淺析熱泵型新能源汽車空調系統的設計及實驗

張原原

摘要：現階段在整個汽車行業，新能源汽車是發展的大趨勢，關于新能源汽車的開發與研究也充滿多樣化。在汽車中，空調系統是第二大耗能設備，所以大力發展新能源汽車空調系統，將會大力推動新能源汽車的推廣和發展。本文主要針對新能源汽車空調系統的動力電源、冬季取暖耗能大及運行工況復雜等方面入手，從業研發設計出熱泵性新能源汽車空調系統。

關鍵詞：熱泵系統；新能源汽車；實驗研究

中圖分類號：K254 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3178（2018）20-0370-01

1 研究的背景及目的意義

燃油汽車能給人們日常生活帶來很大便利，但也帶來了很大的環境污染和能源消耗。所以，具備能源利用率高及污染少等各方面優勢的電動汽車，逐漸成為了新型的綠色出行交通工具。雖然新能源汽車優點很多，但在推廣和應用時還存在不少問題。電動汽車在冬季取暖方式上與普通汽車存在很大區別。普通汽車是將發動機運行而散發的熱量直接引進車內，而電動汽車則是使用電能作為熱能的來源，所以不能使用和普通汽車一樣的取暖系統。電動汽車一般采用PTC電加熱器供暖，然而這些設備效率低，消耗電量很大。因此，電動汽車使用熱泵空調系統調節車內溫度，具有能效高的巨大優勢，在滿足車內相同負荷的情況下，能以相對較低的耗能來滿足車內設置的溫度要求，而且還可實現制熱和制冷的雙重功能。

2 新能源電動汽車空調系統現狀

傳統燃油汽車空調結構主要有：壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥、儲液罐、控制系統和送風及其管路系統組成。空調壓縮機主要動力來源于發動機，空調主要能耗是壓縮機和冷凝器。大家熟知傳統汽車空調工作原理，這里不再介紹，這類空調共同特點是由發動機直接提供動力，消耗發動功率約為20%，且效率轉化值不足40%。如何降低能耗，提高效率一直是空調領域關注的焦點。新能源汽車空調在結構上大體與傳統汽車近似，電動汽車空調制冷系統主要由：電動壓縮機、電動壓縮機控制器、冷凝器、管路系統（液體管、壓縮機排氣管、壓縮機吸氣管）、室內溫度傳感器、室外溫度傳感器、陽光傳感器、空調主機（蒸發器、加熱器、溫度風門執行器、模式風門執行器、內外循環風門、鼓風器、蒸發器溫度傳感器）、膨脹閥、空調控制器等零部件構成。但是電動汽車空調系統不但要滿足汽車制冷需要，還要制熱。目前電動汽車空調制熱主要采用PTC加熱和電熱管加熱的兩種模式，由于系能源電動汽車動力取自電動機，能量來源與動力電池，所以多數國內車企在使用電動壓縮機直接利用蓄電池供電帶動其工作，雖然電動壓縮機比就流行使用無刷永磁直流電動機，電子控制單元等是其結構簡單，體積小、制冷效率高，但是仍然影響電動汽車的續航里程，而且制熱的效率也不高。鑒于目前新能源汽車空調現狀，其明顯的缺陷制約著我國新能源電動汽車的普及。特別是北方地區，冬季車內制熱可損失大約50%的續航里程。如果我國要在全國范圍內推廣新能源電動汽車一些關鍵技術還亟需解決。

3 熱泵型汽車空調系統基礎理論研究

熱泵型汽車空調系統應用在新能源汽車上，能滿足對車內制熱和制冷的兩用需求。比較普通汽車的空調系統，熱泵型空調系統在結構上增加了1個四通換向閥的關鍵部件，從而滿足在不需要另外的冬季取暖裝置時，實現夏季制冷與冬季制熱的系統切換。熱泵型汽車空調系統在夏天制冷時，將制冷劑通過壓縮機壓縮成高溫高壓的蒸汽，然后再由四通換向閥與車外環境通過冷凝器總成進行熱交換，從而冷凝成高壓的制冷劑過冷液體，再經由膨脹閥節流流進車內的蒸發器總成。低溫低壓的制冷劑在蒸發器總成中，與車內環境進行熱交換，把車內的熱量吸收，再回到壓縮機，從而達到給車內降溫的效果。這樣的制冷系統雖然也應用于普通汽車空調，但在冬季制熱取暖時，熱泵型汽車空調系統會通過切換四通換向閥，而將冷凝器總成與蒸發器總成進行熱力交換，從而提高車內的溫度。然后再經膨脹閥節流進入車外蒸發器總成來吸收熱量，最后進入壓縮機形成了一個完整的循環。要實現這種從低溫物體將熱量傳至高溫物體的過程，就必須通過消耗其他的能量來使其做逆循環運動。熱泵型新能源汽車空調在冬季運行時，因為蒸發溫度較低，車外換熱器表面溫度降低，會出現結霜問題，降低換熱器和空調系統的效率，所以應該及時除去車外換熱器的霜層。但熱泵型汽車空調在冬季除霜時，不適合采用普遍的逆循環除霜的方法，應該采用熱氣旁通除霜法，主要有以下幾種方式：壓縮機排氣旁通到蒸發器；儲液器旁通到吸氣口；壓縮機排氣旁通到吸氣口。

4 系統零部件的選型

通過熱力計算分析系統的壓縮機耗功等性能參數，考慮熱泵型汽車空調系統復雜多樣的實際運行狀況，選取合適的渦旋式壓縮機。考慮到冬季除霜這一重要問題，管翅式換熱器比平流式換熱器更占優勢。由于熱泵型新能源汽車空調系統的特殊性，需要考慮其制冷和制熱雙方面需求，所以具有雙向性能的儲液器和氣液分離器更為合適。

5 實驗與分析

新能源汽車熱泵型空調系統實驗是根據《汽車用空調器（GB/T21361-2008）》所要求，用進出口焓差法來測試的，需在標準焓差實驗室中進行。針對熱泵型汽車空調在冬季寒冷的環境下，車外換熱器容易出現結霜情況，在進行實驗測試中，發現在系統蒸發器結霜時，一些關鍵參數的變化趨勢和表面結霜狀態有關。從中可以看出蒸發器結霜，首先發生在蒸發器中間部位，然后隨之運行時間的增加，再逐漸蔓延到四周及其回路之間。而且由于蒸發器回路的位置不一樣，就導致上層的回路結霜狀態較輕，而處于回路下端的蒸發器表面結霜現象較嚴重。所以在換熱器設計時，應該考慮到這方面的問題，有助于提高換熱器的換熱量。

6 結語

新能源汽車作為現階段整個汽車行業發展的大趨勢，對其開發和研究的領域充滿多樣化；空調系統作為汽車中的第二大耗能設備，新能源汽車空調系統的大力發展必將對新能源汽車的發展和推廣起到重要的推動作用。本文對新能源汽車開發的新型制冷、制熱模式，并圍繞除霜問題開展了深入研究，從而為以后的熱泵型空調系統的性能提升，打下堅實的基礎。

參考文獻

[1]黃朝宗.熱泵型新能源汽車空調系統設計及實驗研究[D].合肥工業大學，2017.

[2]彭慶豐，趙韓，陳祥吉，等.電動汽車新型熱泵空調系統的設計與實驗研究[J].汽車工程，2015，37（12）：1467-1470.