新能源汽車熱泵空調(diào)技術(shù)研究與應(yīng)用

魏秋蘭，王紅，劉濤

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，陜西 西安 710018）

引言

新能源電動汽車發(fā)展迅速，僅2019年，全國新能源汽車?yán)塾嫯a(chǎn)銷量分別達(dá)到124.2萬輛和120.6萬輛。但是目前面臨的突出問題主要有：續(xù)航里程短的問題；充電時間長，充電設(shè)施供應(yīng)不足，電池能量密度小和回收處理難，問題的解決方案主要集中在能量熱效率和熱管理，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能高效成為關(guān)鍵考慮因素[1]。

新能源汽車空調(diào)與傳統(tǒng)汽車空調(diào)的區(qū)別是采用電動壓縮機取代了傳統(tǒng)皮帶驅(qū)動的空調(diào)壓縮機。制冷工作原理基本相同，取暖通常采用電加熱方式，主要分為兩種：一種是混合動力模式時利用發(fā)動機冷卻液作為熱源，為加熱器芯提供熱量[1]；另一種是純電動模式下通過PTC加熱器直接加熱空氣或加熱冷卻液再間接加熱空氣，但是這些方式不僅能耗高而且制熱效率低。熱泵型空調(diào)技術(shù)可以解決電動汽車取暖能耗高及對發(fā)動機余熱的依賴[2]。熱泵空調(diào)系統(tǒng)以電動空調(diào)壓縮機，利用制冷循環(huán)可逆轉(zhuǎn)的特點，集制冷與制熱為一體，具有通用性好、對整車結(jié)構(gòu)改變小、結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，成為了國內(nèi)外專家研究的熱點和將來電動汽車空調(diào)發(fā)展趨勢[3]。本文針對新能源汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方面進(jìn)行探討和研究。

1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作模式

熱泵空調(diào)采用四通換向閥使蒸發(fā)器與冷凝器功能互相對換，改變熱量的轉(zhuǎn)移方向，從而達(dá)到夏天制冷和冬天制熱的效果[4]。車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)在四通換向閥基礎(chǔ)上做了改進(jìn)：工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單。以大眾e-Golf車型為例，工作原理如圖1所示，主要由電動壓縮機、室內(nèi)外換熱器、膨脹閥、切斷閥和氣液分離器等組成，使用切斷閥可以改變熱量轉(zhuǎn)移方向，將熱泵空調(diào)的蒸發(fā)器和冷凝器功能互相對換。制冷時，膨脹閥EV1關(guān)閉，由壓縮機排出的高壓蒸氣，先經(jīng)熱冷凝器，再經(jīng)切斷閥SV1進(jìn)入冷凝器，制冷劑蒸氣被冷凝成液體，經(jīng)膨脹閥EV2進(jìn)入蒸發(fā)器，并在蒸發(fā)器中吸熱，將室內(nèi)空氣冷卻，蒸發(fā)后的制冷劑蒸汽，經(jīng)切斷閥SV4和氣液分離器后被壓縮機吸入，這樣周而復(fù)始，實現(xiàn)制冷循環(huán)。

圖1 車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖

取暖時，僅通過使用外部空氣的熱量為車輛內(nèi)部供暖，電動空調(diào)壓縮機壓縮驅(qū)動制冷劑。氣態(tài)制冷劑高溫時所受壓力較高。在熱冷凝器中，制冷劑將熱量傳到空氣中并開始冷凝。空氣受熱后，作為熱源流入車內(nèi)，切斷閥 SV1和 SV4關(guān)閉。膨脹閥EV1使壓力降低，液態(tài)制冷劑的溫度也相應(yīng)下降，這時蒸發(fā)器用作冷凝器，流入的制冷劑冷凝、開始釋放熱量，這時預(yù)熱空氣進(jìn)一步流向熱冷凝器，膨脹閥EV3關(guān)閉，膨脹閥EV2進(jìn)一步使制冷劑壓力降低，此時制冷劑溫度低于環(huán)境溫度，進(jìn)而在冷凝器中蒸發(fā)，制冷劑蒸發(fā)時，會吸收外部較暖空氣熱量，使其溫度降低，氣態(tài)制冷劑流經(jīng)切斷閥SV5，沿空調(diào)壓縮機方向流出冷凝器。

2 熱泵空調(diào)技術(shù)研究

熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的電力驅(qū)動，會影響電動汽車的行駛里程，而且低溫下熱泵系統(tǒng)效率嚴(yán)重下降和車外換熱器容易結(jié)霜。因此，現(xiàn)階段研究主要集中在低溫環(huán)境中如何提高熱泵空調(diào)制熱能力、熱管理系統(tǒng)研究、最佳的制冷工質(zhì)選擇、壓縮機的控制、換熱器除霜問題等方面。

2.1 低溫環(huán)境下提高熱效率

熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有能效比高的特點，但工作溫度范圍受到制冷工質(zhì)和空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)揮最大效率時的室外溫度范圍是 -5 °C 到 15 °C之間，隨著環(huán)境溫度的降低，制熱能力衰減嚴(yán)重，在極端寒冷條件下，能效比下降明顯，需借助于高壓PTC進(jìn)行輔助加熱[5]。解決低溫工況制熱能力衰減的主要應(yīng)對措施有[6]：補氣曾晗技術(shù)，提高制冷劑流量，增大散熱量；雙級壓縮中間冷卻技術(shù)，減小壓縮比，降低排氣溫度；優(yōu)化車外換熱器，改變可變進(jìn)氣格柵等。

2.2 熱管理研究

為彌補熱泵空調(diào)低溫工況性能的不足，同時為了節(jié)約能耗，大部分電動汽車都有一套綜合的熱管理系統(tǒng)：涵蓋采暖，制冷，蓄熱，熱回收等技術(shù)。所有具有利用價值的熱元件如高壓蓄電池、驅(qū)動電機、電子功率裝置、車載充電機都將在這套系統(tǒng)的科學(xué)管理下工作。研究表明[7]：純電動汽車在車速變化時，電池散熱量迅速增加，即廢熱增加；當(dāng)廢熱回收熱泵系統(tǒng)在2 ℃的工況下運行時，換熱量最大可增加至3 797 W，能效比范圍為1.82～2.43，增加的廢熱能滿足制熱要求；當(dāng)溫度降到-7 ℃ 時，換熱量最大可增至2 407 W，能效比范圍為1.56～2.63，回風(fēng)溫度可達(dá)13.2 ℃，但仍需提供額外熱源才能滿足制熱要求。

2.3 制冷工質(zhì)的選擇

表1 幾種常見制冷劑的主要性能比較

2016年11月蒙特利爾議定書第28次締約方大會中，汽車空調(diào)制冷劑R134a被列入《基加利修正案》限控清單；R134a在全球范圍內(nèi)各國逐步禁用R134a作為汽車空調(diào)制冷劑[8]。R410因溫室效應(yīng)較高，沒有被大量使用。與R1234yf相比，CO2更適合作為熱泵系統(tǒng)的制冷劑，其在極低溫（-3～20 ℃）仍有較高的 COP（能效比）。CO2具有良好的熱物理性能，并且CO2使全球變暖的潛在能力（GWP）是R134a的千分之一[9]。-20 ℃的低溫環(huán)境下，CO2熱泵電動車的采暖能力顯著大于PTC電動車，與傳統(tǒng)燃油車相近；在-5 ℃的環(huán)境下，相比 PTC電動車，CO2熱泵系統(tǒng)電動車在正常模式下的續(xù)航里程可增加23.6%[10]。

2.4 壓縮機控制技術(shù)

壓縮機是空調(diào)系統(tǒng)的核心部件，在已上市的搭載有熱泵空調(diào)系統(tǒng)的電動汽車上采用高壓電動渦旋壓縮機，具有結(jié)構(gòu)簡單、噪音低、體積小、重量輕、運行平穩(wěn)、效率高等優(yōu)點[11]。在壓縮機中間腔補充中壓氣體，增加排氣量，降低排氣溫度，能夠提高制熱能力，所以采用補氣增焓技術(shù)的渦旋壓縮機可以有效改善低溫環(huán)境下單級渦旋壓縮機的排氣溫度過高和制熱能力低下的問題[12-13]，研究表明，在外界溫度-7 ℃時，準(zhǔn)雙級壓縮機比單級壓縮機排氣溫度降低了10 ℃[3,12]；隨著外界溫度升高，壓縮機排氣質(zhì)量流量逐漸增大，相比單級壓縮機，準(zhǔn)雙級壓縮機排氣量增大12.9%～17.4%，制熱能力提升效果明顯[3,12]。

2.5 除霜問題研究

在制熱模式下，車外換熱器被當(dāng)作蒸發(fā)器使用，其表面溫度低于0℃時會引起換熱器表面結(jié)霜或者結(jié)冰，從而使換熱性能急劇下降，為此，可考慮給換熱器表面進(jìn)行除霜，除霜方法主要有逆循環(huán)法和熱氣旁通法[14]。逆循環(huán)法除霜[15]是通過改變四通換向閥的方向，切換至短暫的制冷模式，車外換熱器作為冷凝器使用，從而融化掉其表面的霜，但未被蒸發(fā)的水還是容易導(dǎo)致二次結(jié)冰，也會降低系統(tǒng)的性能。熱氣旁通法除霜[16]通常是指將壓縮機排氣旁通到蒸發(fā)器入口處，利用壓縮機排出的高溫高壓制冷劑的潛熱來融霜。除霜還可以采用更精準(zhǔn)的熱開發(fā)控制、更節(jié)能更精準(zhǔn)的硅電子膨脹閥，高效的過冷式平行流冷凝器，改善微通道蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，使制冷劑蒸發(fā)更均勻[17]。

3 熱泵空調(diào)的應(yīng)用

熱泵空調(diào)系統(tǒng)已在電動汽車上逐漸得到應(yīng)用和推廣，大眾的e-Golf和新上的ID4、奧迪R8和Q7e-tron、寶馬i3、雷諾Zoe、標(biāo)致2008、捷豹i-Pace均已量產(chǎn)裝車，特斯拉于2020年量產(chǎn)的 Model Y同樣已搭載熱泵空調(diào)，國內(nèi)主要在長安CS75 PHEV、一汽奔騰B30EV、上汽榮威Ei5和榮威Marvel X都應(yīng)用了熱泵空調(diào)系統(tǒng)，而且覆蓋純電和混動車型[5]。據(jù)報道[18]，榮威在旗下車型上搭載的全工況熱泵空調(diào)系統(tǒng)在-7℃的環(huán)境前提下高效的熱泵將會相較于其他空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能37.5%。在同樣供暖條件下搭載熱泵空調(diào)的電動車將會比傳統(tǒng)系統(tǒng)的電動車?yán)m(xù)航里程增加15%～30%。

國內(nèi)主機廠從2000年開始熱泵系統(tǒng)地研究和應(yīng)用，2018年，格力也發(fā)布了旗下車載熱泵空調(diào)產(chǎn)品，搭載雙級增晗技術(shù)[18]，并且已經(jīng)解決超低溫環(huán)境下制熱量不足的問題，并在-30～54 ℃大溫度區(qū)間可靠運行，而格力更表示搭載該空調(diào)系統(tǒng)的車型在測試中空調(diào)耗電量降低60%，整車?yán)m(xù)航里程提升13%。

4 熱泵空調(diào)故障診斷研究

車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)中常見的故障為：壓縮機內(nèi)泄漏故障；冷凝器側(cè)空氣流量不足故障，即冷凝器管路出現(xiàn)問題，會導(dǎo)致空氣側(cè)流量降低；蒸發(fā)器側(cè)空氣流量不足故障，即蒸發(fā)器管路出現(xiàn)問題，會導(dǎo)致空氣側(cè)流量降低；液體管路阻塞故障，即液體管路變形或干燥器過濾器結(jié)垢；制冷劑充注量不足或充注量過多。故障原因主要集中在壓縮機、制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等方面，由于壓縮機由高壓電動機驅(qū)動，所以在高壓系統(tǒng)的電路檢查與處理時，必需由經(jīng)過車輛高壓系統(tǒng)操作培訓(xùn)的專業(yè)維修人員來操作，操作時要做好安全防護(hù)措施，嚴(yán)格按照安全維修操作規(guī)程對高壓系統(tǒng)斷電后方可進(jìn)行[19-20]。鼓風(fēng)機與風(fēng)門電機電路的控制傳統(tǒng)電路基本一樣，熱泵空調(diào)系統(tǒng)故障診斷思路與傳統(tǒng)汽車空調(diào)差異不大，可用故障診斷儀讀取故障碼對相應(yīng)模塊進(jìn)行檢查。

5 結(jié)語

本文主要研究了車用熱泵空調(diào)的工作模式、探討了技術(shù)研究進(jìn)展和典型應(yīng)用。現(xiàn)階段車用熱泵空調(diào)在低溫環(huán)境下的制熱效率有了大幅提高，綜合了高壓蓄電池、驅(qū)動電機、功率電子裝置能量的熱管理系統(tǒng)效果不斷完善，CO2成為制冷工質(zhì)選擇方向，電動壓縮機的控制愈來愈可靠精確，換熱器除霜問題基本得到解決，需要注意的是，車用熱泵空調(diào)是汽車空調(diào)的發(fā)展方向，在故障診斷還需深入研究。