電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)研究

胡志林 張昶 楊鈁 付磊

（中國第一汽車集團有限公司 新能源開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：電動車 熱泵 空調(diào) 能量消耗 空調(diào)暖通

1 前言

車用空調(diào)系統(tǒng)不僅影響乘用車駕乘舒適性，而且也牽涉到安全性和能耗問題。尤其對于電動汽車而言，空調(diào)系統(tǒng)在駕乘舒適性和續(xù)駛里程方面起著平衡的作用。由于電動汽車?yán)m(xù)駛里程直接影響用戶的認(rèn)可度，因而提高空調(diào)工作效能、減少能量消耗成為空調(diào)研發(fā)的重點。尤其在寒冷氣候條件下，乘員艙加熱需求功率較大，傳統(tǒng)車可采用發(fā)動機廢熱進行乘員艙加熱，而電動汽車則不具備相應(yīng)的條件。采用傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的電動汽車通常采用高壓正溫度系數(shù)熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient,PTC）進行乘員艙加熱，極大的縮減了電動汽車?yán)m(xù)駛里程。另外對于電動車的除濕和除霧模式，空調(diào)系統(tǒng)需要首先把乘員艙的空氣溫度降低以實現(xiàn)水的析出，然后需要啟用PTC進行空氣再加熱以維持乘員艙舒適溫度，尤其對于濕度較大的地區(qū)，空調(diào)系統(tǒng)對電能的消耗也極為明顯。熱泵空調(diào)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)車用空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行改進，實現(xiàn)熱量由低溫區(qū)向高溫區(qū)的轉(zhuǎn)移，具有能效比（Coefficient Of Performance,COP）高的特點，節(jié)約電能消耗。本文從熱泵空調(diào)系統(tǒng)的原理和節(jié)能效果等方面，說明其相對于傳統(tǒng)車用空調(diào)的優(yōu)勢。

2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)概述

2.1 電動汽車乘員艙加熱方案介紹[1]

目前電動汽車乘員艙加熱方案主要分為高壓PTC加熱和熱泵加熱方案，而高壓PTC加熱又分為風(fēng)暖PTC和水暖PTC兩種，下面逐一進行介紹。

2.1.1 風(fēng)暖PTC加熱方案

電動汽車風(fēng)暖PTC加熱方案如圖1所示。其主要是在傳統(tǒng)車加熱方案的基礎(chǔ)上，把乘員艙暖風(fēng)芯體替換為風(fēng)暖PTC，采用電能進行加熱。其特點是出風(fēng)較快，溫度感知明顯，但由于PTC表面工作溫度較高，流經(jīng)PTC的氣流較為干燥，舒適性略差，另外作為高壓部件，與空調(diào)三廂集成在乘員艙內(nèi)，存在一定的安全隱患。

圖1 風(fēng)暖PTC加熱方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]

2.1.2 水暖PTC加熱方案

電動汽車水暖PTC加熱方案如圖2所示。其主要是在傳統(tǒng)車加熱方案的基礎(chǔ)上，把發(fā)動機熱源替換為水暖PTC，采用電能進行加熱，保留傳統(tǒng)車暖風(fēng)芯體回路。其特點是暖風(fēng)芯體表面加熱溫度適中，舒適性較好，但由于暖風(fēng)芯體加熱回路熱容較大，乘員艙的溫升速率相對于風(fēng)暖PTC要慢，目前一些車型配有遠程控制功能，可通過提前控制其工作，彌補這一缺陷。

圖2 水暖PTC加熱方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]

在布置方面，管路改動較小，高壓PTC可靈活布置于發(fā)動機艙，安全性高。

2.1.3 熱泵加熱方案

圖3所示為一種典型的電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其主要從傳統(tǒng)空調(diào)上進行結(jié)構(gòu)調(diào)整。在乘員艙有制冷需求時，空調(diào)按照傳統(tǒng)空調(diào)回路進行工作，空調(diào)冷媒先后流經(jīng)空調(diào)壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器進行制冷；而在空調(diào)有制熱需求時，空調(diào)冷媒回路先后流經(jīng)空調(diào)壓縮機進行壓縮、室內(nèi)冷凝器放熱，然后經(jīng)由電子膨脹閥進入室外冷凝器進行蒸發(fā)吸熱，旁通室內(nèi)蒸發(fā)器進入空調(diào)壓縮機，形成完整熱泵循環(huán)。此時，室內(nèi)冷凝器起到與乘員艙熱交換的作用，使高壓高溫壓縮氣體經(jīng)由換熱相變作用，變成高壓液體，然后在室外冷凝器進行蒸發(fā)吸熱，把外界的熱量傳遞至室內(nèi)，因而被稱作熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

圖3 熱泵加熱方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]

熱泵空調(diào)系統(tǒng)可實現(xiàn)空調(diào)制冷和制熱功能，但需在傳統(tǒng)空調(diào)上進行結(jié)構(gòu)改進，因而增加了一定的布置難度和成本。熱泵系統(tǒng)具有COP高的特點，但其工作溫度范圍受到冷媒工質(zhì)和空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響，通常在-15℃以上可實現(xiàn)較好的性能，在極端寒冷條件下，其COP下降明顯，仍需借助于高壓PTC進行輔助。

目前在圖3熱泵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，也出現(xiàn)了一種間接回路熱泵系統(tǒng)，其通過板式熱交換器實現(xiàn)壓縮機出口冷媒工質(zhì)與乘員艙制熱回路之間的熱交換，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可避免高壓冷媒在乘員艙內(nèi)部發(fā)生泄露風(fēng)險，同時也可減少冷媒量的需求，節(jié)約成本。

2.2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作特點

熱泵空調(diào)可實現(xiàn)消耗較小的能量，實現(xiàn)較大的制熱量，因而其COP較傳統(tǒng)PTC高很多，下面就熱泵系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)COP影響因素進行介紹。

2.2.1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理

圖4 熱泵空調(diào)系統(tǒng)理論壓焓圖

圖4 所示為熱泵空調(diào)系統(tǒng)的理論壓焓圖，對于制冷和制熱循環(huán)，空調(diào)系統(tǒng)都要經(jīng)過這一相變循環(huán)過程。在每一循環(huán)過程中，空調(diào)冷媒工質(zhì)的狀態(tài)都包含液相、氣液兩相和氣相三種狀態(tài)，經(jīng)過不同狀態(tài)之間的變化，實現(xiàn)熱量的傳遞過程。

熱泵系統(tǒng)的工作路徑，主要包括在壓縮機內(nèi)部進行氣相的壓縮，高溫高壓氣體經(jīng)由乘員艙內(nèi)部冷凝器進行熱交換，把熱量傳遞給乘員艙進行制熱，冷媒工質(zhì)發(fā)生相變，由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，經(jīng)由膨脹閥把高壓液態(tài)泄壓為低壓氣液態(tài)，流經(jīng)外部蒸發(fā)器進行吸熱過程形成低壓氣態(tài)，進一步流經(jīng)壓縮機進行升壓，完成整個循環(huán)。

2.2.2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)COP影響因素

從圖4上可以看出，乘員艙的換熱量包括外界蒸發(fā)器吸熱量和壓縮機做功能量兩部分。圖5所示為空調(diào)熱泵系統(tǒng)COP計算示意圖，表示為乘員艙制熱量與空調(diào)系統(tǒng)消耗功的比值。由于空調(diào)系統(tǒng)是一密閉系統(tǒng)，可認(rèn)為整個循環(huán)過程空調(diào)冷媒工質(zhì)流量不變，其熱量變化對應(yīng)單位質(zhì)量焓值的變化。理論上熱泵系統(tǒng)COP應(yīng)始終大于1，但在實際循環(huán)中，由于空調(diào)管路與外界存在熱交換過程，在熱泵循環(huán)的各階段均存在一定的能量損失，因而難以保證COP始終大于1。

圖5 熱泵空調(diào)系統(tǒng)COP計算示意圖

如圖5所示，狀態(tài)4所對應(yīng)溫度為空調(diào)系統(tǒng)冷凝溫度，其大小取決于乘員艙內(nèi)溫度，狀態(tài)1所對應(yīng)溫度為空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，其大小取決于外界環(huán)境溫度。

式（1）中h2為空調(diào)冷媒經(jīng)壓縮機壓縮后的狀態(tài)2對應(yīng)的焓值,h4為空調(diào)冷媒經(jīng)冷凝器冷凝后的狀態(tài)4對應(yīng)的焓值,h1為壓縮機進口狀態(tài)1對應(yīng)的焓值。

從COP計算公式可以看出，熱泵系統(tǒng)的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度影響熱泵空調(diào)系統(tǒng)的COP大小，乘員艙內(nèi)溫度越高，熱泵循環(huán)冷凝溫度越高，乘員艙換熱過程的焓變越小，COP也會減小；而外界環(huán)境溫度越高，熱泵循環(huán)蒸發(fā)溫度越高，外界吸收熱量越多，可提高COP的值。

熱泵空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)COP隨換熱邊界條件的變化趨勢如圖6所示。從圖上可以看出，外界環(huán)境溫度越高，熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度越高，有利于COP的提升；而乘員艙溫度越高，不利于乘員艙內(nèi)部熱交換，因而COP隨著乘員艙溫度的提升而降低。

在極端寒冷環(huán)境條件下，熱泵循環(huán)蒸發(fā)溫度較低，外界熱交換較為困難，COP較低，其耗能與高壓PTC相當(dāng)，此時需借助于高壓PTC進行輔助加熱。

圖6 熱泵空調(diào)系統(tǒng)COP影響因子示意圖[1]

2.3 熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用案例

由于電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)能量消耗直接影響電動汽車冬季續(xù)駛里程，為了優(yōu)化整車能量消耗，緩解電動汽車用戶里程焦慮，熱泵空調(diào)系統(tǒng)在電動汽車上逐漸得到推廣和應(yīng)用。

國外主要主機廠應(yīng)用熱泵系統(tǒng)較早，技術(shù)也相對較為成熟，目前寶馬、奔馳和大眾等已在電動汽車產(chǎn)品上應(yīng)用熱泵系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 熱泵空調(diào)系統(tǒng)國外應(yīng)用案例

近幾年來，國內(nèi)主機廠也開始熱泵系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，目前上市的產(chǎn)品如一汽奔騰B30EV、上汽榮威Ei5和榮威Marvel X都已經(jīng)應(yīng)用了熱泵空調(diào)系統(tǒng)，而長安CS75 PHEV則是國內(nèi)第一款應(yīng)用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的PHEV車型。

3 熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果分析

3.1 熱泵模式

韓國翰昂系統(tǒng)（Hanon Systems）、現(xiàn)代汽車美國技術(shù)中心（Hyundai America Technical Center）和美國可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory）聯(lián)合對Kia Soul BEV車型進行熱泵系統(tǒng)能量消耗的試驗研究[2]。

試驗針對高壓PTC加熱和熱泵系統(tǒng)加熱兩種不同加熱方式進行對比。在不同環(huán)境溫度下，不同加熱方式對整車?yán)m(xù)駛里程的影響如圖8所示。

從圖8上可以看出，單純采用高壓PTC加熱，整車?yán)m(xù)駛里程平均將縮減50%左右，而采用熱泵系統(tǒng)（HP）進行乘員艙加熱，相對于PTC加熱方式，整車?yán)m(xù)駛里程可提升35%左右。

圖8 熱泵空調(diào)系統(tǒng)對整車?yán)m(xù)駛里程的影響[2]

在不同環(huán)境溫度下，空調(diào)系統(tǒng)能量消耗對比如圖9所示。可以看出，在中低環(huán)境溫度下，熱泵空調(diào)系統(tǒng)較高壓PTC加熱，可平均節(jié)約45%的能量，而在較低溫環(huán)境下，節(jié)能優(yōu)勢降低。

圖9 熱泵空調(diào)系統(tǒng)對HVAC能耗的影響[2]

John J.Meyer的試驗結(jié)果驗證了熱泵空調(diào)系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)空調(diào)采用高壓PTC加熱具有明顯優(yōu)勢，可大幅度節(jié)約整車制熱能耗，提升整車?yán)m(xù)駛里程[2]。

3.2 除濕模式

除濕模式是熱泵系統(tǒng)的另一典型應(yīng)用。傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)需要首先把乘員艙的空氣溫度降低以實現(xiàn)水的析出，然后采用PTC進行空氣再加熱以維持乘員艙舒適溫度，尤其在濕度較大的地區(qū)，空調(diào)系統(tǒng)對電能的消耗較為明顯。而熱泵空調(diào)系統(tǒng)可實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)用較少的能量對乘員艙內(nèi)空氣進行冷卻和再加熱，節(jié)能優(yōu)勢明顯。

奧地利的虛擬汽車研究中心（Virtual Vehicle Re?search Center）對熱泵空調(diào)系統(tǒng)的除濕模式應(yīng)用進行了詳細的研究[1]。

熱泵空調(diào)系統(tǒng)除濕模式工作示意圖如圖10所示。以工況1（溫度15℃，濕度80%）作為基礎(chǔ)，空調(diào)系統(tǒng)首先對乘員艙空氣進行冷卻至工況2（溫度5℃，濕度100%），使空氣中的飽和水蒸氣析出，然后再進行加熱至人體舒適溫度，如工況3（溫度30℃，濕度20%），至此完成除濕循環(huán)。

傳統(tǒng)空調(diào)與熱泵空調(diào)的區(qū)別主要在于加熱方式的不同，傳統(tǒng)空調(diào)采用高壓PTC進行再加熱，完全消耗電能，而熱泵空調(diào)可采用在冷卻過程中吸收的熱量進行再加熱，可大大減少再加熱過程的能量消耗。

圖10 熱泵空調(diào)系統(tǒng)除濕模式工作路徑圖[1]

在實際除濕模式下，乘員艙濕空氣先后經(jīng)歷了焓降和焓增的過程，在工況1至工況2的焓降過程，包含潛熱焓與顯熱焓的下降，而在工況2至工況3的焓增過程中，又包含了顯熱焓的增加。而有一部分顯熱焓的下降和增加，不能反映到最終的氣體狀態(tài)變化中，但其的確需要消耗能量來完成整個除濕過程，尤其對于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，這一部分顯熱焓的增加完全需要消耗電能來實現(xiàn)。

而反映到最終空氣狀態(tài)變化的實際有效焓變過程為工況1（溫度15℃，80%濕度），通過焓降釋放潛熱至虛擬工況4（溫度15℃，50%濕度），經(jīng)過再加熱進行焓增到工況3（溫度30℃，20%濕度），完成除濕模式。

為了有效評價熱泵空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)在除濕模式下的能量消耗的差異，在此引入了除濕模式下的COP計算方法，采用除濕過程有效焓值變化與實際能量消耗的比值進行表示，如公式2和3所示。

公式2表示傳統(tǒng)空調(diào)除濕COP，其有效功采用有效除濕路徑的熱焓變化，消耗功采用壓縮機實際消耗功和高壓PTC再加熱消耗功；公式3表示熱泵空調(diào)除濕COP，其有效功與傳統(tǒng)空調(diào)相同，消耗功采用壓縮機實際消耗功，式中Q?sens,heat代表圖10中的單位質(zhì)量氣流由狀態(tài)2加熱至狀態(tài)3所需要消耗的熱量，Q?sens,cool代表單位質(zhì)量氣流由狀態(tài)4冷卻至狀態(tài)2所需要消耗的制冷量，Q?lat,cool代表單位質(zhì)量氣流由狀態(tài)1冷卻至狀態(tài)4所需要消耗的制冷量，PCompressor代表壓縮機消耗功率，Pel,heat代表PTC加熱消耗功率。

熱泵空調(diào)在除濕模式下，與傳統(tǒng)空調(diào)COP的對比如圖11所示。可以看出，針對不同的空調(diào)出風(fēng)設(shè)定溫度，其COP有所差異，在低的出風(fēng)溫度下，熱泵空調(diào)在對空氣冷卻過程中所吸收的熱量，足以滿足再加熱需求，而在較高的出風(fēng)溫度下，熱泵空調(diào)需要額外熱源實現(xiàn)再加熱過程，兩系統(tǒng)COP差距也逐步縮小。

圖11 熱泵空調(diào)系統(tǒng)除濕模式COP對比[1]

3.3 余熱回收模式

熱泵空調(diào)系統(tǒng)可通過精確控制，實現(xiàn)不同部件熱量的轉(zhuǎn)移。尤其在低溫環(huán)境下，乘員艙有制熱需求，而電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)或電池有散熱需求，則可實現(xiàn)電驅(qū)動和電池回路的余熱回收利用，以優(yōu)化整車能量消耗。

奧迪對Audi Q7 e-tron PHEV車型進行了5℃環(huán)境溫度條件下的相關(guān)試驗研究[3]，如圖12和圖13所示。

圖12 傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)加熱能量流[3]

圖13 熱泵空調(diào)系統(tǒng)加熱能量流[3]

傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)加熱能量流如圖12所示，乘員艙加熱需求完全由高壓PTC實現(xiàn)，而采用熱泵系統(tǒng)在電驅(qū)動系統(tǒng)有散熱需求時，回收0.9 kW熱能，以優(yōu)化整車能量消耗。

3.5 年均節(jié)能分析

基于奧地利虛擬汽車研究中心的研究結(jié)果，建立熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷模式、熱泵模式和除濕模式的仿真模型，對比熱泵空調(diào)系統(tǒng)和傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的年均節(jié)能效果。

選擇北歐的三個城市作為模擬城市，分別為奧地利的格拉茲、希臘的雅典和芬蘭的赫爾辛基。以這三個城市一年的車輛駕駛數(shù)據(jù)統(tǒng)計和氣象條件統(tǒng)計作為基礎(chǔ)，其中包括每小時的環(huán)境溫度、相對濕度和日照強度，對全年的空調(diào)系統(tǒng)能量消耗進行仿真計算。

圖14 熱泵空調(diào)系統(tǒng)年均電量消耗對比[1]

熱泵空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)年均電量消耗對比結(jié)果如圖14所示。結(jié)果表明，熱泵空調(diào)較傳統(tǒng)空調(diào)能耗整體可下降40%左右，除濕模式能耗可降低70%以上，在選定的三個城市，熱泵空調(diào)系統(tǒng)年均電量消耗可節(jié)約270～560 kW·h。

4 熱泵空調(diào)系統(tǒng)成本分析

4.1 成本增加

由于熱泵空調(diào)系統(tǒng)需要在傳統(tǒng)空調(diào)的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)調(diào)整，系統(tǒng)的部件和成本也需要相應(yīng)的增加，熱泵空調(diào)系統(tǒng)成本分解如表1所示[4]。

表1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)成本分解[4]

由表1可以看出，熱泵空調(diào)系統(tǒng)整體相較于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)需增加成本1 000元左右。

4.2 成本回收周期估算

基于電動汽車低溫續(xù)駛里程衰減統(tǒng)計結(jié)果，假設(shè)傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)消耗功率為NEDC驅(qū)動能量的80%，熱泵空調(diào)系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)能40%，充電樁充電效率85%，電價0.8元/kW·h，駕駛時間2小時/天，90天/年，電動汽車驅(qū)動能量消耗滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36980—2018《電動汽車能量消耗率限值》，可推算出電動汽車應(yīng)用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的成本回收周期估算，如圖15所示。

圖15 熱泵空調(diào)系統(tǒng)成本回收周期估算

從圖15上可以看出，熱泵空調(diào)系統(tǒng)成本回收周期隨著整車整備質(zhì)量的增加而下降，平均在3年左右。

5 結(jié)論

（1）熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有能效比高，便于整車能量集成的特點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的電動車型。相對于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，可提升冬季續(xù)駛里程35%左右。在極端寒冷條件下，因熱泵能效比下降，需采用高壓PTC進行輔助。

（2）熱泵空調(diào)系統(tǒng)可通過精確控制，采用不同的熱源，實現(xiàn)熱泵模式、除濕模式和余熱回收等多種模式，與整車能量管理集成度較高。傳統(tǒng)熱泵模式較傳統(tǒng)高壓PTC加熱可實現(xiàn)40%左右的節(jié)能，而除濕模式可實現(xiàn)70%左右的節(jié)能，另外在某些特殊工況下，可實現(xiàn)電動汽車余熱回收利用，提升電動汽車能量利用效率。

（3）熱泵空調(diào)相對于傳統(tǒng)空調(diào)需要額外增加一些部件，結(jié)構(gòu)設(shè)計更為復(fù)雜，成本增加1 000元左右，按照行駛習(xí)慣和用電價格估算，成本回收周期大約在3年左右。