靠機械動力實現上述功能。

1 目前電動汽車空調設計現狀

1.BSG電動汽車空調系統：BSG電動汽車，也就是輕度混合電動汽車，其電機不直接參與動力驅動，僅僅是作為快速啟動發動機時的扭力來源。因此，對于BSG電動汽車的空調系統與傳統燃油發動機的空調系統基本一樣，制冷裝置的壓縮機的動力來源于發動機曲軸上的機械動力，取暖仍然是利用發動機的余熱，只是機械水泵換成電動水泵。

2.ISG電動汽車的空調系統：ISG電動汽車，即中度混合電動汽車，其電機參與動力驅動，但還不具備純電動汽車的行駛模式。由于ISG電動汽車配有小容量的高壓電池，其空調系統與傳統燃油汽車相比有一定的變化。其制冷系統多采用雙模系統，即發動機運行時，空調壓縮機動力來自于發動機，發動機停止運轉時，壓縮機由電機驅動。其取暖方式與ISG相同。

3.PHEV電動汽車空調系統：PHEV電動汽車，即插電式混合動力汽車，不僅配有大容量的高壓電池，還可以利用外部電源進行充電。其電機不僅參與發動機的動力驅動，還可以以純電動模式進行動力驅動。因此，其空調系統與ISG相比，又有了進一步的改進。其制冷裝置的壓縮機不是依靠發動機或驅動電機提供動力的機械是壓縮機，而是電動壓縮機。其優點是重量輕、體積小、噪聲低、制冷效率高，而且控制精度高，已成為電動汽車空調系統的發展趨勢。其取暖裝置分別采用發動機余熱+電動水泵+空氣PTC輔助加熱和發動機余熱+電動水泵+獨立的燃料加熱器兩種方式。

4.EV電動汽車的空調系統：EV電動汽車，即純電動汽車，沒有發動機，所有動力來源只能是蓄電池。其制冷系統與PHEV基本相同，但取暖裝置只能依靠于高壓大容量電池。目前有兩種方式：高壓PTC水加熱器+電動水泵和高壓PTC空氣加熱器。

5.FCEV電動汽車的空調系統：FCEV電動汽車，即燃料電動汽車，就是將燃料的化學能轉化成電能（即燃料電池），作為汽車的運行動力。由于燃料電池在能量轉化過程中，只能部分轉化成電能，而其余部分則轉化成熱能。因此，其取暖裝置可以利用燃料電池工作時產生的余熱+電動水泵的方式來提高艙室的溫度。其制冷裝置依靠于電動壓縮機的方式工作。

2 電動汽車空調的發展趨勢

電動汽車的發展方向必將是由混合動力向純電動汽車和燃料電動汽車方向發展，其空調動力來源也是由機械動力轉為電源動力。但對于電動汽車有限的電能源而言，如何降低最大輔助耗能的空調能源消耗，提高制冷（熱）效率，無疑對于延長電動汽車的行駛里程有著重要的意義。國內外高校和企業在研究電動汽車的同時，也相應地開展了空調系統的配套研究。由于傳統的燃油汽車車艙內冬季采暖一般采用發動機的余熱，而電動汽車尤其是純電動汽車冬季取暖不可能再依靠發動機余熱，這就需要一種既能制冷又能制熱的車用空調。就目前國內外的研究動向，電動汽車的空調傾向于熱泵技術空調。熱泵技術是一項節能技術，它在家用空調系統中的應用已較為成熟，市場上大約40%左右的家用空調運用熱泵技術。對汽車熱泵空調系統的研究目前僅僅局限于實驗室。目前汽車熱泵空調采用的技術路線主要包括R134a熱泵空調系統、CO2熱泵空調系統、太陽能輔助熱泵空調系統和電加熱器混合調節空調系統。

1.R134a熱泵空調系統：R134a熱泵空調系統是日本電裝公司開發的電動汽車空調系統。該系統是以空氣為熱源，在車艙內同時安裝有蒸發器和冷凝器，通過四通閥等關鍵部件的控制，可以實現制冷劑車艙內外雙向流動，達到制冷、取暖、除濕、除霜的功能，其原理如圖1。該空調系統經試驗測試，在制冷和制熱運行工況下具有較好的性能：當環境溫度為40℃，車室溫度為27℃，相對濕度為50%時，系統的制冷效能比（EER）達2.9；環境溫度為-10℃，車室溫度為25℃時，系統制熱性能系數（COPh）達2.3。目前，該空調系統還停留在實驗室研究階段，其主要應用瓶頸在于壓縮機要求是高效能的純電動壓縮機。另外，由于該系統采用的制冷劑R134ad的GWP(全球變暖潛能)值較高（1300），這與歐盟制定的“自2017年1月1日起，在歐洲境內生產和銷售的所有新車，禁止使用GWP＞150的制冷劑。”相沖突，因此需要進一步研究和改進。

圖1 R134a熱泵空調原理圖

2. CO2熱泵空調系統：CO2作為一種自然制冷劑在100年前曾經廣泛應用，只是到了上世紀30年代，有了“較合理”的氟利昂制冷劑所代替。目前，隨著人們環保意識的增強和空調標準的提高，尤其是對制冷劑的GWP值要求的降低，CO2（GWP值為1）作為一種來源廣泛、價格低廉、無毒、安全的天然氣體重新列入空調制冷劑的方向。自從1992年挪威工業大學的Lorentzen教授提出了二氧化碳跨臨界循環理論，制造了第一套二氧化碳空調系統，并得出了與R134a系統相近的性能測試結果之后，二氧化碳再次引起人們的興趣。在CO2汽車空調系統的開發方面，國外許多著名的企業如日本的Denso（電裝），美國的Visteon（偉世通），法國的Valeo（法雷奧）等公司均已研制出二氧化碳汽車空調樣機。日本電裝公司還專門為電動汽車開發了一套CO2熱泵空調系統，系統也采用了在風道內設置2個換熱器的方案，與R134a系統（圖1）不同的是CO2系統各部件的承壓均超過10MPa，且制冷模式運行時，制冷劑同時流經內部冷凝器和外部冷凝器。2003年，上海交通大學聯合Santana（桑塔納）公司研制出我國第一套CO2汽車空調系統，通過實驗發現，該系統與國外同期研制的樣機性能差不多。但相比傳統的R134a系統而言，CO2系統排氣壓力高、成本高且壓縮機較為笨重，因而目前對CO2應用于汽車空調系統還僅僅停留在實驗室研究階段。

3.電加熱輔助熱泵空調系統：電動汽車熱泵空調系統在室外環境溫度極低的情況下，制熱性能會大大降低，往往無法滿足車內的熱負荷需求，而采用電加熱輔助的空調系統則克服了熱泵系統的以上缺點。三菱汽車2009年7月上市的電動汽車“i-MiEV”采用了電加熱器作為空調的制暖熱源。加熱器由可用電發熱的PTC（Positive Temperature Coefficient）加熱器元件、將加熱器元件的熱量傳送至散熱劑（冷卻水）的散熱扇、散熱劑流路和控制底板等組成（圖2）。該電加熱器配置在駕駛席和副駕駛席之間的地板下方，通過在其內部的加熱原件兩側通入冷卻水，提高了制暖性能。

圖2 i-MiEV電動汽車電加熱器

4.太陽能輔助空調系統：早在1989年，Ingersoll就發現將太陽能電池布置在車頂，在為汽車空調系統提供部分能量的同時也大大降低了車廂內的峰值冷負荷。由于汽車空調在制冷時需要幾千瓦的功率，而目前在轎車頂部安裝不足2m2太陽能電池一小時只能產生200-300W的能量，要完全依靠太陽能電池來驅動壓縮機目前還不可能。但是可以驅動風扇電機，尤其是在夏季陽光下泊車時，在減少車艙內因太陽照射升溫的同時，可以驅動風扇，加強車艙內的空氣流通，能在乘車人進入車內時有一個較好的環境。

5.冷熱電聯合儲能電動汽車空調系統：本技術以水為介質，通過蓄冷/蓄熱供應電動汽車的空調/暖氣，代替現有的電驅動空調和電加熱器，由此大幅度提高電動汽車的續程能力，同時大幅度降低儲能設備的成本。夏季，汽車充電時，制冷系統啟動，為蓄能器制冰蓄冷。冬季，汽車充電時，通過電加熱系統（PTC），為蓄能器蓄熱。該空調系統的最大優點是減少了對有限能源的依賴，從而延長了電動汽車的行駛里程。不足之處就是增加了汽車的重量和蓄冷/蓄熱設施。

3 結論

空調作為電動汽車最大輔助系統，隨著動力源的變化，其工作形式也必將發生質的變化。目前國內外對電動汽車空調、尤其是純電動汽車空調系統的研究大多是停留在實驗室研究階段，雖然提出許多設計方案（除了上述五種方案外，還有座椅空調系統），但最根本的一點就是提高空調制冷/制熱效率，減少有限電能消耗，保證汽車有效的持續里程。

[1] 謝卓，陳江平，陳芝久．電動車熱泵空調系統的設計分析[J]．汽車工程，2006（8）

[2] 曹中義．電動汽車空調系統解決方案[J]．汽車電器，2008（3）

[3] 歐陽光．熱泵型電動汽車空調系統性能試驗研究[D]．華南理工大學，2011