燃油汽車與純電動汽車空調異同分析

史德福 吳健 胡嵐 趙春晨

1.天津市公用技師學院 天津市 300380 2.天津市制冷學會 天津市 300134

隨著我國能源結構的調整，汽車行業作為能源消耗的大戶正面臨著進一步的產業革命與技術創新。汽車空調作為現代汽車不可缺少的一部分，在改善駕乘人員駕乘環境的同時，也消耗著一部分汽車能源[1]，一般汽車空調制冷消耗的能源比例占到整個汽車能耗的15%左右[2]，純電動汽車采用電加熱器加熱供暖所消耗的電能占到整個蓄電池的33%[3],甚至更高。為了實現純電動汽車取代燃油汽車的目標，保證純電動汽車的續航里程，在提高電動汽車百公里電耗的同時，減少汽車空調能耗是減少汽車綜合能耗的途徑之一。隨著汽車空調技術的不斷發展，新替代制冷劑與新空調技術也在汽車中得到應用[4-5]。本文通過分析燃油汽車空調與純電動汽車空調在制冷原理、制熱原理、汽車空調控制原理的異同，來不斷改善和完善汽車空調技術，為純電動汽車空調的不斷創新發展奠定基礎。

1 汽車空調制冷原理

夏季，汽車空調用于制冷，其作用是對車內空氣或由外部進入車內的新鮮空氣進行冷卻、除濕，為車內提供冷氣，使車廂內變得涼爽舒適[6]。純電動汽車與燃油汽車空調在夏季制冷原理相同，都是通過蒸汽壓縮來實現制冷，不同之處在于燃油汽車壓縮機為皮帶驅動，驅動力來自發動機，所消耗的能源為燃油；純電動汽車壓縮機為電驅動，驅動力來自電機，所消耗的能源為電能[7]。

1.1 燃油汽車

汽車空調制冷系統是利用蒸氣壓縮制冷裝置來實現制冷[8]，通過反復的將制冷劑壓縮、冷凝、膨脹、蒸發，不斷在蒸發器中吸熱氣化，使蒸發器始終保持很低的溫度，再通過鼓風機將熱空氣通過蒸發器，使熱空氣與蒸發器內的制冷劑進行熱交換，降溫后的空氣送入車廂內，滿足夏季人們對車廂溫度的需求。

圖1 燃油汽車制冷原理

1.2 純電動汽車

純電動汽車是通過蓄電池電池組的直流電由逆變器為空調壓縮機驅動電動機供電，空調電動機帶動壓縮機旋轉，從而形成制冷循環，產生制冷效果。與傳統燃油汽車不同的是，制冷系統要參與整車的熱管理系統，一部分制冷劑經過節流閥后，進入動力蓄電池單元的換熱器中，對動力蓄電池冷卻降溫。純電動汽車壓縮機選用的是直流電機供電，一般為渦旋式壓縮機[9]，相較于燃油汽車空調斜盤式壓縮機，渦旋式壓縮機具有體積小、重量輕的特點。直流壓縮機可通過直流變頻技術實現制冷系統的能量調節，達到節約能源的目的。

圖2 純電動汽車制冷原理

2 汽車空調制熱原理

冬季，汽車空調用于制熱，對車廂內空氣或進入車內的外部空氣進行加熱，滿足人們冬季對溫度舒適性的要求。燃油汽車與純電動汽車在制熱方式上有較大區別，燃油汽車制熱利用發動機冷卻液或排出廢氣的余熱作為熱源，而純電動汽車制熱消耗的是電能。

2.1 燃油汽車

車廂空間較小的燃油汽車冬季供熱采用的是余熱回收，利用發動機冷卻液的熱量或發動機內燃油燃燒的廢氣的熱量。根據熱源的不同，主要有水暖式暖風系統和氣暖式暖風系統。

燃油汽車發動機在工作時，需要對發動機氣缸進行降溫，冬季供暖可以利用這部分熱量。水暖式暖風系統通過發動機冷卻系統的水泵來實現制熱循環。熱源來自發動機，通過閥門切換，使高溫冷卻液流過加熱器芯，再用鼓風機將冷空氣吹過加熱器，冷空氣被加熱送入車廂中，使車廂內溫度升高來滿足冬季人們的乘車溫度要求。

圖3 燃油汽車水暖供暖原理

2）氣暖式暖風系統

采用風冷冷卻發動機的燃油汽車可以采用氣暖式暖風系統。氣暖式暖風系統利用發動機燃油燃燒排除的廢氣余熱或冷卻發動機后的灼熱空氣作為熱源，通過熱交換器加熱冷空氣，再把加熱后的空氣輸送到車廂內進行供暖，滿足車廂內溫度的需求。

不管是水暖式暖風系統還是氣暖式暖風系統，其熱源均來自發動機工作產生的熱量，為免費熱源，僅消耗水泵與風機的電量，因此，燃油汽車空調冬季供暖耗能極小。

2.2 純電動汽車

純電動汽車由于沒有發動機，不需要冷卻液對發動機進行冷卻，因此，冬季供熱沒有免費的熱源。因此，純電動汽車冬季供熱需要消耗部分電能。純電動汽車可采用PTC電加熱器、熱泵空調系統制熱。

1）PTC加熱器

PTC熱敏電阻通電后會自熱升溫，隨著溫度的持續升高，其電阻值也會相應的增大。當溫度升高到一定程度時，PTC熱敏電阻表面溫度將保持在恒定值不變，即PTC熱敏電阻具有恒溫發熱性。PTC加熱器由PTC元件、鋁散熱片、銅片組成。PTC加熱器可直接加熱空氣也可以用PTC加熱器加熱冷卻液以加熱空氣。直接加熱空氣是將PTC加熱器安裝在空調暖風出風口處。間接加熱空氣是先加熱冷卻液，通過水泵將熱量輸送到暖風散熱器。當車內需要供暖時，PTC加熱器在控制電路的控制下工作，對車內循環空氣或車外空氣進行加熱，再由鼓風機將熱風送入車廂內完成供熱。

圖4 PTC直接加熱供暖原理圖

圖5 PTC間接加熱供暖原理

2）熱泵空調系統

汽車空調熱泵系統主要由電驅動壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器、儲液干燥、鼓風機、閥門等組成。熱泵空調系統通過閥門切換，來實現制冷與制熱模式的切換。主要原理是通過蒸汽壓縮循環，與制冷不同的是，供熱時，蒸發器與冷凝器功能互換。相較于PTC加熱器供暖，熱泵空調系統供熱效率高，節能效果好[10]。純電動汽車根據熱泵空調系統結構的不同，可以分為直接熱泵空調系統和間接熱泵空調系統兩大類[11]。直接熱泵空調系統熱泵換熱器直接加熱空氣，間接熱泵空調系統通過熱交換器將熱量交換到冷卻液中，再將冷卻液中的熱量釋放到車廂中供暖。

圖6 直接式熱泵空調系統原理圖

圖7 間接式熱泵空調系統原理

3 汽車空調控制系統

汽車空調的控制系統相當于人的神經元系統，控制系統主要由傳感器、空調控制單元與執行器等組成。通過控制系統的控制，使空調正常運行，當汽車空調出現故障時，還會報警，提示故障類型。

3.1 燃油汽車

隨著空調技術的發展，汽車空調控制方式先后出現了手動控制方式、半自動控制方式、全自動控制方式，以及更先進的微電腦控制的自動控制方式。燃油汽車的汽車空調主要是控制送風溫度、鼓風機轉速、工作模式、進氣模式與壓縮機等。手動空調通過人工去執行壓縮機的啟停、風機轉速的大小、送風口位置、送風溫度的高低，自動空調只要設置送風溫度，通過傳感器檢測汽車工作中的信息參數，并將其傳送到控制單元ECU中，經處理單元ECU分析、比較、運算后，再將執行信號傳輸給執行器完成。

3.2 純電動汽車

純電動汽車汽車空調需要整車控制器VCU來完成控制，通過整車控制器采集空調開關信號、空調壓力開關信號、蒸發器溫度信號、風速信號以及環境溫度信號，再通過控制局域網絡CAN總線傳輸給空調控制器，再由空調控制器控制壓縮機啟停、風機轉速、PTC加熱器等的工作。由于純電動汽車空調是通過電機帶動壓縮機旋轉工作，可通過對電機輸入功率的控制來實現汽車空調的變功率調節。通過變功率調節，可以精確的控制車廂內溫度，不但能提高駕乘人員的舒適度，還能節約電能的消耗，延長續航里程。

4 純電動汽車空調發展展望

隨著純電動汽車技術的不斷發展與成熟，與之配套的汽車空調也應該進行技術創新，已達到節能的目的。為了保證純電動汽車的續航里程，在增加電池蓄電量的同時也要減少夏季制冷與冬季制熱所消耗的電量。

1）采用能源控制與變頻技術，通過對車廂內溫度的監控來精確的改變供冷量與供熱量的輸出，在滿足車廂內人員舒適度要求的同時，最大限度的節約電能。

2）采用熱回收技術，回收部分熱量作為冬季車廂內供熱的熱源。純電動汽車的電池、電機、電機控制器等在能量轉換時會釋放熱量，汽車在行駛過程中，剎車制動時也會產生熱量，可以將這部分熱量回收用于供熱，以減少冬季供暖所消耗的電量。

3）開發新的技術，使熱泵能夠在冬季低溫環境正常運行。借鑒民用熱泵技術，采用噴氣增焓或復疊式熱泵技術手段，解決汽車空調熱泵冬季低溫制熱慢和制熱量不足，并保持較高的COP值。

4）用二氧化碳制冷劑系統代替傳統R134a制冷劑系統。二氧化碳系統具有良好的制冷、制熱能力，單位容積制冷量是R134a的7.9倍。適合在沒有足夠熱源的純電動汽車上使用。隨著二氧化碳系統成本的降低、可靠性的提高，二氧化碳系統將會逐步替代R134a制冷劑的空調系統。

5 結語

汽車空調作為汽車不可缺少的一部分，不管是燃油汽車空調還是純電動汽車空調在改善駕乘舒適度的同時也消耗著大量能源。因此，要不斷改進和優化汽車空調系統，提高汽車空調性能的同時，降低汽車空調的能耗。純電動汽車是未來汽車市場發展的主力軍，通過分析傳統燃油汽車空調與純電動汽車空調的異同，更好的借鑒燃油汽車空調的技術來發展純電動汽車空調。通過迎合電動汽車特點，采用新技術、新方法不斷完善純電動汽車空調技術的發展。