新能源汽車空調系統制熱技術的應用分析

摘要：在電動汽車領域，冬季動力鋰電池系統的保溫，駕駛室的加熱，車窗去霧除霜，還都是沒有完美解決的問題。因為這些問題，使電動汽車在北方寒冷地區的應用推廣，遇到了較大的困難。本文通過對現有電動汽車空調制熱技術的效能和功耗進行對比，展現了燃料加熱器具有的高效節能等諸多良好的特性，及其在新能源汽車空調領域良好的低溫制熱適應性。

Abstract： In the field of electric vehicles， the thermal insulation of the power lithium battery system， the heating of the cab， the defogging and defrosting of the windows in winter are all problems that have not been solved perfectly. Because of these problems， the application and promotion of electric vehicles in the northern cold areas have encountered insurmountable difficulties. By comparing the efficiency and power consumption of the existing electric vehicle air conditioning heating technology， this paper shows that the fuel heater has many good characteristics such as high efficiency and energy saving， and its heating adaptability in the field of new energy vehicle air conditioning.

關鍵詞：新能源汽車;空調系統;PTC加熱器;空調熱泵;燃料加熱器

Key words： new energy vehicle;air conditioning system;PTC heater;air conditioning heat pump;fuel heater

中圖分類號：U471.23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0208-03

0? 引言

近年來，隨著環境和能源安全形勢日益緊迫，汽車電氣化的浪潮迅猛席卷全球。新能源車與傳統燃油車最顯著的不同是動力系統：由于新能源純電汽車取消了經典的內燃發動機，導致了空調系統和動力系統方面的熱管理技術壓力陡然上升，同時電池系統的熱管理又是保障目前主流架構電池應用安全的關鍵屏障。所以，熱管理系統是新能源汽車領域里較大的技術成本投入，在不斷發展過程中。

新能源汽車熱管理系統（以下簡稱為熱管理系統）分為空調系統和熱管理系統兩個分支，如圖1所示。

其中，空調系統包括制冷和制熱兩個方面。制冷系統目前主流都采用蒸汽壓縮制冷方式， R134a/R1234yf 作為制冷劑。由于采用電動壓縮機變頻技術，COP值可以接近到3.0，制冷能效很好，但是作為熱泵應用，-15℃以下會出現非常大的衰減，補氣增焓技術雖然能提升制熱量，但是導致系統的可靠性難以保證，在北方冬季難以實際應用。

為解決這一問題，目前較為先進的（溫室氣體效應GWP=1）方案是采用CO2制冷循環技術。利用CO2的良好低溫流動性，可實現-20℃低溫的熱泵制熱，能效比較好，但由于CO2制冷循環在45℃以上時候高溫制冷能效衰減劇烈 ，制冷能力又有所出現欠缺;并且CO2系統運行壓力非常高、產業鏈配套不成熟，熱泵最低適應溫度還遠不能滿足北方冬季氣候（-25℃到-35℃），目前距離主流應用還有相當的距離。

為保證電池的續航，以及乘員艙的溫度舒適性，制熱實際是一個更難于回避的技術問題需要解決。

1? 現有制熱技術性能分析

目前，電動汽車領域解決冬季制熱問題的方案主要有三種：

1.1 采用PTC制熱的電動汽車加熱技術

PTC電阻加熱方式，是目前廣泛采用的加熱方法。 其有以下優點：結構簡單，安裝方便、加熱效率高，成本較低;但是缺點也非常明顯：①耗電量太大。家用汽車日常市區駕駛，所需動力功率基本分布在5kW到20kW之間，乘用車一般采用6kW PTC ，-15℃環境里，應用暖風后綜合續航里程下降可達30%以上，續航里程明顯降低。②損耗電池壽命。電池的壽命與深度放電的程度有直接關系，如圖2所示（文獻[2]）。

所以廠家一般建議對鋰電池淺充淺放。應用PTC容易產生深度放電，導致電池壽命縮短，間接大幅提高了電池成本;另外，室內空氣會比較干燥，舒適體驗上不佳。

因此，采用PTC作為暖風加熱源，在沒有理想的電池出現前，不是最優方案，只可作為輔助方案。

1.2 采用熱泵空調制熱的電動汽車加熱技術

雷諾Zoe及榮威Ei5等電動車采用熱泵空調的方案。

熱泵空調有如下有特點：制熱能效較好，COP可達2.2左右;冷熱轉換比較方便，可直接利用冷媒空調系統。缺點是：①耗電量較大;不管補氣增焓還是CO2制冷劑超臨界循環熱泵技術，產出5kW的熱量，電動壓縮機功率至少在2kW以上，依然對續航里程產生較大的不利影響，與PTC一樣影響電池壽命。②適用范圍有限;由于壓縮機在低溫工況熱衰減嚴重，在-15℃時，電空調系統產生的熱量急劇下降，導致車艙熱量不足，因此-20℃以下區域不能使用熱泵空調，此方案明顯限制了電動汽車的普及范圍。

而燃料加熱器作為極其省電（5kW液體加熱器最大電功率為40W），幾乎對電池壽命和行駛里程沒有影響的制熱方案，對寒區表現出非常好的適應性，奧迪A3、沃爾沃C30的純電汽車上已有所應用，是目前解決低溫制熱問題有效的解決手段。

1.3 采用燃料加熱器制熱的電動汽車加熱技術

如圖3所示，利用空氣渦流和煙氣回流結構穩定火焰，采用陶瓷發熱體點火塞進行點火霧化的揮發霧化式燃燒方式，可以實現較高的功率密度、緊湊低成本的結構，非常低的噪音，良好低溫啟動性和極低的排放，使用該技術的燃料加熱器在歐洲一直作為節能減排，限制怠速熱車的解決手段。關于此類燃燒技術方面可參考引用文獻[3-4]。

相比目前采用的PTC電阻發熱體加熱方式和電動空調的熱泵取暖方式，用燃料加熱方式制熱，應用上有更多優點：

①不損耗電動車電池電量，延長行駛里程;

②加熱效率高，可達80%以上。其中燃燒效率90%左右，換熱效率90%左右;

③使用溫度范圍寬，不受地域影響，電動汽車可在零下40度環境里自由應用;

④最節省電能源，5kW燃料加熱器電功率僅僅40W，制熱耗電比接近其他方式的100倍，因此具有最佳的節電能效;

⑤基本免于維護，不用拆卸清洗，可長時間應用，終身成本低;

⑥制熱同傳統燃油車暖風效果一樣，溫度上升迅速，空氣舒適不干燥;

⑦噪聲低，一米距離60dB以下，駕駛室內難以察覺，靜謐舒適;

⑧燃燒技術先進，節省燃料，排放極低。國內標準JB/T8127-2011要求高于歐盟交通部R122-2012的標準，法規對排氣成分要求為：CO不大于300PPM，NOX不大于100PPM，HC 不大于5PPM，煙度不大于3Rb。

如果用生物乙醇，還可以大大減少CO、HC、NOX排放。乙醇燃料為中性燃料，是可再生能源，缺點是熱值比汽油低。

圖4描述了5座乘用車純電模式下，汽車在-10℃溫度工況下20km/h行駛一個小時動力鋰電池能耗分析。其中后窗加熱、座椅加熱、HVAC 方面為150Wh電能消耗，車燈系統為132Wh電能消耗，動力電器件為265Wh電能消耗，電機驅動2.0kWh，采用PTC方案和FOH燃料加熱方案進行對比。其中主要區別在于PTC暖風和燃料加熱器暖風的電能消耗上，其中PTC電能能耗在2.03kWh，燃料加熱器為0.03kWh，由于PTC放電電流比較大，導致蓄電池放電損失增大到150Wh ，也大于應用燃料加熱器83Wh接近一倍。綜合比較得出：

節省的能耗比=（4.45-2.38）/4.45=0.465

即采用燃料加熱器，暖風可減少耗電近47%。實際上，隨著車速提高，環境溫度更低，比如-25℃環境里，PTC制熱耗電要成倍增加，而燃料加熱器最大電耗幾乎沒有增加，此時燃料加熱器節省電能方面會更占明顯的優勢。

實際案例是我們用58kWH動力磷酸鐵鋰電池乘用車在內蒙古的牙克石冬季-25℃實地測試，用燃料加熱器供應室內暖風，在滿足全程室內溫度24℃的情況下，同樣行駛可比PTC制熱延長100公里，節能效果非常明顯。

2? 結語

通過對新能源車現有空調制熱技術的能效對比，燃料加熱器作為熱機電一體化的專屬汽車加熱部件，在制熱速度、低溫極限、節能效果、結構以及成本上，更適應寒區電動汽車的制熱應用?？梢哉J為，在動力鋰電池溫度特性和能量密度應用瓶頸完全突破之前，燃料加熱器制熱不乏是一種比較完善的補充方案，必將為高寒地區新能源汽車的推廣應用提供有力的支撐。

參考文獻：

[1]王丹東， 陳江平，俞彬彬，施駿業，李萬勇，蔣甫政.CO2車用熱泵空調系統技術研發及性能提升[J].制冷學報，2018，39（05）：47-52.

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