寶馬i3純電動車空調熱泵解析

◆文/北京 馮永忠 康永祿

寶馬i3純電動車空調熱泵解析

◆文/北京 馮永忠 康永祿

為了解決擁擠的交通環境和獲得更低的排放，寶馬推出了i品牌，這是寶馬的第四個品牌，其主要代表著新能源汽車。寶馬i3是寶馬首款專為城市打造的純電動量產車型，其不僅擁有更環保、更具科技感的特色，而且其價格也并非遙不可及。而本文將就該車的空調熱泵作詳細介紹。

一、帶熱泵的加熱回路

寶馬i3純電動車的熱泵換熱器安裝在冷卻液泵和電加熱器之間，由于使用熱泵，電加熱器的電能消耗明顯減少。在進行效率比較時，清晰地顯示了熱泵節約的能量，為了獲得5kW的輸出熱量，由于電阻損失，電加熱器需要消耗5.5kW的電能。而帶熱泵的系統只需要2.5kW的電能。EKK(電動空調壓縮機)使用這些電能壓縮制冷劑，在熱泵換熱器產生所需的輸出熱量，如圖1所示。

圖1 熱泵和電加熱器效率比較

冷卻液回路只是增加了熱泵換熱器，即使使用熱泵，也必須配置電加熱器，以保證系統發生故障時，仍能夠達到乘客艙所需的溫度，其示意圖如圖2所示。為了防止回路堵塞或損壞，必須使用寶馬i3新型專用冷卻液。

二、熱泵系統

在寶馬i3純電動版上，電機和動力電控裝置產生的可用廢熱很少。即使在寶馬i3增程式純電動車上，也不使用增程式發動機上產生的廢熱，為了減輕重量，該款增程式純電動車上不配置熱泵。

圖2 帶熱泵的乘客艙加熱系統示意圖

由于配置了熱泵，使用電加熱器的純電動版其行駛里程并不明顯減少。乘客艙所需的熱量由帶熱泵的暖風空調系統提供。熱泵的工作原理與暖風空調系統相反，高溫高壓的制冷劑流過冷凝器時，釋放的熱能直接排入大氣。而流過熱泵熱交換器時，制冷劑釋放的熱能用于加熱乘客艙，其原理圖如圖3所示，帶熱泵的空調制冷劑管路如圖4所示。

圖3 熱泵原理圖

圖4 帶熱泵的空調制冷劑管路圖

三、熱泵系統主要元件

1.熱泵控制器

局域網總線作為熱泵控制器和IHKA(自動恒溫空調)控制單元進行通信的數據線。熱泵控制器模擬通道評估制冷劑溫度傳感器和制冷劑壓力-溫度傳感器信號，并控制制冷劑截止閥和制冷劑電控膨脹閥(EXV)等執行器。熱泵控制器負責把模擬信號轉換成數字信號，反之亦然。

在暖風空調系統中，熱泵是唯一由車身域控制器供電的元件。而且是以脈寬調節信號的形式，通過熱泵控制器進行控制。連接局域網的IHKA控制單元設定中央控制，熱泵控制器根據傳感器數值執行指令，熱泵控制器系統圖如圖5所示。

2.制冷劑溫度傳感器和壓力-溫度傳感器

帶熱泵的空調制冷劑管路上有3個溫度傳感器，2個壓力-溫度傳感器，用于把制冷劑溫度和壓力值傳遞給熱泵控制器，其前后安裝位置如圖6和圖7所示。

3.制冷劑截止閥

管路上共有4個制冷劑截止閥，閥門用于控制制冷劑回路，開關閥門可以引起制冷劑在冷凝器和蒸發器中的不同流向，使熱泵有制冷、加熱和混合3種不同的運轉模式。由于空調壓縮機的潤滑和壓縮，制冷劑不能在EKK和儲液干燥器的制冷劑管路中反向流動。

按照IHKA發來的指令，熱泵控制器打開或關閉制冷劑截止閥。制冷劑截止閥只能全開或全關，其中3個閥門在斷電時打開，另一個閥門在斷電時關閉。在熱泵的加熱模式下，關閉的閥門打開，使制冷劑從冷凝器通過儲液干燥器流回EKK。

圖5 熱泵控制器系統圖

圖6 前端的安裝位置示意圖

圖7 后端的安裝位置示意圖

所有制冷劑截止閥都位于車輛的前端，如圖8所示。序號1所示的制冷劑截止閥有2個，一個安裝在EKK和熱泵換熱器之間，另一個安裝在EKK和冷凝器之間。序號2所示的制冷劑截止閥也有2個，一個安裝在蒸發器和儲液干燥器之間，另一個安裝在冷凝器和儲液干燥器之間，這個閥門在斷電時關閉。

圖8 制冷劑截止閥

4.電控膨脹閥(EXV)

由于使用了熱泵，高電壓蓄電池冷卻回路中的熱控膨脹閥(TXV)和組合的膨脹截止閥(ETXV)被3個電控膨脹閥(EXV)取代。這3個閥使用步進電機在0～100%之間控制制冷劑管路，如圖9所示。3種不同類型的電控膨脹閥如圖10所示。

5.儲液干燥器

帶熱泵的儲液干燥器(圖11)要滿足空調壓縮機的進氣要求，同時儲存潤滑用冷凍機油。作為儲存罐，儲液干燥器能夠補償壓縮機長期運轉緩慢減少的制冷劑，保證熱泵回路的正常工作。空調的儲液干燥器集成在冷凝器上，不能單獨更換。

圖9 電控膨脹閥

圖10 電控膨脹閥的類型

圖11 儲液干燥器

6.熱泵換熱器

熱泵換熱器將高溫高壓制冷劑的熱量傳遞給暖風加熱管路流動的冷卻液，如圖12所示。

圖12 熱泵換熱器

四、熱泵的工作模式

汽車上安裝的熱泵有制冷、加熱、混合3種工作模式。該熱泵系統使用1kW的電能可以獲得2kW的熱量或3kW的冷氣。在所有工作模式，熱泵的感知溫度范圍是-10℃～40℃。帶熱泵的空調制冷劑量是970g，不帶熱泵的空調制冷劑量是750g，制冷劑的質量對空調系統的正常運轉非常重要。

1.制冷模式

熱泵在制冷模式時，制冷劑回路選用的設備與空調的標準設備完全相同。關閉制冷劑截止閥18和20，打開制冷劑截止閥17和21，示意圖如圖13所示。

2.加熱模式

熱泵在加熱模式時，關閉制冷劑截止閥17和21，打開制冷劑截止閥18和20,制冷劑流過熱泵換熱器。熱量不再從冷凝器排入大氣，而是傳遞到暖風加熱回路的冷卻液。熱泵換熱器出口的電控膨脹閥產生壓力，足夠的熱量傳遞到這里。為了再次關閉回路，空調蒸發器也使用電控膨脹閥產生制冷劑壓力。激活用于制冷的蒸發器電控膨脹閥，以便再次增加蒸發器制冷劑壓力，也可以使用產生的熱量。散熱后的制冷劑反向流過冷凝器，通過打開的制冷劑截止閥和儲液干燥器流回EKK，示意圖如圖14所示。

3.混合模式

熱泵在混合模式時，打開制冷劑截止閥17、20和21，關閉制冷劑截止閥18，制冷劑不能反向流動。高溫高壓制冷劑分流，一方面經冷凝器散熱后，冷卻高電壓蓄電池，并通過冷卻蒸發器實現乘客艙除濕，另一路高溫高壓制冷劑在熱泵換熱器散熱。當車外光線強時，不必從空調出風口吹冷氣，這是帶熱泵空調系統的另一個優點。如果要加熱腳部空間，使用熱泵換熱器，不必浪費電能，示意圖如圖15所示。

圖13 制冷模式示意圖

圖14 加熱模式示意圖

圖15 混合模式示意圖