純電動汽車CO2熱泵空調(diào)及整車熱管理概述

由于傳統(tǒng)燃油汽車消耗大量石油并排放汽車尾氣，為了應(yīng)對化石能源短缺、環(huán)境持續(xù)惡化等問題和達到“碳達峰”和“碳中和”的目標(biāo)，發(fā)展新能源汽車是當(dāng)前緩解兩大難題的有效途徑

。隨著科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的不斷推進，交通運輸業(yè)電氣化將是汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展潮流和趨勢，同時發(fā)展電動車是未來我國汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與轉(zhuǎn)型升級的重要戰(zhàn)略舉措

。

續(xù)航里程不足和難以提高是當(dāng)前限制純電動汽車發(fā)展的主要因素。空調(diào)系統(tǒng)作為純電動車僅次于電動機的耗能系統(tǒng)，其能耗的降低將對續(xù)航里程的提升至關(guān)重要，且空調(diào)系統(tǒng)的性能也已成為現(xiàn)代汽車消費者的基本要求。

不同于燃油車的是純電動汽車由于沒有內(nèi)燃機，所以在冬季的乘員艙采暖無法使用內(nèi)燃機的余熱。目前，電動汽車空調(diào)系統(tǒng)普遍是夏季時采用蒸汽壓縮式空調(diào)制冷和冬季時利用電池對正溫度系數(shù)(positive temperature coefficient，PTC)材料通電加熱以滿足乘員艙的采暖需求。根據(jù)美國汽車工業(yè)協(xié)會(SAE)研究

，采用空調(diào)制冷和PTC 材料制熱的能源消耗占整車能源消耗的33%。同時Lee等

研究指出純電動汽車在冬季動力電池衰減嚴(yán)重且采用加熱PTC 材料采暖情況下滿負荷運轉(zhuǎn)，其續(xù)航里程將降低近50%。此外，通過PTC 材料將電能轉(zhuǎn)化為熱能COP是不可能超過1.0，但熱泵系統(tǒng)的理論運行COP可以大于1.0。若電動汽車采用熱泵型空調(diào)系統(tǒng)代替加熱PTC材料滿足冬天的取暖需求，將可以顯著提高行駛里程，推動電動汽車快速發(fā)展。

股東大會現(xiàn)場會議登記起始：中國長城、云南白藥、哈工智能、泰達股份、陽光城、酒鬼酒、北京文化、大慶華科、長城影視、鴻博股份、安妮股份、同德化工、歐菲科技、嘉事堂、長青集團、首航節(jié)能、木林森、青松股份、星普醫(yī)科、湯臣倍健、永利股份、德威新材、匯金股份、東方通、名家匯、安車檢測、美聯(lián)新材、三雄極光、怡達股份、捷佳偉創(chuàng)、安通控股、夢舟股份、重慶港九、紅豆股份、藍光發(fā)展、天富能源、航天通信、珠江實業(yè)、中國海防、新潮能源、新華百貨、哈投股份、九州通、長城軍工、電魂網(wǎng)絡(luò)、百傲化學(xué)

目前，電動汽車空調(diào)的制冷劑使用的是R134a，該制冷劑是一種無氯氟利昂，不會破壞臭氧層，但是其是一種高溫室效應(yīng)氣體，GWP(全球變暖潛能值)高達1350。歐盟于2006年5月出臺了關(guān)于汽車空調(diào)MAC 指令2006/40/EC，指令規(guī)定2017 年之后所有汽車空調(diào)的制冷劑GWP 值不得高于150

，基本禁止了R134a 的使用。美國環(huán)保部也于2021年將R134a 從重大新代替品政策計劃(significant new alternative program，SNAP)目錄中刪除

。因此，為應(yīng)對全球氣候變暖，急需尋找新型制冷劑代替R134a。其中，自然工質(zhì)CO

重新回到人們的視線，其ODP(消耗臭氧潛能值)為0，GWP 僅為1，泄漏的CO

對環(huán)境的影響也微乎其微，表現(xiàn)出對環(huán)境的友好性。前國際制冷學(xué)會主席Lorentzen 等

對自然工質(zhì)進行了大量研究，他認(rèn)為CO

有望在汽車空調(diào)領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。所以CO

將是電動汽車空調(diào)制冷劑R134a的優(yōu)秀替代品。

3.1.1 直接熱泵系統(tǒng)

本文介紹了跨臨界CO

熱泵系統(tǒng)及其在電動汽車上的應(yīng)用，首先簡介了CO

作為制冷劑逐步得到推廣的原因，重點分析了跨臨界CO

循環(huán)及其優(yōu)化，其次介紹了CO

熱泵循環(huán)在電動汽車上的應(yīng)用和集成式的整車熱管理系統(tǒng)，最后提出了CO

熱泵系統(tǒng)在電動汽車上應(yīng)用亟需解決的問題。

3)實景仿真實驗以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，可以更加便利的將多媒體信息引入教學(xué)活動，實現(xiàn)多元化的溝通，例如：語音傳送，圖片傳送甚至視頻對話，這種高效直觀便利的溝通方式能夠大大的提升教師和學(xué)生對于課程教學(xué)活動的全程參與度.同時該教學(xué)方法不受場地、時間等多方面的限制，使得參與者以更靈活的方式融入到教學(xué)活動中.

1 制冷劑的選擇

隨著《蒙特利爾協(xié)定書》的簽訂，以R134a、R410a 和R407C 為代表的無氯氟利昂制冷劑得到廣泛使用，其中R134a 的ODP 為0，在汽車空調(diào)領(lǐng)域使用十分廣泛。但R134a的GWP偏高，已經(jīng)成為造成溫室效應(yīng)的重要因素之一。歐盟規(guī)定2017 年之后的車用制冷劑的GWP 不能大于150，基本上禁止了R134a的使用。《〈蒙特利爾協(xié)定書〉基加利修正案》指出中國需在2024 年將氫氟碳化物的生產(chǎn)和消費凍結(jié)在基線水平。所以急需尋找安全可靠且ODP和GWP符合規(guī)定值的制冷劑。其中R1234yf、R744和R290由于ODP為0、GWP低和具備制冷劑所需物性的特點成為了研究重點，表1展現(xiàn)了這3 種制冷劑和R134a 的基本物性。但這3 種制冷劑各有優(yōu)缺點，現(xiàn)階段對于下一代制冷劑的選取仍存在爭議。

R1234yf具有微弱的可燃性，其熱物理性質(zhì)與R134a 十分接近。有學(xué)者對兩者的性能進行了對比，Aral 等

在電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)中分別對R134a和R1234yf的制熱性能進行了研究，實驗結(jié)果表明：R1234yf 的COP 比R134a 低3.6%，制熱量相較于R134a 略高。由此可見R1234yf 與R134a 的基本物性與性能都十分接近，如使用R1234yf代替R134a，現(xiàn)在的電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)不需要改變，縮短研發(fā)周期。但是R1234yf 與R134a 相同，其在低溫環(huán)境下COP 低、制熱量不足，且R1234yf價格相對于其他制冷劑價格高，經(jīng)濟性較差。對于我國幅員遼闊，南北氣溫差異大，極大限制了R1234yf的大規(guī)模推廣。

2.2.2 加入補氣增焓技術(shù)的跨臨界CO

循環(huán)

CO

是天然制冷劑，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，作為制冷劑的安全等級為A1，其ODP 為0，GWP 僅為1，對環(huán)境影響極小。此外，CO

作為制冷劑的熱力學(xué)性能良好，在制冷量以及流動阻力方面優(yōu)于其他制冷劑，此外，其在低溫下的制熱性能優(yōu)良的特點十分適合用在純電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)。因此傳統(tǒng)制冷劑CO

再次回到了人們的考慮范圍。

2 車用CO2熱泵系統(tǒng)

2.1 跨臨界CO2熱泵簡介

CO

與傳統(tǒng)制冷工質(zhì)熱物性有很大不同，它的臨界溫度僅為31.1 ℃，臨界壓力為7.37 MPa。對于車用CO

熱泵系統(tǒng)而言，其高壓側(cè)的放熱過程在臨界點之上的超臨界區(qū)域內(nèi)，低壓側(cè)的蒸發(fā)吸熱過程在亞臨界區(qū)域內(nèi)，所以車用CO

熱泵系統(tǒng)只能采用跨臨界循環(huán)。在跨臨界CO

循環(huán)中，高壓側(cè)CO

在放熱過程中一直處于超臨界區(qū)域只進行顯熱的交換不發(fā)生相變，所以在跨臨界CO

循環(huán)中將冷凝器稱為氣體冷卻器。跨臨界CO

循環(huán)系統(tǒng)與傳統(tǒng)工質(zhì)熱泵系統(tǒng)在裝置組成上區(qū)別不大，主要由壓縮機、氣體冷卻器、蒸發(fā)器和節(jié)流裝置4 部分組成，此外，有時會設(shè)置氣液分離器、控制系統(tǒng)和自動控制裝置等輔助裝置，跨臨界CO

熱泵系統(tǒng)的基本流程圖和

圖如圖1所示。

其次，要注意拓展視聽材料的來源。筆者在一學(xué)期的教學(xué)實踐中使用的視聽材料大多來自《看視頻學(xué)英語口語-衣食住行一本通》《悅讀聯(lián)播》《英美文化讀本》中的視頻、音頻材料和英語紀(jì)錄片，對英語電影和英語歌曲的使用較少。根據(jù)問卷結(jié)果，學(xué)生希望增加英語電影和英語歌曲的內(nèi)容。因此，在教學(xué)內(nèi)容的選擇上應(yīng)該更多地考慮高中學(xué)生年齡特點、學(xué)習(xí)興趣和認(rèn)知水平。

理論上，與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮循環(huán)相比，跨臨界CO

循環(huán)在相同條件下效率較低，主要是由兩個因素造成的：其一是在跨臨界CO

循環(huán)中CO

在氣體冷卻器中的平均溫度高，導(dǎo)致在冷卻過程中熱損失較大；另一個因素是由于跨臨界CO

循環(huán)中CO

在膨脹裝置前后壓差大，節(jié)流過程中熵增較大

。對于跨臨界CO

壓縮機，由于CO

工作壓力高、壓差大，所以對CO

壓縮機的強度、密封和潤滑等方面提出了新的要求。雖然跨臨界CO

循環(huán)壓差大，但是其壓比僅為3左右(其他車用制冷劑壓縮循環(huán)壓比達到8左右)，因此跨臨界CO

循環(huán)的壓縮機有更高的效率，且余隙容積小，壓縮機的尺寸可以減小

。CO

在氣體冷卻器中的冷卻過程是在超臨界狀態(tài)下的單相傳熱，定壓比熱容是影響其傳熱的重要因素，CO

在臨界點附近定壓比熱容值較高，因而控制CO

在氣體冷卻器中傳熱在臨界點附近能有效提高換熱效率。并且CO

在氣體冷卻器中的進出口溫度對整個系統(tǒng)的COP 具有重要影響，CO

氣體冷卻器出口溫度每下降1 ℃，COP 大約提高5%，故在設(shè)計CO

氣體冷卻器時，因盡量使氣體冷卻器出口溫度接近空氣進口溫度

。

長期的應(yīng)試教育導(dǎo)致我國許多高職英語老師在課程教學(xué)時間的過程之中，所選擇的授課形式過于單一以及傳統(tǒng)，大部分以學(xué)生的記錄以及老師的傳授為主，其中慕課與課堂教學(xué)之間的結(jié)合不僅能夠有效突破傳統(tǒng)應(yīng)試教育的桎梏，還能夠真正地將視頻的播放與老師的講解相結(jié)合，實現(xiàn)課堂內(nèi)容的豐富化以及多元化。另外在慕課課程學(xué)習(xí)的過程之中，學(xué)生還需要積極主動地與他人進行互動以及溝通，這一點能夠有效突破啞巴式英語教學(xué)的不足，保障每一個學(xué)生都能夠張口說英語，在網(wǎng)絡(luò)之中與他人進行活躍的交流以及互動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，這一點對于比較內(nèi)向的學(xué)生來說尤為重要。

2.2 跨臨界CO2循環(huán)的優(yōu)化

單純的跨臨界CO

循環(huán)相較于其他制冷劑循環(huán)是沒有優(yōu)勢的，所以需要對跨臨界CO

循環(huán)系統(tǒng)進行優(yōu)化。在跨臨界CO

循環(huán)中，氣體冷卻器側(cè)的放熱壓力可高達10 MPa 左右，蒸發(fā)器側(cè)的吸熱壓力在4 MPa 左右，所以通過節(jié)流裝置的壓差可達6 MPa左右，遠遠高于傳統(tǒng)氟利昂制冷劑的節(jié)流壓差。Yang 等

研究發(fā)現(xiàn)從超臨界區(qū)到兩相區(qū)的等焓節(jié)流過程的損失是整個跨臨界CO

循環(huán)最主要的不可逆損失，減少節(jié)流損失或回收膨脹功是提高整個循環(huán)效率的關(guān)鍵。現(xiàn)階段適用于提高電動汽車CO

熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的方案主要是在系統(tǒng)內(nèi)加入回?zé)崞骱鸵胙a氣增焓技術(shù)，本文將對這幾種技術(shù)作簡要介紹。

“寫之”則是對于“游之、記之、悟之”過程的最終總結(jié)和歸納，只有前邊三個方面是準(zhǔn)備充分之，才能得“寫之”之樂趣，“寫之”是得心應(yīng)手，自我抒發(fā)的最佳體現(xiàn)，是表達自我，感受自然萬物的精神所在，以筆墨為載體，自由地抒發(fā)和表現(xiàn)出來。

2.2.1 加入回?zé)崞鞯目缗R界CO

循環(huán)

在熱泵系統(tǒng)中加入回?zé)崞鲿a(chǎn)生兩種影響：從對循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生積極效應(yīng)方面分析，從氣體冷卻器內(nèi)流出的超臨界CO

氣體，在回?zé)崞鲀?nèi)部進行等壓降溫冷卻，降低蒸發(fā)器入口的焓值和干度，蒸發(fā)器進出口焓值變大，增加了單位制冷量，同時干度的降低使制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的換熱效果更好。此外，由于回?zé)崞鞯募尤耄魅雺嚎s機的CO

氣體保持一定過熱度，這有利于壓縮機安全穩(wěn)定地運行；從不利方面看，回?zé)崞鞯囊霑岣邏嚎s機的吸氣溫度，使得制冷劑流量減小，壓縮機排氣溫度高，單位制冷劑的耗功增大。在兩種影響的綜合作用下，回?zé)崞鞯囊爰扔锌赡芴岣哐h(huán)系統(tǒng)性能，也有可能降低循環(huán)系統(tǒng)性能，提高還是降低將取決于所選工質(zhì)的熱物性

。為了減少跨臨界CO

循環(huán)的節(jié)流損失，Robinson等

在循環(huán)系統(tǒng)中加入回?zé)崞鳎芯堪l(fā)現(xiàn)，回?zé)崞鞯募尤肟梢蕴岣呖缗R界CO

循環(huán)的COP。加入回?zé)崞鞯目缗R界CO

循環(huán)系統(tǒng)流程圖和

圖如圖2所示。

由于回?zé)崞鞯囊霑岜孟到y(tǒng)產(chǎn)生兩種影響，大量學(xué)者對在不同工況下回?zé)崞鲗缗R界CO

系統(tǒng)的影響作了研究。Rigola 等

進行了跨臨界CO

循環(huán)系統(tǒng)在環(huán)境溫度為25、35、43 ℃時的理論與實驗研究，結(jié)果表明具有合理尺寸的回?zé)崞骺梢源蟠筇岣呦到y(tǒng)的COP，且環(huán)境溫度越高，COP提高越明顯。Cho等

證實回?zé)崞鞯氖褂貌粌H可以提高系統(tǒng)的COP，還可以增加系統(tǒng)的制冷量。在設(shè)計工況下，相較于無回?zé)崞鞯目缗R界CO

循環(huán)系統(tǒng)COP 可提升6.2%～11.9%。系統(tǒng)制冷量可增加1.7%～9.1%。Torrella 等

指出回?zé)崞鞯募尤胧沟每缗R界CO

循環(huán)系統(tǒng)的COP 升高達12%。根據(jù)實驗結(jié)果可以得出，回?zé)崞鞯臒嵝逝c蒸發(fā)溫度密切相關(guān)。此外，回?zé)崞髋c壓縮機耗功兩者之間沒有明顯的關(guān)聯(lián)。趙玲華等

對加入回?zé)崞鞯目缗R界CO

熱泵系統(tǒng)進行了實驗研究，并提出了回?zé)崧蔬@一概念來評估回?zé)崞鲗ο到y(tǒng)性能的影響。研究結(jié)果指出：如果系統(tǒng)獲得最大COP 為設(shè)計目標(biāo)，系統(tǒng)回?zé)崧嗜?5%左右為宜。Chen 等

基于焓差推導(dǎo)出一個有效表達回?zé)崞餍实姆椒ǎ淅碚撚嬎憬Y(jié)果表明在跨臨界CO

系統(tǒng)中高效的回?zé)崞魇谦@得高系統(tǒng)性能的一個重要因素。

R290(丙烷)是一種可以直接在液化氣中獲取的天然碳氫工質(zhì)，其來源廣泛，價格低廉，且ODP為0、GWP 僅為3，表現(xiàn)出對環(huán)境的友好性。Shi等

對R134a 和R290 在電動汽車熱泵空調(diào)中的應(yīng)用進行了理論分析，并利用軟件對兩種工質(zhì)進行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明：在蒸發(fā)溫度為-20 ℃時，R290 的制熱量相較于R134a 系統(tǒng)提高了51.3%，COP提高了3.7%。由此可見R290可以克服R134a在低溫環(huán)境下制熱量不足的問題，十分適合于電動汽車空調(diào)。但是R290 在密閉空間中的濃度在2.1%～9.5%范圍內(nèi)存在爆炸的危險，在汽車狹小密封的環(huán)境中，R290 會增加行駛過程的安全隱患。

補氣增焓技術(shù)能明顯提升熱泵空調(diào)在寒冷地區(qū)的適應(yīng)性

。補氣增焓技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用形式主要分為加入經(jīng)濟器和加入閃蒸器兩種。其工作原理是將出氣體冷卻器的一部分制冷劑經(jīng)閃蒸器閃蒸或經(jīng)濟器換熱后噴入壓縮機。

The method[21] used for determining the series resistance, Rs and shunt resistance, Rsh is from the drawing sketch of Rj against the biasing voltage[22]:

通過本次對比試驗研究可得:在兩組患者接受臨床治療一段時間后,實驗組患者的治療總有效率為97.62%,顯著高于對照組的76.19%;實驗組患者的心絞痛發(fā)作次數(shù)、每次心絞痛持續(xù)時間以及不良反應(yīng)發(fā)生率均優(yōu)于比對照組患者,各指標(biāo)比較差異具有顯著性(P<0.05)。可見,在臨床治療冠心病心絞痛患者的過程中,如果可以給予中西醫(yī)結(jié)合治療,那么可以顯著提升患者的臨床治療療效,減少患者的心絞痛發(fā)作次數(shù)與持續(xù)時間,降低患者不良反應(yīng)發(fā)生率,值得在臨床進行大力推廣和應(yīng)用。

兩種跨臨界CO

熱泵補氣增焓系統(tǒng)循環(huán)流程圖及

圖分別如圖3和圖4所示。在經(jīng)濟器系統(tǒng)中，CO

從氣體冷卻器流出后經(jīng)經(jīng)濟器和回?zé)崞骱蠓殖蓛陕罚阂宦方?jīng)過膨脹閥1部分節(jié)流至中間壓力(狀態(tài)點4)，然后進入經(jīng)濟器進行換熱，后由補氣口噴入壓縮機；另一路CO

氣體經(jīng)過經(jīng)濟器后，由膨脹閥2完全節(jié)流后進入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱流出，后通過回?zé)崞鲹Q熱進入氣液分離器，從氣液分離器出來的CO

氣體進入壓縮機經(jīng)一級壓縮，與從補氣口進入的氣體混合完成二級壓縮變成高溫高壓CO

氣體。與經(jīng)濟器系統(tǒng)不同之處在于，加入閃蒸器的系統(tǒng)CO

從氣體冷卻器中流出(狀態(tài)點3)，經(jīng)過膨脹閥節(jié)流(狀態(tài)點4)進入閃蒸器閃蒸，氣態(tài)CO

(狀態(tài)點6)與部分壓縮的CO

(狀態(tài)點7)混合(狀態(tài)點8)。液態(tài)CO

(狀態(tài)點5)經(jīng)節(jié)流閥2節(jié)流后(狀態(tài)點9)進入蒸發(fā)器。

引入補氣增焓的跨臨界CO

熱泵系統(tǒng)，首先降低了蒸發(fā)器的入口焓值，從而增大了蒸發(fā)器的進出口焓差。同時中間補氣過程能增加經(jīng)過氣體冷卻器的制冷劑流量，從而提高系統(tǒng)低溫工況的制熱量和高溫工況的制冷量。此外中間補氣制冷劑溫度低于一級壓縮制冷劑溫度，因此補氣系統(tǒng)能有效降低壓縮機的排氣溫度從而避免過熱

。

補氣增焓系統(tǒng)最早是于1976 年首次引入并建立了一系列數(shù)學(xué)模型。隨后有學(xué)者對補氣增焓技術(shù)展開了一系列研究。Baek等

研究了補氣型CO

熱泵系統(tǒng)，研究顯示相比于傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)，補氣型CO

熱泵系統(tǒng)的COP 和制冷量分別提升了24%和45%，且使用補氣增焓技術(shù)使系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的性能要高于傳統(tǒng)單級壓縮系統(tǒng)。Cho等

研究對比了以CO

為制冷劑帶噴氣增焓熱泵系統(tǒng)與普通雙級壓縮熱泵系統(tǒng)的制冷性能，研究表明在相同工況下，帶補氣增焓技術(shù)的熱泵系統(tǒng)的EER 比普通雙級壓縮熱泵系統(tǒng)提高了16.5%，且壓縮機的排氣溫度降低了5～7 ℃。Heo 等

研究了采用閃蒸器的補氣增焓熱泵系統(tǒng)的制熱性能，實驗結(jié)果表示：在-15 ℃工況下，相較于普通單級熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)的制冷劑流量增加了30%～38%，COP 和制冷量分別提升了10%和25%。Tello-oquendo 等

對比了補氣型壓縮機和雙級壓縮機在不同壓縮比情況下熱泵系統(tǒng)的運行性能。研究結(jié)果顯示：當(dāng)壓縮比小于5時，補氣型壓縮系統(tǒng)運行性能要優(yōu)于雙級壓縮系統(tǒng)；當(dāng)壓縮比更高時，雙級壓縮系統(tǒng)的運行性能更佳。Wang 等

提出閃蒸罐系統(tǒng)運行控制更困難，內(nèi)壓力低于補氣壓力時容易產(chǎn)生回流，而經(jīng)濟器不會產(chǎn)生回流，適應(yīng)更大的運行范圍。Jung等

將噴氣增焓熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于電動汽車，研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的補氣口對系統(tǒng)的影響。研究表明：補氣口的結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)的性能有很大的影響。

3 CO2熱泵在電動汽車上的應(yīng)用及整車熱管理

3.1 電動汽車用CO2熱泵系統(tǒng)

家用型熱泵空調(diào)是采用室內(nèi)室外各一個換熱器，采用四通換向閥來切換制冷劑的流動方向。但是電動汽車不同的是，當(dāng)冬天空調(diào)系統(tǒng)從除霜模式切換為制熱模式時，車內(nèi)的換熱器的冷凝水將會蒸發(fā)并隨著新風(fēng)吹到車內(nèi)的擋風(fēng)玻璃上起霧，會給行車帶來安全隱患。于是Suzuki等

開發(fā)了一套電動汽車熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。該系統(tǒng)使用了3 個換熱器，其中2 個換熱器布置在電動汽車風(fēng)道內(nèi)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)制冷、采暖和除霜除濕的自由切換，而且有效防止了冬天除霜制熱切換時的擋風(fēng)玻璃起霧問題，解決了行車中的安全隱患。

純電動汽車中的熱管理主要分為電池系統(tǒng)熱管理、電機系統(tǒng)熱管理和空調(diào)系統(tǒng)熱管理。在傳統(tǒng)的電動汽車中，三大系統(tǒng)的熱管理通常是各自獨立的，缺乏對整車熱量的統(tǒng)一管理，熱管理效率較低。所以需在新一代電動汽車設(shè)計之初便利用熱泵型空調(diào)產(chǎn)生的冷量和熱量完成乘員艙制冷與供暖、動力電池與電機的溫度控制，實現(xiàn)整車熱量進行集成式管理，從而大幅提高車輛整車的熱管理效率，提高整車能量利用率。

傳統(tǒng)的電動汽車空調(diào)系統(tǒng)采用的是夏季使用壓縮式空調(diào)制冷，冬季利用PTC 電加熱方式采暖，分為水暖PTC和風(fēng)暖PTC，其系統(tǒng)如圖5所示。由于PTC 是熱敏電阻材料，所以采用電加熱PTC 的方式采暖實際過程中熱效率是要小于1。由于冬季動力電池的性能衰減以及使用PTC 電加熱的方式采暖，電動汽車的續(xù)航里程將減少50%

。由于熱泵型空調(diào)節(jié)能高效，所以熱泵型空調(diào)將成為新能源汽車行業(yè)的重要發(fā)展趨勢。其中，熱泵空調(diào)系統(tǒng)分為直接熱泵系統(tǒng)和二次回路系統(tǒng)，本文將對兩種系統(tǒng)作簡要概述。

該系統(tǒng)制冷時，制冷劑經(jīng)電動壓縮機壓縮后通過四通閥流向車外換熱器放熱，經(jīng)電子膨脹閥1節(jié)流，流向車內(nèi)蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱后進入壓縮機，實現(xiàn)車內(nèi)的制冷；采暖時制冷劑從四通閥流出后流入車內(nèi)冷凝器放熱，經(jīng)過電子膨脹閥2在車外換熱器吸熱后經(jīng)電磁閥進入壓縮機完成制熱循環(huán)；除霜除濕模式下，制冷劑流經(jīng)三個換熱器，首先制冷劑流經(jīng)車內(nèi)蒸發(fā)器完成濕空氣的除濕，然后流入壓縮機壓縮后經(jīng)四通閥進入車內(nèi)冷凝器將除濕后的空氣加熱，流出車內(nèi)冷凝器后經(jīng)電子膨脹閥2一次節(jié)流后流入車外換熱器放熱融霜，最后經(jīng)過電子膨脹閥1二次節(jié)流后進入車內(nèi)蒸發(fā)器完成除霜除濕循環(huán)，該循環(huán)不僅實現(xiàn)了室外換熱器的除霜，還完成了車內(nèi)新風(fēng)的除濕避免了擋風(fēng)玻璃的起霧。

現(xiàn)有四通換向閥是銅制品，主要是提供給家用熱泵空調(diào)，與汽車空調(diào)上的鋁材焊接性差，導(dǎo)致其容易腐蝕、抗震動性差，從而在高壓與低壓間頻繁切換存在泄漏的風(fēng)險

。日本電裝公司設(shè)計了一種旁通閥系統(tǒng)來代替四通換向閥切換制冷劑方向的車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)

，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

過度嬌寵。美國家庭心理學(xué)家約翰·羅斯蒙德認(rèn)為，家長的關(guān)愛是幼兒成長的維生素，缺它不可，過多無益。像有些孩子手里拿著雞蛋，但不知道怎樣吃；鞋帶松了，卻不知道怎樣系等。這些都是家長平時過于嬌寵的結(jié)果，阻礙了幼兒自主意識確立和自主能力提高。

在制冷模式下，電磁閥2關(guān)閉，制冷劑經(jīng)車內(nèi)冷凝器，由電磁閥1流入外部換熱器，經(jīng)過電子膨脹閥1節(jié)流進入車內(nèi)蒸發(fā)器，再由氣液分離器回到壓縮機。制熱模式下，電磁閥1關(guān)閉，制冷劑通過車內(nèi)冷凝器經(jīng)電子膨脹閥2進入車外換熱器，通過電磁閥2，經(jīng)氣液分離器回到壓縮機完成循環(huán)。除濕模式下，電磁閥1、2 關(guān)閉，制冷劑經(jīng)過車內(nèi)蒸發(fā)器經(jīng)分離器進入壓縮機，再進入車內(nèi)冷凝器經(jīng)電子膨脹閥2進入外部換熱器，最后再次進入車內(nèi)蒸發(fā)器。

圖8是帶補氣增焓的電動汽車直接熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并搭載在了2017 年款的普銳斯Prime 中，該系統(tǒng)提高了在低溫環(huán)境下乘客艙的采暖性能，并在沒有電加熱輔助的情況下實現(xiàn)了除濕的功能。相比于不帶補氣增焓的熱泵系統(tǒng)，在壓縮機相同轉(zhuǎn)速下，帶補氣增焓的熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱量將提高26%。此外相較于帶PTC 的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在相同制熱量的情況下帶補氣增焓的熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗比要低63%，可以使電動汽車的行駛里程提高21%

。

相較于不帶補氣增焓技術(shù)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在采暖模式時經(jīng)電子膨脹閥2部分節(jié)流的制冷劑會在閃蒸罐內(nèi)閃蒸并分為兩部分，閃蒸后的氣態(tài)制冷劑經(jīng)電磁閥3進入壓縮機再壓縮，液態(tài)制冷劑經(jīng)閃蒸罐后的壓力閥節(jié)流后流入外部換熱器，從外界環(huán)境吸收熱量，通過該方式增加了通過冷凝器的制冷劑流量，從而提高了制熱性能。該系統(tǒng)的除濕有串聯(lián)和并聯(lián)兩種模式可供選擇，在串聯(lián)除濕模式中，制冷劑在冷凝器內(nèi)放熱，經(jīng)電子膨脹閥2部分節(jié)流后進入外部換熱器換熱，再經(jīng)電子膨脹閥1節(jié)流后進入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱，蒸發(fā)后的制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮后再次進入冷凝器。該模式下是通過蒸發(fā)器將空氣進行冷卻除濕，然后通過冷凝器加熱至目標(biāo)溫度；此模式下外部換熱器向外部環(huán)境吸收熱量或者將熱量散發(fā)到外部環(huán)境中，這將取決于兩個電子膨脹閥的控制。與串聯(lián)模式不同的是，當(dāng)系統(tǒng)處于并聯(lián)除濕工作模式時，從冷凝器中放熱的后制冷劑將會分為兩部分，一部分經(jīng)電子膨脹閥2節(jié)流后進入外部換熱器從外界環(huán)境吸收熱量，經(jīng)電磁閥2 返回壓縮機再壓縮，另一部分制冷劑經(jīng)電磁閥1 由電子膨脹閥1 節(jié)流后進入蒸發(fā)器，最后回到壓縮機。該模式下位于蒸發(fā)器后的壓力閥可以控制蒸發(fā)溫度防止結(jié)霜，此外，此時外部換熱器的蒸發(fā)溫度可以低于蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度，并可從外部環(huán)境中吸收更多的熱量，將除濕后的空氣加熱到更高的溫度，可以保持系統(tǒng)在低溫環(huán)境仍然可以穩(wěn)定工作。

由于電動汽車熱泵空調(diào)的閥件較多，而CO

熱泵系統(tǒng)需要以跨臨界循環(huán)運行，系統(tǒng)的運行壓力較高，對閥體的密封性及材料要求較高。圖8所示是二次回路電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計思路，制冷劑不會直接進入乘員艙制冷或制熱。系統(tǒng)將分為制冷劑回路和載冷劑回路，由冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機、氣液分離器和電子膨脹閥構(gòu)成制冷劑回路，其中制冷劑回路只有一個膨脹閥，可以極大地減少高壓閥的數(shù)量。當(dāng)乘員艙有制冷或采暖需求時，載冷劑將流入冷凝器或蒸發(fā)器進行換熱后將乘員艙內(nèi)的空氣加熱或冷卻，以此達到制冷或采暖的需求。

3.1.2 二次回路熱泵系統(tǒng)

二次回路的電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以減少高壓閥的數(shù)量，但是同樣二次回路將會增加能量的損失，系統(tǒng)的COP 會略低于直接熱泵。現(xiàn)階段對于CO

熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用直接熱泵還是二次回路存在爭議，兩種方案都存在明顯的優(yōu)缺點，對于最終的選擇將需要進一步的研究論證。

3.2 基于CO2熱泵的電動汽車熱管理

電動汽車與燃油汽車不同，不僅乘員艙需要進行熱量管理，電池和電機的安全性和效率都與其溫度密切相關(guān)，電池包內(nèi)部熱量不能及時散出會導(dǎo)致電池溫度上升、電池溫度變大，甚至引起熱失控，因此電池和電機的溫度控制對電動汽車尤為重要

。所以對于電動汽車需要利用熱泵空調(diào)產(chǎn)生的熱量和冷量對乘員艙進行溫濕度控制和動力電池及電機的溫度控制，實現(xiàn)電動汽車整車熱量集成式管理，提高整體能量利用率。

圖9所示是一套使用CO

熱泵空調(diào)的整車熱管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)熱泵空調(diào)主要采用直冷/直熱構(gòu)架，制冷蒸發(fā)器與熱泵冷凝器直接進入乘員艙內(nèi)實現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。此外，該系統(tǒng)的電池與電機回路通過三通閥(TV)的切換可實現(xiàn)水路的串聯(lián)和并聯(lián)，使得電池散熱可以采用自然散熱和主動制冷兩種方式。在低溫環(huán)境下，采用水路熱力閥(TRV)旁通散熱水箱(Raditor)利用電機余熱對電池進行加熱，降低電池制熱模式下對水路低壓PTC 的需求，進一步降低整車熱管理能耗，提升低溫續(xù)航。乘員艙和電池混合制冷的模式下，電池Chiller前的EXV2主要用于制冷劑流量的分配。

傳統(tǒng)的生態(tài)學(xué)教學(xué)方法主要是敘述法，以教師課堂講授理論知識為主。課堂氣氛不夠活躍，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性和教學(xué)參與度都不高。雖然絕大部分學(xué)生都能夠掌握所學(xué)的知識，但不能很好地自主獲取知識，很難取得滿意的預(yù)期教學(xué)效果[1]。

目前，Nisin作為一種高效、無毒、安全和營養(yǎng)的生物保鮮劑，已被許多國家和地區(qū)廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)品保鮮中。研究發(fā)現(xiàn)，Nisin能很好的抑制魚類中一些病菌的生長，當(dāng)添加濃度為25 mg/L時，就會明顯降低水產(chǎn)品中李斯特氏菌的水平，但并不會對水產(chǎn)品的組織造成任何損傷[2]。鱈魚片、鯡魚片及煙熏鯖魚等海產(chǎn)品因含有肉毒梭狀芽孢桿菌和波特淋菌而使人中毒，Nisin常被用作保鮮劑來推遲這些中毒癥狀[34]。羅水忠等[35] 在蝦肉糜保鮮試驗中證實了Nisin的保鮮效果。

圖10是蘋果電動汽車的整車熱管理系統(tǒng)

，該系統(tǒng)采用二次回路的方案對乘員艙、動力電池和電機進行整車的熱量管理。其一次回路使用CO

作為制冷劑獨立設(shè)計，二次回路將水作為載冷劑，包含加熱回路、冷卻回路、電池回路和電機回路，可實現(xiàn)乘員艙采暖制冷、電機散熱和加熱、電池冷卻和加熱等功能。該系統(tǒng)分別通過氣液熱交換器(liquid cooled gas cooler，LCGC)和制冷劑-水熱交換器(Chiller)與制冷劑回路進行熱量和冷量的交換。二次回路在氣液熱交換器獲得的熱量可通過三通閥選擇被利用或流向車外換熱器排出。當(dāng)乘員艙需要采暖時，泵1開啟利用載冷劑將熱量攜帶至空調(diào)箱內(nèi)的暖風(fēng)芯體加熱乘員艙內(nèi)的空氣；在溫度極低的情況下，在給乘員艙供暖的同時另需要加熱電池，此時利用加熱PTC 材料輔助加熱，此時載冷劑將在暖風(fēng)芯體內(nèi)釋放熱量的同時通過熱交換器1 換熱，泵3開啟加熱動力電池。冷量通過Chiller傳遞到二次回路，此時泵2開啟，當(dāng)乘員艙需要制冷時可將其攜帶至冷卻芯體冷卻乘員艙空氣，同時在泵3開啟的情況下可通過熱交換器2 將冷量傳遞到電池，在電池溫度過高時可達到降溫的作用，冷量也可通過熱交換器3經(jīng)過四通閥傳遞到電機，以達到給電機降溫的目的，當(dāng)車輛無制冷需求時可通過車外換熱器排出。

4 結(jié)論與展望

CO

由于其環(huán)境友好性、來源廣泛、安全系數(shù)好，將在制冷劑變更過程中發(fā)揮巨大作用。此外CO

換熱系數(shù)高和單位容積制冷量大的特點有利于減少換熱器的體積和壓縮機的排量，能有效減小系統(tǒng)的體積，非常適合汽車空調(diào)。其次，CO

熱泵空調(diào)系統(tǒng)擁有良好的低溫啟動制熱功能，在室外極低溫情況下依然可以提供較大的制熱量并維持較高的COP。所以CO

熱泵空調(diào)系統(tǒng)將是未來電動汽車熱泵空調(diào)的發(fā)展方向。但是CO

熱泵系統(tǒng)若要在電動汽車領(lǐng)域大規(guī)模推廣，未來的工作還需要解決以下幾方面的問題。

（1）跨臨界CO

系統(tǒng)在低溫時有很高的制熱量，但是在高溫環(huán)境下的制冷模式時，氣冷器的冷卻效果有限，節(jié)流后干度較高，制冷性能較差。所以需要解決高溫環(huán)境下的制冷量不足，COP 下降的問題。

4）污水流速增大，換熱面積減小，當(dāng)污水流速為0.2 m/s時，換熱面積為472 m2，減小約19%；而提高到0.25 m/s時，換熱面積減小7%.三個速度中，0.2 m/s是較為適宜的設(shè)計速度.

（2）由于CO

的臨界壓力為7.3 MPa，跨臨界CO

系統(tǒng)的運行壓力高，低壓側(cè)為3～5 MPa，高壓側(cè)達到8～14 MPa。所以整個系統(tǒng)零部件需要解決耐高壓的問題和高壓下的壽命周期問題，此外還需考慮整個系統(tǒng)的密封問題，確保系統(tǒng)安全可靠地運行。

（3）CO

在跨臨界循環(huán)的氣體冷卻器中的放熱過程處于超臨界狀態(tài)，不發(fā)生相變，放熱后的溫度與高壓壓力無關(guān)，且具有較大的溫度滑移，給系統(tǒng)控制增加了難度。

電動汽車熱泵空調(diào)不僅需要給乘員艙提供制冷、采暖、除霜和除濕的功能，還需要考慮電機和電池包的溫度控制，所以需要設(shè)計高效簡潔的整車集成式的熱管理系統(tǒng)。此外，純電動汽車整車熱管理的閥體多、管路復(fù)雜，不僅成本提升還增加了系統(tǒng)所需的空間。所以對于多閥體和管路的集成將成為接下來工作的重點。

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