新能源汽車熱泵空調技術研究與應用探討

葉黎敏

摘要：汽車已經成為人們日常生活中必不可少的交通工具，隨著各種環境相關政策的推出以及工業技術的進步，新能源汽車呈現出逐步替代傳統燃油車的發展趨勢。相比傳統燃油車，新能源汽車具有零排放、無污染的優勢，但是技術有待進步完善，比如空調技術。為彌補這一不足達到更佳的適用性，出現了熱泵空調技術，并已經成為新能源汽車領域的重點技術。有研究顯示，在熱泵空調技術的幫助下，不僅能夠解決新能源汽車續航里程短的問題，還能讓空調系統更為節能、高效。為此，重點圍繞熱泵空調技術在新能源汽車中的實際應用進行了分析。

關鍵詞：新能源汽車;熱泵空調技術;實際應用

中圖分類號：U463.9收稿日期：2022—04—22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.006

汽車由多個系統組成，空調系統便是其中之一，傳統燃油車中的空調主要通過壓縮機來達到制冷的目的，但這一技術較為老舊，不再能夠適用于更為先進的新能源汽車，且此傳統的空調系統能耗高。新能源汽車中的熱泵空調技術采用電動壓縮機，與傳統皮帶空調壓縮機相比，制冷基本相同，但在制熱上有較大區別，主要包括：發動機冷卻液熱量為加熱器芯提供熱量，該模式主要用于混合動力汽車;另一種是采用PTC加熱器直接加熱冷卻液或空氣，該方式主要應用于純電動汽車。相比之下，熱泵空調技術具有高效節能、結構緊湊的優勢，并已經成為未來新能源汽車空調系統的主流趨勢。

1 新能源汽車空調技術發展現狀

在當前時代背景下，新能源汽車的市場占比在逐年增加，傳統燃油車內燃機因工作時會排放尾氣，對空氣污染較為嚴重，使得溫室效應愈加明顯，而新能源汽車的應用則有效解決了這一問題，使得汽車能夠真正達到無污染、零排放的目的，保護了生態環境"。

對于汽車來說，空調系統能夠有效保障汽車內部舒適性，可以根據需求制冷或制熱適當調整溫度。但是新能源汽車中的空調系統在應用時會消耗大量能源，尤其是純電動汽車應用空調系統后會使得續航能力明顯下降，在冬季該問題更加明顯，因此成為當下新能源汽車領域亟需解決的問題2。目前，新能源汽車正在逐步加強對一些新型空調技術的應用，熱泵空調技術便是其中比較有代表性的一種。

2 熱泵空調系統工作模式

目前在新能源汽車中，熱泵空調技術的應用較多，在實際應用中，主要通過冷凝器和四通換向閥改變熱量的轉移方向來達到制冷或制熱的目的。如今，大多數汽車廠家在對熱泵空調技術的應用中，會對四通換向閥進行優化改進，堅持朝著簡單、可靠的方向發展。大眾汽車中的e—Golf是當下較為先進的一款新能源汽車，其空調系統包括膨脹閥、室內外換熱器、電動壓縮器、氣液分離器等部分，實際應用時通過切斷閥控制熱量的阻斷或傳輸達到制熱或制冷目的。例如制冷時，膨脹閥EV1將會停止工作，壓縮機將空氣加壓，隨后經過冷凝器、膨脹閥EV2、蒸發器，最終在蒸發器排出后冷卻達成制冷效果。

熱泵空調技術制熱時，壓縮機需要直接吸收并壓縮空氣，該過程中驅動制冷劑，制冷劑在進入空氣中達到受熱的效果，隨后切斷閥SV4、SV1關閉。在膨脹閥EV1工作過程中，空調系統壓力下降，在蒸發器作用下制冷劑發揮作用，空調系統內形成冷熱差，最終達到取暖的作用。其實，熱泵空調技術的制熱過程便是獲取外部空氣熱量達到車內供暖的目的。

3 熱泵空調技術分析

新能源汽車所有系統的運行均要傾向于節能、高效，以便于提升續航里程。目前，幾乎所有電動汽車在冬季均存在續航里程明顯下降的問題，這不僅與室外溫度較低有關，還與電動汽車熱泵效率下降有關。因此如何提升汽車的熱管理、提升熱泵空調制熱能力等，是當下新能源汽車需要重點研究的問題。

3.1低溫環境下提高熱效率

不同于傳統皮帶驅動空氣壓縮機，熱泵空調在應用時能夠達到更高的能效，且能效比更高，對能量的需求相對較低，從實際應用看，外部溫度在—5～15℃范圍內熱泵空調系統能夠發揮最大效率。同時，若室外溫度持續降低，熱泵空調系統的整體工作效率也會隨之下降，制熱效果降低，這也是當下空調系統需要重點解決的問題。為解決低溫情況下熱泵空調系統能效降低的問題，還需應用PTC輔助加熱，PTC即熱溫度系數熱敏電阻，在需要加熱時，因電壓增大，電阻也會隨之增加并放出熱量，進而達到加熱的效果。不僅如此，還能夠通過減小壓縮比、增大散熱量等多個方面輔助加熱。

3.2熱管理

熱泵空調系統可以通過熱管理幫助改善熱泵空調系統的低溫工作性能。相比過去，近年來新能源汽車企業非常重視對汽車空調系統低溫工況不佳問題的優化改進，并增加了對各種輔助熱管理技術的應用，如熱回收、蓄熱、采暖等，形成了具有較強綜合性能的熱管理系統。同時，汽車中的電控技術發展迅速，通過熱管理系統對一些熱元件進行科學、高效的管理，包括驅動電機、高壓蓄電池等。不僅如此，熱管理還能夠應用廢熱，因為電動汽車在高速行駛時電池的能耗大，熱量增加，因此在該過程中便可以通過熱管理系統收集電池所產生的廢熱，雖然并不能將其作為制熱的主要熱源，但也能夠起到較大的輔助制熱效果。

3.3壓縮機控制技術

隨著各種先進技術在汽車領域中的應用，人們對汽車的舒適性要求越來越高，空調系統作為汽車中的重要組成部分之一，與整車舒適性密切相關。目前，熱泵空調中主要采用高壓電動渦旋壓縮機，工作原理與傳統壓縮機相似，但是卻具有更輕、更平穩、體積小、結構簡單且能效高的特點，成為新能源汽車熱泵空調系統壓縮機的首選3。壓縮機在應用中可以在其中間腔內補充一定量的中壓氣體，如此一來能使排氣溫度降低，并提高制熱能力，這便是補氣增焓技術，該技術是高壓渦旋壓縮機中的重要應用技術之一。從相關研究結果來看，該技術使得制熱能力低下、能耗較高的問題得到了良好解決，并且較大增加準雙級壓縮機的排氣量。總而言之，壓縮機控制技術提高了新能源汽車的空調系統整體能效比，有效提高了制熱能力。

3.4除霜問題

結霜是每一位車主頭痛的問題，因車內外溫度差異較大，便容易出現擋風玻璃結霜情況。不僅如此，在冬季新能源汽車的車外換熱器也會出現結霜、結冰等問題，這會影響換熱器的正常工作流程，進而導致制熱能力下降，并進入惡性循環。就實際情況來看，當前用于解決熱泵空調系統結霜的方法有逆循環法、熱氣旁通法。

逆循環法是將換熱器當做冷凝器，隨著溫度的增高會融化換熱器周圍的霜，但在應用該方法時，大部分霜被化融，但仍舊有一部分霜會結冰，因此逆循環法僅能夠暫時緩解結霜，并不能達到完全解決的目的。熱氣旁通法相比逆循環法更有效果，制熱時將壓縮機中一部分熱氣通過蒸發器入樓排出，以此通過熱氣達到融霜的效果，不僅如此，相比逆循環法的局限性，熱氣旁通法還能夠精準控制，使得換熱器的除霜也能夠達到高效、節能的效果。

4 部分傳感器及執行器選型

4.1電磁閥SOV

新能源汽車的熱泵空調系統由非常多的元器件組成，電磁閥便是其中比較有代表性的元器件，一般會應用線圈中通過電流產生的電磁吸力作為電磁閥的主要動力，以此來控制閥的開啟與關閉。在當前熱泵空調系統的電磁閥選型中，多應用DC9～16V，單向介質流動方向。

4.2電子膨脹閥EXV

目前熱泵空調系統有著更高的能效比，能耗更低，空調效果更佳，這得益于更為精準、精確的控制元件，電子膨脹閥便是能夠幫助達到精準精確控制的重要元件。電子膨脹閥EXV是當下熱泵空調系統中較為常用的一種，介質的具體流動方向為雙向。

4.3PT傳感器

壓力傳感器能夠及時獲取空調系統中的壓力數據，并將壓力數據傳輸至控制系統，再由控制系統根據相關數據向執行器發送控制信號。在其實際工作中，主要以R134a、R410a等作為工作介質，能夠在—30～130℃范圍內正常工作。

5 熱泵空調的實際應用

熱泵空調技術從推出以來便受到了新能源汽車領域的廣泛關注，經過不斷的研究及應用證實其具有較高的能效比，對降低能耗、提升汽車空調性能有積極作用。如今，許多汽車應用了熱泵空調技術，如特斯拉Model Y、寶馬i3、奧迪R8、大眾e-Golf等。

隨著熱泵空調技術的進步，熱泵空調技術不僅可以應用于純電動汽車，也可以應用于混合動力汽車。榮威作為我國知名汽車品牌，其在應用熱泵空調技術方面取得了新的突破，純電動汽車的續航里程得到了明顯增加，續航里程增加了15%～30%。格力在空調技術的研發中也起到了“領頭羊”的作用，經過對熱泵空調技術的攻堅，2018年已經解決了低溫環境下空調能耗下降的問題，且將其技術應用到了純電動汽車中，研究結果顯示空調耗電量降低了60%。綜上所述，隨著相關技術的進步，熱泵空調技術更為先進化、高效化，相信在未來新能源汽車均會搭載熱泵空調技術6。

6 熱泵空調面臨的挑戰

新能源汽車作為汽車的重要發展趨勢，正在逐步占領市場，熱泵空調系統作為新能源汽車電氣系統中的重要組成部分，對提升汽車的整體舒適性有積極作用。就目前來看，熱泵空調技術雖然在新能源汽車的發展中有良好發展趨勢，但是也面臨著一定的挑戰。

a.政策挑戰。如今，新能源汽車的發展要遵循相關政策規定，而政策的制定需要根據相關國際大環境、國家戰略等多個方面全面考慮。據調查，歐美各國對熱泵空調給予25%的補貼，我國在該方面也有相應的補貼，使得熱泵空調能夠在新能源汽車中廣泛應用。總的來看，政策上的挑戰依然存在，補貼并不能夠作為汽車熱泵空調技術發展的主要推動力。

b.大多數消費者在購買新能源汽車時，對熱泵空調系統的認識不多，甚至從未聽說，由此導致對熱泵空調系統不接受、不愿意購買的問題，因此需要廠家、銷售部門加強對熱泵空調技術的宣傳，以便讓更多的消費者能夠加深對熱泵空調技術的認識。

c.就當下實際情況來看，熱泵空調技術雖然被許多新能源汽車廠家所掌握，但在該方面并無一套完整的管理體系，無法對其進行統一規范管理，因此整體來看新能源汽車中的熱泵空調技術雖然有良好發展趨勢，但是缺乏完善的標準化規范體系，這是其未來發展所面臨的主要挑戰。

d.電池造價高。相比傳統燃油車，純電動汽車具有更強的動力，但是相比發動機，電池的造價比較高，汽車行駛過程中，所有電氣設備均要依靠電池供給能源。空調系統作為汽車的輔助功能，在其發展中也會面臨電池造價高、壽命較短的挑戰。電池電量充足時，空調系統可以正常應用，但在電量非常低時，空調系統的整體效用便會大幅度下降，轉而更加傾向于動力輸出，因此在未來發展中，應重視對電池的優化改進，更進一步提升電池能量密度，提升電池壽命，從而幫助提高空調系統的整體應用效果。

7 結語

新能源汽車的推出極大地促進了環保、低碳理念的貫徹落實，空調系統作為汽車的重要組成部分，對保障汽車駕乘的舒適性十分關鍵。本文重點分析了熱泵空調技術在新能源汽車中的應用，并闡述了當下新能源汽車空調技術的現狀、熱泵空調技術的優勢及其主要技術，最后指出了新能源汽車熱泵空調系統未來發展中面臨的挑戰，希望在未來熱泵空調技術通過改進能夠在新能源汽車領域得到更廣泛的應用。

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