淺析純電動汽車熱泵空調系統

朱永存、趙玉霞

（河南機電職業學院 451191)

受世界能源危機和環境污染的影響以及電動汽車污染小、噪聲低的特點，電動汽車逐漸成為人們代步工具的主要選擇對象。據統計2016年我國新能源汽車產銷量均突破50萬輛，2017年產量達到79萬輛。本文主要研究了熱泵空調系統在電動汽車上的應用及發展。

1 純電動汽車空調系統發展現狀

傳統燃油汽車的空調系統主要由兩部分組成，制冷系統采用的是由發動機提供動力的蒸汽壓縮式制冷，制熱系統主要是通過將冷卻液的熱量引入到車內。純電動汽車夏季制冷時，空調壓縮機是由電動機來驅動的，然而冬季沒有發動機余熱，所以需要其他的方法來解決供暖問題。由于純電動汽車與傳統燃油汽車能量來源不同，純電動汽車空調系統主要存在以下幾種方案。

1.1 蒸汽壓縮式制冷+PTC電加熱供暖系統

夏季汽車制冷時，電動機帶動空調壓縮機運轉，制冷原理與燃油車相同，同樣能夠達到制冷的目的。冬季取暖時，通過消耗蓄電池的電量來加熱PTC，這種加熱方式目前是電動汽車常用的一種方式。PTC加熱器分為兩種，一種是通過加熱液體采暖，一種是加熱空氣取暖。蒸汽壓縮式制冷+PTC電加熱供暖系統可靠性高，能夠滿足車內成員對溫度調控的需要，但是熱效率低，能源利用率低，成本高，研究表明搭載該系統的車輛續航行使里程大約會降低1/3左右[1]。

1.2 利用余熱供暖系統

純電動汽車在工作過程中，利用變頻器、電機、電池等元件產生的熱量對車內進行加熱。研究表明此種模式下產生的溫度在50℃左右，普通制熱情況下能夠基本滿足乘車需要，但在較低的溫度下很難為車內提供做夠的熱量。因此這種方案只能作為輔助制熱。

1.3 半導體式制冷/制熱空調系統

半導體式制冷/制熱空調系統利用特種半導體材料構成的P-N結，形成熱電偶對，產生珀爾帖效應[2]。

該系統不需要任何制冷劑，沒有污染源，沒有震動、噪音，既能制冷又能制熱，容易實現遙控、程控、計算機控制，制熱時間快，可以實現從+90～-130℃溫度范圍內變化。目前存在著熱電材料的優值系數較低，制冷性能不夠理想，并且熱電堆產量受到構成熱電元件元素產量的限制，不具備電動汽車空調節能高效的要求。

1.4 熱泵空調系統

熱泵空調系統以電動機為動力驅動空調壓縮機運轉，利用制冷循環可逆轉的特點，集制冷與制熱為一體，具有結構緊湊、高效、環保等優點，成為了國內外專家在電動汽車空調系統方面研究的熱點。該系統制冷效果良好，制暖效果會隨著外界溫度的變化而變化，制暖效果有待提高。

2 汽車熱泵空調系統的工作原理

熱泵空調系統是在原有蒸汽壓縮制冷的基礎上改進而來的，空調壓縮機直接由電動機驅動。熱泵系統主要包括直流電動機、空調壓縮機、四通換向閥、車外換熱器、雙向膨脹閥和車內換熱器等。

制冷模式下空調壓縮機在電動機的帶動下壓縮制冷劑，制冷劑通過四通換向閥來到了車外換熱器，車外換熱氣的作用是把高溫高壓制冷劑變成中溫高壓制冷劑，然后經過雙向作用膨脹閥進行節流作用轉換成低溫低壓制冷劑，制冷劑流經車內換熱器，吸收周圍溫度，鼓風機再把車內換熱器的冷風吹向駕駛室，從車內換熱器出來的制冷劑經過四通換向閥回到壓縮機進行下一個循環。制熱模式下壓縮機壓縮制冷劑，經過四通換向閥來到車內換熱器，高溫高壓制冷劑經過車內換熱器時散發大量的熱，滿足車內制熱需求，然后流經雙向膨脹閥來到車外換熱器，車外換熱器吸收外界溫度后經過四通換向閥又回到了空調壓縮機。

3 汽車熱泵空調系統的優勢

3.1 耗電量低，提高續航行使里程。

熱泵空調系統相比其他電動汽車空調系統能效比高。相關試驗證明，在-10℃環境溫度下的制熱工況，電動汽車熱泵空調系統的能效比（COP）仍可以達到2.1以上，在制冷工況下，電動汽車熱泵空調系統的能效比（COP）也可以達到2.4左右[3]。

3.2 結構緊湊

熱泵空調系統可以沿用傳統燃油汽車空調系統的部分設備不需要進行大的改變，結構相對比較穩定。空調壓縮機采用的是全封閉電動渦旋壓縮機，具有噪聲低、振動小、結構緊湊等優點。根據實驗，在-10～40℃的環境溫度下，均能夠以較高的效率提供舒適的乘車環境。

4 汽車熱泵空調系統的發展趨勢

熱泵空調系統研究處于初級階段，存在問題比較多。例如在制冷循環時會出現排氣溫度過高，壓力過大，影響制冷效率；在給車室供暖時只是通過切換冷媒的流向來實現，制熱效率不高，低溫性能較差；針對純電動汽車特點專門匹配和設計的熱泵空調系統幾乎空白，導致量產搭載的系統很少[4]。雖然熱泵空調系統存在的問題較多，但是阻擋不了人們對它的研究及其發展。

4.1 冷媒的最佳選擇

由于R134a作為空調壓縮機及制冷方面的國家標準，目前汽車上應用最廣的制冷劑是R134a。但是該制冷劑并不環保，而且價格比較貴。CO2作為天然制冷劑來源廣泛，成本低廉，安全無毒，不燃，無需回收和再生，其 ODP=0，GWP=1，是很好的環保型制冷劑。另外CO2的蒸發潛熱較大，具有相當大的單位容積制冷量，系統性能更加高效，成為環保、高效的熱泵型純電動汽車空調的研究的熱點。

4.2 低溫下更高效的換熱器

換熱器的作用就是能夠根據空調系統的需要與外界進行熱量的交換，換熱器的體積、結構設計、工質的選擇等都會影響空調系統的整體性能。所以對換熱器以上3個方面進行優化設計，使其能夠相互匹配，相互協調，空調系統的換熱效率能夠達到最佳值。

4.3 更準確、更節能的雙向膨脹閥

雙向膨脹閥主要是起到節流降壓的作用，如果不能夠準確的控制節流量，就無法提高換熱器的換熱效率，開發一種控制更精確、更節能的雙向膨脹閥是非常有必要的。

4.4 汽車空調模擬技術

空調系統零部件較多結構復雜，另外制冷劑流動和和傳熱過程十分復雜，隨著對仿真建模快速、準確的要求越來越高，傳統建模方式的不足也越來越明顯。需要一種新的模擬技術消除傳統建模消耗時間過多、準確度不高的缺點，提高汽車空調系統設計模擬效率。

5 結束語

熱泵空調系統具有能效比高、耗電量低、結構緊湊等優點，被人們所關注和研究。雖然熱泵空調系統的研究進入了一定的實質階段，但筆者認為如何提高低溫下熱泵系統的制熱效率是目前亟待解決的問題。

[1]劉海彪.電動汽車熱泵空調系統制熱工況的模擬研究[D].北京:北京理工大學,2015.

[2]李春明,劉銳.電動汽車結構原理與檢修[M].成都:電子科技大學出版社,2018.

[3]姬園,胡凱,杜沛.電動汽車熱泵空調系統可行性分析.鄭州:海馬轎車有限公司,2009.

[4]陳通.純電動汽車熱泵空調系統性能研究及優化[D].中原工學院.2016

[5]鐘會球.電動汽車空調系統仿真與實驗研究[D].浙江大學動力工程,2012.