新能源汽車空調熱泵技術應用探討

摘 要：新能源汽車與國家節能減排的指導戰略一致，在能源日益緊張的今天，即可解決民眾出行對交通工具的需求，同時可減少車輛運行中對資源的消耗，也不會出現嚴重的環境污染問題，所以在未來有較大的發展潛力。制冷與制熱是汽車空調的主要功能，傳統燃油車的制冷制熱技術已可非常成熟地利用燃油資源。然而，以往燃油車因技術的限制，雖然可進行制冷與制熱的操作，但是存在較大的問題，比如能源利用率低，與我國能源戰略的初衷相悖。新能源汽車具有無污染、零排放等優點，新能源汽車空調熱泵技術的運用，可顯著提高新能源汽車的綜合性能，所以該技術在新能源汽車領域備受關注。本文對新能源熱泵空調系統的工作模式及熱泵空調技術應用狀況進行探討分析，梳理空調熱泵的應用內容，探討其在未來面臨的發展機遇及面臨的挑戰。

關鍵詞：新能源 汽車空調 熱泵技術 應用

新能源汽車因使用成本低、靜謐、科技感強、環保等多種優點，所以在我國擁有較大的發展趨勢。汽車的組成系統較多，其空調系統是汽車上必不可少的組成部分，傳統燃油車和新能源汽車都有空調裝置，但傳統燃油車空調在制冷與制熱的效率、環保及能耗方面無法與新能源汽車進行比較。新能源純電動汽車的空調熱泵技術基于工作原理，在傳統燃油車基礎上，對其壓縮機進行變動，采用電動壓縮機作為制冷與制熱等功能的動力源裝置。采用電動壓縮機的空調熱泵系統在制冷時，與傳統燃油汽車的制冷的差異不大，但是制熱時制熱方式出現巨幅變動。新能源汽車在制熱時，熱泵空調技術在汽車空調系統中的運用，使得空調系統結構緊湊、能源利用效率提高，這將會成為新能源汽車空調系統較為顯著的優勢，因此探索研究熱泵技術的應用及改進對新能源汽車的發展有較大推動作用。

1 熱泵空調系統的工作模式

熱泵空調技術在新能源領域中的使用頻次變高，經過長時間的發展，該項技術經過優化，在具體場域中的運用能力更強。熱泵空調技術可通過四通換向閥、冷凝器等裝置的運用，讓熱量轉移的方向發生變化，用以達到制熱或制冷的目的。熱泵空調技術在汽車領域中已經成為一項常用的技術，出于對汽車功能的優化，所以對熱泵空調技術的創新也在持續跟進，研究的重點放在四通換向閥的優化，引導研究活動向可靠、簡單的方向發展[1]。國產汽車在新能源領域已經發展較長的時間，可引導四通換向閥向可靠、簡單的方向進一步發展。目前新能源汽車在制冷與制熱方面，選擇采用切斷閥和換向閥來控制制冷劑流向的方法[2]。比如，在系統進行制冷時，氣態制冷劑經壓縮機壓縮成高壓氣體排出后，流向四通換向閥，然后進入車外冷凝器被冷卻凝結成液態，然后經過干燥器干燥過濾和膨脹閥節流降壓后，進入車內蒸發器，在蒸發器內吸收蒸發器其周圍空氣的熱能，從而使得車內空氣溫度降低。最后制冷劑經四通換向閥流向氣液分離器后回到壓縮機，然后進入下一循環，以實現循環制冷（如圖中藍色箭頭流向）。制熱時，氣態制冷劑經壓縮機壓縮形成高壓排出后，流過四通換向閥后，進入室內換熱器（冷凝器）散熱，將熱量釋放到室內空氣中，使車內空氣溫度上升。然后，系統內制冷劑經過干燥器和膨脹閥之后，進入室外換熱器，吸收外界換熱器周圍空氣的熱進行氣化，再經過四通換向閥和液氣分離器后，再次回到空調壓縮機，完成制熱循環（如圖中紅色箭頭流向），如此反復循環給車內制熱。如圖1所示。

從熱泵空調技術制熱的工作過程來看，可將該過程理解為將汽車外部空氣的熱能轉移到車內，以提高車內空氣的溫度，最終實現有效的供暖[3]。

2 熱泵空調技術分析

2.1 熱管理系統優化

熱泵空調系統在北方外界溫度較低時，其制熱工作性能較差，會嚴重影響到空調的性能，不僅會耗損不少能源，且也不能獲得預期的制熱效果。因此，熱泵空調系統在較低溫環境使用時需要考慮通過熱管理進行改善，以解決汽車空調系統低溫時工作不理想的問題。熱泵空調系統運行時需要考慮采用增加如采暖、蓄熱、熱回收等多種實際可用的輔助熱管理技術，讓熱泵空調系統相關的管理體系具有極強的綜合實用性。熱管理系統在汽車行業迅猛發展的今天，可基于現有的電控技術成果，為熱管理較多工作的落實提供條件，對高壓動力電池包、驅動電機等發熱元件的熱能作出高效、科學的管理[4]。熱管理系統可實現對廢熱的合理運用，要著重推進對管理系統的更新創新的研發工作。新能源汽車的動力電池在車輛高速行駛時其電池能量損耗較大，且同時會出現熱量驟升的現象。因此，熱管理系統在汽車高速行駛期間進行廢熱的回收，可有效地作用低溫條件下制熱的一個重要熱源，能有效地輔助制熱[5]。

2.2 低溫環境下提高熱效率

熱泵空調技術的運用，針對傳統空調而言會對能源的操控效果更佳，同時沒有對能量提出過高的要求。基于實際狀況，熱泵空調系統受環境溫度影響很大，當外部環境溫度處于-5～15℃區間時，熱泵空調系統的效率將會達到峰值[6]。當室外溫度還持續降低時，熱泵空調系統將不會發揮作用，整體工作效率也會隨之變低。如果不能在空調系統運行時給出合理的控制策略，熱泵空調系統工作效率低的問題將得不到解決。因熱泵空調系統在低溫環境下能效較低，出于該問題處理的需求，可選擇采用PTC作為輔助加熱方式。當在極低溫條件下需要加熱時，應該增加電壓，電阻也會因相關環境改變出現變化，在此期間還會釋放不少的熱量，從而獲得加熱的效果[7]。

2.3 壓縮機控制技術

隨著汽車業不斷地向前發展和技術不斷更新，出現較多新的車型，并配有智能化的設備，為駕駛者提供更舒適的體驗。在此趨勢持續發展的過程中，人們對汽車的駕駛和乘坐舒適性的要求也不斷提高，所以需要對新能源汽車舒適性進行更深入的研究。汽車空調系統是汽車組成中最重要的組成系統之一，一旦缺乏對此方面的管理會降低整體舒適度[8]。高壓電動渦旋壓縮機在熱泵空調系統中發揮著重要的作用，特別是在舒適性方面，其工作原理與傳統壓縮機十分相似，但有著傳統壓縮機無法比擬的優點，如其體積小、平穩、重量小、能效高、結構簡單等，所以在新能源汽車中得到廣泛的運用，在汽車熱泵空調系統壓縮機挑選時，它一直居于第一位。車輛在以往的使用中能源消耗相對嚴重，出于國家節能減排的戰略導向，將熱泵空調系統運用到汽車中，較易實現對高壓渦旋壓縮機結構的優化，可有效解決系統能耗高、制熱能力弱等問題。壓縮機是汽車空調系統中異常重要的元件，因熱泵空調系統對壓縮機的改善，可顯著提升準雙級壓縮機的排量。新能源汽車空調系統壓縮機此類似控制技術的運用，可較大程度地提升熱泵空調系統的制熱能力[9]。

2.4 除霜問題

結霜主要在溫度出現巨大變化下出現，將會導致駕駛者的視線受阻，所以成為駕駛人員十分頭痛的問題。新能源汽車車輛，也會在車內外溫度差異過大的情況下，在擋風玻璃處出現結霜的問題，結冰、結霜等問題，這會嚴重影響到換熱器工作的表現，導致系統流程化作業不能有效地進行下去。與此同時，對車輛的制熱能力也會形成影響，導致其出現斷崖式的下降，還會因此帶來一系列的問題，陷入惡性循環。目前，熱氣旁通法、逆循環法等均為熱泵空調系統解決擋風玻璃結冰與結霜問題的有效手段。將蒸發器作為冷凝器，在溫度持續上升的過程中，蒸發器周圍的霜與冰會逐漸融化，此方法稱為逆循環法。此方法可消除結霜與結冰的問題，但是效果并不持久。熱氣旁通法則將壓縮機部分熱氣經由蒸發器排出，實現熱量的轉移，同時借助熱量融化擋風玻璃處的霜。蒸發器在除霜的操作中，可在霜冰位置鎖定后實現精準操控，進一步提高換熱器除霜的效果。

3 熱泵空調的應用

新能源汽車在熱泵空調技術出現的不久便加以運用，密切關注熱泵空調技術的運用情況，并根據實際需求對技術的運用方式進行創新，以提高熱泵空調技術成果在新能源汽車中的使用價值。經過新能源汽車行業對熱泵空調技術的數次優化與更新，已有效提高了新能源汽車空調的綜合使用性能，合理地降低汽車能源的損耗量。目前，大眾旗下的很多電車、特斯拉旗下很多車型均使用熱泵空調技術，優化車輛的空調系統功能，提升整車用電綜合效率。熱泵空調技術可改變傳統汽車空調制熱的方式，在混合動力汽車、純電動汽車中均可使用。我國自主品牌榮威已經發展一段時間，基于對車輛在制冷與制熱等操作能耗的控制需求，已將熱泵空調技術應用到車輛中，還積極地推進技術研發活動。根據榮威發布的研究報告，使用熱泵空調技術的純電動汽車續航里程較之前增加15%～30%，進一步提升了其品牌汽車的實用性及市場競爭力。熱泵空調技術也被格力所研究，在空調技術研發中組織技術團隊，將其領頭人的作用發揮出來。通過對熱泵空調技術的研發，解決制冷與制熱領域的不少問題，如通過技術優化解決了汽車在低溫環境下空調能耗下降的問題。在純電動汽車領域使用熱泵空調技術，減少空調對能源的損耗量，將空調損耗的電量降至60%。[10]

4 熱泵空調技術發展期間遇到的挑戰

新能源汽車在汽車領域屬于新的發展趨勢，在其逐漸占領市場的情況下，熱泵空調系統在新能源汽車的運用中，需要根據對系統制冷與制熱等方面的要求，對現有的熱泵空調技術進行優化，讓其可在應用環節發揮更大的價值。熱泵空調系統在汽車中的運用，可提高汽車整體的舒適性與穩定性。新能源汽車中熱泵空調技術的運用，在新能源汽車中有較大的發展趨勢。

4.1 政策挑戰

新能源汽車發展要從長遠的利益考慮，必須遵循相關政府政策要求，綜合考慮國家戰略、國際大環境等多個方面進行分析研究，確定新能源汽車的發展策略。據了解，歐美各國對熱泵空調技術的研發與應用等方面均提供政策支持，如給予25%的經費補貼。科技在未來無疑是推動社會與行業的巨大推動力，我國非常重視技術的創新與發展，對熱泵空調技術也較為重視，同時各地均提供政策方面的補貼，這為空調熱泵技術在新能源汽車領域的深入運用發展提供了優越條件。不少新能源汽車行業在熱泵空調技術的研究中，享有政府資金方面的支持，所以對該項技術的研發有較大的熱情。然而，熱泵空調技術研發仍可能會在發展中遇到阻礙，其中也有政策方面設置的障礙，因為政策補貼給予不足，所以無法成為熱泵空調技術向前發展的巨大動力。

4.2 電池造價高

相比傳統燃油車，純電動汽車具有強大的動力，但其動力電池造價比較高。當動力電池電量充足時，空調系統可正常使用，但當動力電池電量非常低時，空調系統會因保證行駛動力優先而降低空調功率或停止空調系統的運行，這使得車輛的整體效用變差。電池在新能源汽車中是相對重要的存在，因此需要不斷改進電池，將電池能量密度向上提升到更高水平，同時還圍繞電池壽命進行深入研究，盡可能在確保電池的安全性時提高電池的使用壽命。當然動力電池能量密度越高，續航里程越長，空調系統能高效使用的時間就越長，但造價成本也就更高。

4.3 消費者對新能源汽車認識不足

新能源的發展勢頭越來越猛，對新能源汽車的宣傳也越來越多，引起了不少消費者的關注。但是在關注新能源汽車的人群中，對新能源汽車所用技術十分了解的主體還是少數，大部分人只知道汽車的使用功能，而不了解熱泵空調技術在汽車空調系統中的使用情況，對該項技術也沒有正確的認識。新能源汽車在技術的研發中，將技術研發的成本算在車價中，部分群體不認可熱泵空調技術在制冷與制熱等方面的價值，所以不愿意購買含有熱泵技術運用而售價相對較高的新能源汽車。消費者對新能源汽車的認識不高，可能僅購買低端車型，這不利于新能源汽車企業對空調技術的自主研發，自然會影響到技術的研發速度。因此，銷售部門、廠家等部門需要多組織宣傳活動，以熱泵空調技術作為主題，盡可能讓更多群體認識熱泵空調技術，消費者也應自主提升對空調熱泵技術及節能的認知。

5 結語

新能源汽車將節能、低碳、環保作為發展理念，空調系統作為改善車內舒適性環境的必要裝備，可根據車內人員對車內溫度與濕度的需求，有效地對車內空氣的溫度、空氣流通速度和潔凈度等要素進行調節控制。熱泵空調技術地新能源汽車領域中的運用，可在較大程度上提高原有汽車空調系統在制冷與制熱方面的能力和效率，同時因技術的進步可減少使用期間能源損耗量，節能性特征異常突出。此外，顯著優化熱泵空調系統的功能，將成為新能源汽車在未來發展著重研究的領域。研發者需整理熱泵空調技術在新能源汽車中的運用研究成果，實現對熱泵空調技術的深入分析，給出一套完整的技術方案，讓其在新能源汽車領域有更大的價值，顯著提升汽車空調系統整體功能水平，可為人們提供更出色的服務能力。

基金項目：廣西職業教育教學改革項目（GXGZJG2019B120）--基于VR技術的高職新能源汽車技術課程3D互動式混合教學模式的研究與實踐；廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目（2020KY29011）--純電動汽車空調熱泵性能改進的研究與實踐。

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