新能源汽車空調系統的設計

徐文清

摘 要：傳統汽車正朝著新能源汽車快速轉型發展，空調作為駕乘舒適性功能的基本要求，也勢必會隨著新能源汽車發展而發展，從空調技術的發展和工作效率來說，熱泵型空調系統良好的工作性能將成為重要的發展趨勢。本文主要從熱泵型空調系統技術、系統零部件設計選型、試驗驗證、發展趨勢等方面進行總結和介紹。

關鍵詞：新能源汽車;熱泵型空調;設計選型

0 概要

新能源汽車空調系統需要兼顧供熱、制冷、除霜、動力系統熱管理、空氣品質及舒適性控制等多項汽車重要功能，成為整車可靠性、安全性和舒適性的重要手段，如何提升新能源汽車空調系統設計質量將成為空調研發工程師的首要研究課題。

1 熱泵式汽車空調系統技術

（1）汽車空調系統是指在空調正常運轉過程中采用電動壓縮機來驅動，能源供應方式是獨立的，利用汽車所配備的電池為壓縮機和系統驅動電機提供電力支持，保證汽車空調系統正常工作。熱泵式空調系統技術主要是通過對熱泵技術進行應用，實現對汽車內部的制熱供暖，理論上能夠達到3倍以上的制熱能效比，切合新能源汽車的發展趨勢，并且熱泵式空調系統的驅動方式是電動壓縮機，具有獨立的能源提供方式。

（2）熱泵型汽車空調系統相對于傳統空調結構形式復雜，如圖1所示，熱泵型空調在傳統空調的基礎上增加了電子膨脹閥、電磁閥、室內冷凝器、氣液分離器等部件，系統布局更加復雜，夏季制冷時電磁閥1開2關，冬季制熱時電磁閥1關2開。

（3）熱泵型空調系統冬季室外換熱器結霜，化霜成為不得不考慮的問題，目前常用的方式有四種：逆循環化霜，短時間運行夏季制冷模式;熱氣旁通化霜，通過旁通將壓縮機排氣引導室外換熱器;電加熱化霜，在室外換熱器上布置加熱絲;蓄能化霜，在熱氣旁通基礎上增加蓄熱器;各類化霜系統各有優缺點鮮明，就目前來說，逆循環化霜的方式在新能源汽車中較為廣泛。

2 系統零部件設計選型

（1）空調系統熱力計算，制冷工況的設計依據GB/T2136-2008《汽車用空調器》進行核算，分析系統性能，如：壓縮機功耗、系統COP等。

（2）參考熱泵型汽車空調系統實際運行過程的復雜性和工況的多樣性，選取熱泵型汽車空調系統的壓縮機采用渦旋式壓縮機。冷凝器的選型，換熱器作為工質與外界進行換熱的主要部件，其結構對熱泵型空調系統性能有直接影響，現在主要采用平行流換熱器，其較管翅式換熱器結構復雜，結構緊湊，單位體積換熱量大，方便車上布置。

（3）根據系統熱力核算結果和結構設計，結合新能源汽車上熱換器安裝尺寸的要求，進而實施對熱換器的定型設計。

（4）根據熱泵型新能源汽車空調系統的特殊性，進行其相關聯零部件的設計選型，如：具有雙向性能的儲液器、氣液分離器、熱氣旁通閥、四通閥、截止閥等關鍵零部件的設計選型和系統匹配。

3 試驗驗證

（1）搭建的樣機系統在標準工況（制冷工況）下通過“平臺法”進行系統制冷劑加注量標定，最佳制冷劑充入量為750g。

（2）系統性能試驗中，在制冷和制熱工況下，系統的各項性能參數要求是否達到前期設計時的要求。

（3）針對熱泵型汽車空調在冬季低溫、高濕度的環境條件下，測試系統中室外換熱器結霜時系統的一些關鍵參數變化趨勢及換熱器表面結霜情況。

（4）在除霜工況下，根據室外換熱器出口溫度判斷結霜化霜情況，及時轉換工作模式，保證系統正常工作。

（5）當環境溫度過低時，熱泵型空調換熱效率明顯降低，此時需要開啟PTC進行輔助加熱，此外PTC還要能在車輛啟動初期保證快速升溫。

4 熱泵式汽車空調系統技術發展趨勢

（1）熱泵型汽車空調系統技術雖然取得了階段性成果，但仍然存在著很多的不足，主要有以下方面需進一步研究：①電子膨脹閥的應用技術不夠成熟，各空調廠商缺少應用經驗;②根據車輛電池的需求，熱泵型空調系統需要增加Chiller，用以對電池進行降溫，其系統開發難度更大;③結霜、化霜均會影響系統性能及乘客感受，尚未有效避免方案;④強化熱泵型汽車空調的匹配問題以及系統控制策略的研究等。

（2）伴隨新能源車的興起，熱管理系統的概念被提出并快速發展，成為整車安全性和舒適性的重要組成。熱管理系統的核心就是具有制熱制冷功能空調系統，并在其基礎上新增了Chiller、電池冷卻板、水冷中冷器、高壓PTC、電子水泵和各種閥門，隨著部件的增多對熱泵型空調系統的設計提出了嚴重考驗，如何解決這些問題，開發出一套成熟的熱管理系統成為當前的重中之重。

5 總結

熱泵型汽車空調系統是最有前途的新能源汽車空調技術，它的前身是具有制冷功能的傳統空調，未來將發展成為整車必不可少的熱管理系統。隨著人們對新能源汽車需求品味和空調系統性能要求的提升，促使新能源汽車的空調系統技術發生質的提升，結合現代新能源汽車技術的整體發展，不斷提高能源使用效率。

參考文獻：

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[2]曹汝恒，劉松，張書義，曹建明.新能源汽車空調系統的現狀及發展趨勢[J].汽車實用技術，2016.