電動汽車空調系統的發展

摘 要：低碳零碳技術是當前企業新的競爭力，作為汽車行業實現低碳零碳最好的出路是發展電動汽車。對于電動汽車，備受關注的是電池續航里程，而作為汽車上不可缺少的空調系統，會減少一部分電池續航里程。出于節能環保，降低對續航里程的影響，主要介紹電動汽車空調系統在發展中出現的，電動壓縮機制冷+PTC制熱的系統、節能的熱泵系統及制冷劑的應用。

關鍵詞：電動汽車 制冷 PTC制熱 熱泵系統 制冷劑

1 前言

為響應碳達峰碳中和，保護環境的政策，對于汽車行業首要做的就是嚴格控制化石能源消費，推廣節能低碳型交通工具，加快發展新能源車。低碳零碳技術是當前企業新的競爭力，作為汽車行業實現低碳零碳最好的出路是發展電動汽車。中國新能源汽車行業進幾年得到了快速的發展。行業普遍預測2022年國內新能源汽車銷量將超過650萬輛，2023年新能源汽車銷售可達到800萬-1000輛。在電動汽車發展的同時，其配套的空調系統也發了很大的變化，傳統的汽油車空調制冷與制熱都不離開發動機，而在純電動汽車由于沒有了發動機提供動力和熱源，使得純電動汽車在發展的過程中，對其配套的汽車空調系統的發展也是不容忽視的[1]。

對于電動汽車的發展，空調系統主要出現了壓縮機制冷+PTC制熱的系統、熱泵空調系統。其中電動壓縮機制冷+PTC制熱的系統是主流的形式。

2 電動壓縮機制冷+PTC制熱的系統

2.1 電動壓縮機制冷

圖1為電動汽車空調制冷系統原理圖，制冷時，高溫高壓氣體從壓縮機排出，進入冷凝器，在冷凝器中冷卻成高壓中溫的液體制冷劑，進入膨脹閥進行節流降壓成氣液兩相混合物，進入蒸發器與空調進入熱交換，吸收熱量后液體汽化，經壓縮機吸氣管被壓縮機吸入壓縮成高溫高壓氣體后再排出，如此循環。電動汽車空調與傳統汽油車空調的原理一樣，只是在壓縮機驅動方面不一樣而導致系統組成結構不同。傳統汽油車空調的壓縮機由于有發動機提供動力而選用機械式的壓縮機，而電動汽車由于沒有了發動機，所以在電動汽車空調上選用由動力電池提供動力的電動壓縮機。但是對于電動汽車其續航里程受到整車動力電池的限制，而電動壓縮機又是能耗較大的零部件，為了盡量減少空調制冷系統對整車續航里程的影響，可在電動壓縮機的選用，性能匹配、控制策略的合理性上進行優化[1]。

2.2 電動汽車空調制熱系統

電動汽車制熱系統與傳統汽油車完全不同，傳統汽油車制熱只需利用發動機冷卻后的余熱即可滿足車內溫度的要求。對于電動汽車，取消了發動機，沒有了熱源，電動汽車的制熱就需要有其他熱源提供熱量。對于電動壓縮機制冷+PTC制熱的系統組合，制熱主要采用PTC風暖制熱系統、PTC水暖制熱系統。

2.2.1 PTC風暖制熱系統

PTC風暖加熱是用PTC取代原有HVAC的加熱暖芯，利用電能轉轉換的熱量直接俄與可以空氣進行熱交換。系統的特點：制熱效果快、結構簡單，引擎艙不需要增加其他附加設備，但是HVAC需要配合PTC加熱器改動，而且PTC加熱器直接置于車內，對安全性要求較高。

2.2.2 PTC水暖制熱系統

圖2為電動汽車水暖空調系統加熱系統原理圖，制熱時，冷卻液在水暖PTC中加熱后，由水泵提供動力，將冷卻液送到加熱暖芯中與空氣進行熱交換，提高車內溫度，與空氣進行熱交換后的冷卻液流入水箱，再進入水暖PTC中繼續加熱，如此循環。此加熱系統的特點：空調箱體不需重新開發、需增加水暖PTC加熱器、水箱、電子水泵、連接管路及相應的控制設備、加熱速度慢、效率低（需二次熱交換）、相對PTC風暖加熱器安全性較好[1]。

風暖PTC和水暖PTC，都是需要消耗電池的電能轉化為熱能，而轉化的效率一般情況下是小于1的。而且在低溫情況下，效率更低，使得制熱效果大打折扣，為了滿足車內溫度的要求，需要加大功率，因此這兩種加熱方式都會對電動車的續航里程造成很大的影響。根據實驗研究的結果表明：在AC系統滿負荷運轉下，制冷和制熱時電動汽車續航里程分別降低了16.7%和50%[2]。為了更好的解決PTC這一問題，各大汽車廠商開始加大研究節能型的熱泵空調系統。據研究，熱泵空調相對PTC加熱系統可以使行駛里程增加25%～31%。

3 熱泵空調系統

熱泵技術是通過改變系統中制冷劑的流動方向，實現制冷與制熱。根據熱泵的性能系數可知，冬季制熱時COP是恒大于1的，所以，熱泵的熱力學經濟性比消耗電能的PTC系統要好很多[1]。電動汽車熱泵空調系統常見的形式有直接熱泵系統、間接熱泵系統、增焓補氣熱泵系統。

3.1 直接熱泵系統

熱泵空調系統主要通過四通換向閥改變系統中制冷劑的流動方向，實現制冷制熱的功能，其應用在家用空調上技術比較成熟，但是在汽車上應用時，四通換向閥依舊沿用家用空調中的銅制材料，其與汽車上的鋁制管路焊接時存在焊接性能差、可靠性低的情況，使得傳統的熱泵系統不適宜用在汽車空調系統上，所以現階段的主要做法是在四通換向閥基礎上做了一些改進，采用了三換熱器系統[3]。

直接熱泵系統，簡單來說就是制冷劑直接與車內空氣進行熱交換，具有換熱效率高的特點。圖3為奔騰B30 EV的空調系統圖，空調系統采用了熱泵+風暖PTC的方案。制冷時，膨脹閥1關閉，壓縮機排氣經兩通閥進入車外冷凝器冷凝冷卻成高壓中溫的液體，經三通閥進入回熱器過冷后，再經膨脹閥2節流降壓后進入蒸發器，在蒸發器中與空氣進行熱交換，吸收空氣中的熱量，使室內溫度降低。蒸發后的氣液兩相混合物進入回熱器后再進入氣液分離器分離液體，氣體經吸氣管被壓縮機吸入在壓縮機中壓縮成高溫高壓的氣體再次循環。此時需注意關閉車內冷凝器風門，空氣不流經車內冷凝器。制冷時還可根據需要對電池進行冷卻。制熱時，膨脹閥2和兩通閥關閉，壓縮機排氣進入車內冷凝器與車內空氣進行熱交換后經膨脹閥1節流降壓后再進入車外冷凝器吸熱蒸發，再經三通閥進入氣液分離器進行氣液分離，低溫低壓的氣體再經壓縮機壓縮成高溫高壓氣體再次進行循環。在此系統中，布置了三換熱器，車外布置單個車外冷凝器，夏天制冷時用做冷凝器，冬季制熱時用做蒸發器，車內布置雙換熱器分別是制冷用蒸發器和制熱用車內冷凝器，此時的車內冷凝器取代了傳統汽油車是加熱暖芯，在設計開發時需重新設計HVAC總成。對于R134a熱泵系統在低溫時滿足不了車內溫度要求，因此環境溫度比較低時需熱泵與輔助風暖 PTC 進行采暖。

3.2 間接熱泵系統

間接式熱泵系統與直接式熱泵系統不同的是，在間接式系統中取消了車內冷凝器，采用原有的加熱暖芯，同時在發動機艙增加了一個間接換熱器。簡單理解就是制冷劑與中間換熱器的冷卻液換熱后，冷卻液再與室內的空氣進行熱交換，所以它屬于二次換熱。圖4所示為BMWI3間接式熱泵系統，制冷時與常規的制冷循環一樣，此時電磁閥1、電磁閥4、膨脹閥1、膨脹閥2打開，電磁閥2、電磁閥3、膨脹閥3關閉。制熱時，電磁閥2、電磁閥3、電磁閥4、膨脹閥1、膨脹閥3打開，電磁閥1、膨脹閥2關閉，制冷劑的流程為，壓縮機的排氣經電磁閥2進入間接換熱器與冷卻液進行熱交換，降溫后在出口經過膨脹閥3節流降壓，進入蒸發器在出口再經膨脹閥1節流降壓，進入車外冷凝器吸收車外空氣的熱量蒸發成氣液兩相的制冷劑，電磁閥3打開，進入氣液分離器分離液體后在進入壓縮機壓縮成高溫高壓的氣體，如此循環。冷卻液在間接換熱器中吸收壓縮機排出的高溫高壓氣體制冷劑后，溫度升高經過PTC加熱器再進入加熱暖芯加熱車內空氣，是車內空氣溫度上升。熱泵循環時，通過控制四個電磁和3個膨脹閥可以實現車內制冷、制熱以及電池的冷卻和預熱。

直接熱泵系統中加熱暖芯可以沿用汽車的結構，因此HVAC不需要重新開發設計，但是它屬于二次換熱存在一定的熱量損失，所以想要達到與直接熱泵系統同樣的車內溫度需要給間接換熱器提供更高的溫度，這樣就需要提高壓縮機的排氣溫度，排氣溫度升高會給壓縮機帶來不好的影響。

3.3 增焓補氣熱泵系統

熱泵空調系統具有節能效果好的特點，但受到室外溫度的限制，隨著室外溫度的降低，制熱能力衰減嚴重，特別是在極端寒冷條件下，能效比明顯下降，需借助于高壓 PTC 進行輔助加熱。為了解決低溫工況制熱能力衰減的常見方法就是：補氣增焓技術，提高壓縮機的吸氣量，增大散熱量[4]。

補氣增焓技術常見的方法又有閃發器補氣增焓和經濟器補氣增焓。閃發器補氣增焓系統中，壓縮機的高溫高壓排氣進入冷凝器進行冷凝冷卻成液態制冷劑，經膨脹閥節流降壓成中壓氣液兩相混合物，流入閃發器，在閃發器中進行氣液分離，氣體被壓縮機的補充吸氣口吸入，液體經主路的膨脹閥2再次節流降壓后進入蒸發器吸熱蒸發。經濟器補氣增焓系統中壓縮機的高溫高壓排氣進入冷凝器進行冷凝冷卻成液態制冷劑后分主路和輔路進入經濟器，大部分經主路液體直接進入經濟器與部分經輔路膨脹閥節流后的制冷進行熱交換，低溫的制冷吸熱蒸發被壓縮機補充吸氣口吸入，被過冷的液體再經主路的膨脹閥節流降壓后進入蒸發器吸熱蒸發。

從這兩種系統中可以看出，從經濟器和閃發器補充的氣體是中壓的飽和氣體溫度較低，進入壓縮機可以改善壓縮條件，其次中壓氣體被補充吸入之后增加了壓縮機的吸氣量，從而可以提高制熱量，可以相當于一個雙級壓縮系統的運行效果，因此，增焓系統的效果明顯要優于非增焓系統。

4 制冷劑的發展

制冷劑是通過在系統中循環，將熱量與環境進行交換的工質。制冷劑所具有的制冷能力不同會導致系統的制冷制熱效果產生差異。隨著人們環保意識的增強和對空調系統性能的要求，自1830年開始至今，制冷劑也經歷了幾次發展，目前在電動汽車空調系統開發比較多的是R134a，R1234yf、CO2。

4.1 R134a制冷劑

R134a 由于其具有優秀的物理特性而成為R12的替代品，普遍用于汽油車和電動車的空調系統中。R134a具有良好的制冷性能，與金屬和非金屬相容，化學和熱穩定性好，不易燃、不爆炸、無毒、無刺激性和無腐蝕性，因此具有良好的安全性能。R134分子式中不含氯原子，對大氣臭氧層沒有破壞能力，但R134a的溫室效應高達1300，會引起大氣環境產生溫室效應，不符合發展電動汽車的環保理念，最終將會被取代。自2006年，歐盟議會正式通過了淘汰含氟氣體的法規，規定自2011年起新開發車型停止使用R134a，2017年起新生產車輛停止使用R134a[5]。美國環保署通過重大新替代品政策計劃對制冷劑的使用進行管理，明確2021年禁用 R134a。中國也將在不久禁用R134a。R134a冬季制熱時環境溫度低，效果比較差，這也使其在熱泵系統中受到限制。

4.2 R1234yf制冷劑

R1234yf制冷劑是由美國杜邦公司和霍尼韋爾公司聯合研發的能替代R134a的新一代環保制冷劑。R1234yf分子式中不含氯原子，OPD指數為0，GWP為4，遠低于R134a。R1234yf與R134a在熱物理性質上非常相似，通過國內外相關汽車空調制冷劑的研究總結也可以發現，制冷劑R1234yf在制冷性能上基本可以代替制冷劑R134a。而且在更換制冷劑時，在硬件上不需要做太多的改動，不會因為變換制冷劑而造成車輛制造成本的上升。但是R1234yf制冷劑無閃點，自燃點為405℃，屬于具有弱可燃性的制冷劑。因此，R1234yf的安全問題直接影響了其在汽車空調上的應用。同時，R1234yf 與 R134a 都存在環境溫度低時，制熱能力不足的問題，需要高壓PTC輔助加熱，而且受限于美國公司的專利保護，R1234yf高昂的價格也是目前限制其在國內廣泛普及的主要問題。

4.3 CO2 （ R744）制冷劑

CO2是一種天然制冷劑，早在19世紀，就被當作制冷劑進行應用，由于當時的生產技術水平比較落后，無法生產出高效的冷卻器，所以限制了CO2的應用[6]。CO2作為制冷劑具有以下的優勢：無毒、不可燃，ODP=0，GWP=1，對大氣臭氧層沒有破壞作用，不會造成全球的溫室效應；單位容積制冷量大，制冷部件結構尺寸緊湊; 傳熱、流動性能好；價格便宜，但是CO2制冷劑也存在臨界溫度低、臨界壓力高的缺點，所以二氧化碳制冷系統的運行壓力都比其他制冷劑的空調系統高。因此使用二氧化碳制冷劑需要空調系統零部件具備較強的耐壓性和安全性，提升了空調系統及部件的制作難度和成本。

出于環保的理念以及CO2在低環境溫度下制熱性能優異以及產品技術的提升，CO2又成為了當前熱泵空調領域的研究熱點，并且部分車型已逐步配備二氧化碳熱泵空調。大眾 ID4 CROZZ 搭載二氧化碳熱泵空調，續航里程最高提升30%。相比其他制冷劑的熱泵空調系統在-15℃時，會存在較大的問題，而二氧化碳熱泵空調可以在-30℃持續工作。其在低溫下制熱性能的優勢，CO2熱泵空調可以顯著提升電動車冬季的續航里程，因此CO2可能會成為各大主機廠優先使用的制冷劑。

5 總結

電動汽車的發展，空調系統主要出現了壓縮機制冷+PTC制熱的系統，熱泵空調系統，由于壓縮機制冷+PTC制熱的系統，耗電量大，對續航影響大，冬天制熱效率低，因此更節能的熱泵空調系統得到了應用，熱泵空調系統又分直接熱泵系統，間接熱泵系統、補氣增焓熱泵系統。直接熱泵系統具有換熱效率高，車內冷凝器取代了傳統汽油車是加熱暖芯，在設計開發時需重新設計HVAC總成。直接熱泵系統屬于二次換熱，存在熱量損失大，但加熱暖芯可以沿用汽油車的，因此HVAC不需要重新開發設計。補氣增焓系統補充的氣體是中壓的飽和氣體溫度較低，進入壓縮機可以改善壓縮條件，其次中壓氣體被補充吸入之后增加了壓縮機的吸氣量，從而可以提高制熱量，可以相當于一個雙級壓縮系統的運行效果。對于當前應用的制冷劑，R1234yf 與 R134a 都存在低溫環境下制熱能力不足的問題，CO2可能會成為各大主機廠優先使用的制冷劑。

參考文獻：

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[3]趙宇，嵇天煒，瞿曉華，穆景陽.電動汽車熱泵空調系統綜述[J].制冷與空調，2020，20（07）：72-81.

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[5]張凱，歐陽洪生，張董鑫，管祥添，管仲達，李偉，吳茜，郭智愷.電動汽車熱泵空調冷媒研究進展[J].浙江化工，2021，52（07）：6-12.

[6]彭旭. 純電動汽車用跨臨界CO2熱泵空調系統仿真優化及實驗研究[D].鄭州大學，2020.