電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

韓光杰

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

韓光杰

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章主要分析電動汽車空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)車空調(diào)系統(tǒng)的區(qū)別，介紹電動車空調(diào)系統(tǒng)的特點，對比了國內(nèi)外不同結(jié)構(gòu)熱泵空調(diào)系統(tǒng)并根據(jù)其結(jié)構(gòu)分析了優(yōu)缺點，針對采用不同制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)做了比較，總結(jié)了熱泵空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和設(shè)計思路。

電動汽車熱泵空調(diào)；CO2；四通閥

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.038

CLC NO.: U463.61 Document Code: B Article ID: 1671-7988 (2016)06-109-03

前言

傳統(tǒng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)制熱功能是利用發(fā)動機(jī)冷卻液的余熱，通過冷卻液的循環(huán)來實現(xiàn)的，而電動車由于沒有了發(fā)動機(jī)這一部件，無法再利用原有的方式進(jìn)行制熱。制熱功能作為低氣溫條件下駕乘人員的取暖方式，是舒適性的必備條件。因此，電動汽車必須采用新的方式實現(xiàn)制熱功能。

1、電動車空調(diào)系統(tǒng)制熱

目前電動汽車的制熱方式較常見的是采用 PTC加熱的方式，但由于PTC制熱效率低，制熱效率最高僅為1:1，且PTC使用的是動力電池的電量，在PTC工作時對電動汽車的續(xù)航行駛里程影響較大。如市場上某型號純電動轎車，配備動力電池容量為 80Ah，電壓 320V，整車?yán)m(xù)航里程標(biāo)稱200-260km，PTC功率為2kW。則開啟1小時PTC需要消耗約8-10%左右的動力電池容量，直接影響續(xù)航里程減少20km左右。而熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種新的車輛空調(diào)技術(shù)，它為車輛制冷和制熱，用1千瓦的電力即可產(chǎn)生3千瓦的制冷功率或2千瓦的制熱功率，而不再是之前介紹PTC的1:1消耗，大大減少了以往空調(diào)系統(tǒng)對續(xù)航里程的影響。實驗證明，環(huán)境溫度為-10℃時，以R134a為制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)有較好的制熱性能，而環(huán)境溫度為-20℃時，采用CO2為制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)仍然能穩(wěn)定地提供所需熱量[1]。

2、電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

根據(jù)電動車的特點以及制熱功能的需求，許多汽車空調(diào)生產(chǎn)廠家和一些科研單位展開了研究。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]介紹了一套由永磁直流無刷電機(jī)直接驅(qū)動的電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)較好地解決了電動車的制熱問題，其工作模型如圖1所示。

圖1　熱泵空調(diào)系統(tǒng)圖

該空調(diào)系統(tǒng)工作原理具體如下：當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)需要運行在制冷模式時，通過四通換向閥的動作，使得從壓縮機(jī)出口流出的制冷劑按照圖中實線指示的方向運行，通過鼓風(fēng)機(jī)將冷風(fēng)吹入室內(nèi)，實現(xiàn)車內(nèi)制冷。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)需要運行在制熱模式時，同樣通過四通換向閥的動作，使得從壓縮機(jī)出口流出的制冷劑按照圖中虛線指示的方向運行，實現(xiàn)車內(nèi)制熱。

可以看出，該熱泵空調(diào)系統(tǒng)與普通空調(diào)系統(tǒng)整體架構(gòu)不同，其區(qū)別在于，增加了可改變制冷劑流向的四通換向閥，且采用了允許雙向流動的膨脹閥。但當(dāng)該系統(tǒng)工作在制熱工況下，系統(tǒng)從除霜模式轉(zhuǎn)換為制熱模式時，風(fēng)道內(nèi)換熱器上的冷凝水將迅速蒸發(fā)，在車輛的前擋風(fēng)玻璃上結(jié)霜，從而影響駕駛安全性。

圖2　電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

日本電裝（DENSO）公司開發(fā)出的一套以R134a為制冷劑的電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在風(fēng)道中使用了2個換熱器。制冷、制熱模式保持不變，當(dāng)系統(tǒng)以除霜/除濕模式運行時，制冷劑將經(jīng)過所有 3個換熱器，運行路線為：壓縮機(jī)-四通閥-內(nèi)部冷凝器-電子膨脹閥1-外部冷凝器-電子膨脹閥2（電磁閥關(guān)閉）-蒸發(fā)器-氣液分離器-壓縮機(jī)。系統(tǒng)通過內(nèi)部蒸發(fā)器來除濕，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，然后通過鼓風(fēng)機(jī)送入室內(nèi)。從而既解決了安全性的問題，且在融霜時還能同時控制出風(fēng)口空氣的溫度，系統(tǒng)如圖2所示。

該系統(tǒng)的試驗結(jié)果如表 1所示，環(huán)境溫度在-10℃到40℃的范圍內(nèi)，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下，以最大能耗1kw能完成對車室的制冷和制熱[4]。不僅能在制冷和制熱模式下滿足舒適性，也能通過使用電子膨脹閥來控制出風(fēng)溫度，也能以較小的能耗在很大的濕度范圍內(nèi)完成除濕操作。

表1　

另外，由于CO2有著良好的熱物理性能，日本電裝公司也為電動車開發(fā)了一套CO2作為制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)[5]。同樣，系統(tǒng)也在風(fēng)道內(nèi)設(shè)置了2個換熱器。不過與R134a制冷劑系統(tǒng)不同的是，在制冷模式時，制冷劑也同時流經(jīng)內(nèi)部冷凝器和外部冷凝器。

3、采用不同制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)的比較

對于熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能，不同的制冷劑有著不同的表現(xiàn)。M.Hosoz和M.Direk[6]對以R134a為制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。將普通的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改制，使得原單向運行的系統(tǒng)可以雙向運行，成為簡單的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在環(huán)境溫度不是很低的情況下能夠提供足夠的制熱量，而當(dāng)環(huán)境溫度繼續(xù)降低時，熱泵系統(tǒng)的制熱效率下降明顯。

圖3　R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)示意圖

圖4　COP值隨室外干球溫度的變化曲線［7］

歐陽光以R407c為制冷劑，對熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了研究[7]。該系統(tǒng)直接采用了四通閥實現(xiàn)系統(tǒng)的雙向運行。其研究結(jié)果表明，系統(tǒng)COP隨環(huán)境溫度降低而降低，當(dāng)環(huán)境溫度很低時，COP將小于1，如圖4所示。

Tamura設(shè)計了一種以CO2為制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)[8]，該系統(tǒng)在制熱模式時，可以利用除濕過程中的余熱，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。測試結(jié)果表明，制熱模式下的COP可以達(dá)到以R134a為制冷劑的1.31倍，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。所以，使用CO2作為制冷劑是提高低溫環(huán)境下熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱能力不足的方法。而且，在2006年時歐盟發(fā)布規(guī)定：2011年1 月1日起，所有新批準(zhǔn)型號的汽車熱放空調(diào)系統(tǒng)將禁止使用含GWP＞150的氟化氣體制冷劑，從2017年1月1日起，所有新出廠車輛的空調(diào)系統(tǒng)將禁止使用含GWP大于150的氟化氣體制冷劑。而R134a和R407c的GWP值分別為1300、1500，所以這兩種制冷劑不久將被取代。

圖5　CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)

3、結(jié)論

隨著電動汽車的日益發(fā)展以及國家政策對新能源汽車的鼓勵，電動汽車越來越受到人們的追捧。而空調(diào)作為駕乘舒適性的功能要求，也必然會有著越來越高的要求。綜合上述情況，從空調(diào)技術(shù)的發(fā)展和工作效率來說，熱泵型空調(diào)系統(tǒng)良好的工作性能必然作為發(fā)展趨勢。但不論哪種空調(diào)系統(tǒng)，工作時均使用的是動力電池電量，而目前受限于電池技術(shù)的發(fā)展和續(xù)航里程的短板，使得空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能高效成為首要考慮因素。因此，就目前情況而言，可以從以下幾個方向考慮：

（1）注意改善車輛自身的密封以及隔熱性能，使得外部環(huán)境因素的影響降到最小；

（2）開發(fā)更高效的渦旋式壓縮機(jī)，降低能耗比；

（3）系統(tǒng)設(shè)計時考慮不同工況下的工作情況，使得系統(tǒng)運行達(dá)到最高效率；

（4）開發(fā)控制更精準(zhǔn)節(jié)能的硅電子膨脹閥。

[1] Ullrich Hess. Results from CO2 Heat Pump Applications [C].2002 SAE Automotive Systems Symposium.

[2] 馬國遠(yuǎn),史保新,陳觀生,等.電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的試驗研究[J].低溫工程,2000,（4）:40-41.

[3] 史保新,馬國遠(yuǎn),陳觀生.電動車用空調(diào)裝置的研究[J].流體機(jī)械, 2002,（4）:48-49.

[4] 鐘民先,祁照崗,陳江平,等.汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)可行性分析[C].上海市制冷學(xué)會2005年學(xué)術(shù)年會論文集.

[5] Werner Hunemorder,Nobuharu Kakehashi,etc;CO2 Heat Pump System with Electrical Compressor [C].VDA Alternate Refrigerant Winter Meeting,2003.

[6] Hosoz M.,Direk M.Performance evaluation of an integrated automo -tive air conditioning and heat pump system[J].Energy Conversion and Management ,2006(47):545-559.

[7] 歐陽光.熱泵型電動汽車空調(diào)系統(tǒng)性能試驗研究[D].廣州:華南李工大學(xué),2011:33-34.

[8] Tamura Tomoichiro,Yakumaru Yuuichi,Nishiwaki Fumitoshi.Experimental study on automotive cooling and heating air condition system using CO2as a refrigerant[J].International Journal of Refrigeration,2005(28):1302-1307.

Heat Pump Air Conditioning System for Electric Vehicles

Han Guangjie
（Anhui jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

This paper mainly analyzes the difference between Electric Vehicles air conditioning system and conventional air congditioning system,introduce the characteristics of Electric Vehicles,compared the different structure of the heta pump air conditioning system at home and abroad,and according to its structural analysis the advantages and disadvantages,in view of the different compairing the refrigerant heat pump air conditioning system and summarizes the development trend of the heat pump air conditioning system and the design train of thought.

Electric Vehicles Heat pump Air Conditioning; CO2; Four-way valve

韓光杰，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。

U463.61

B

1671-7988 （2016）06-109-03