淺析純電動汽車空調系統(tǒng)原理

史德福， 胡 嵐， 吳 健， 趙春晨

（1.天津市公用技師學院， 天津 300380； 2.天津市制冷學會， 天津 300134）

隨著中國能源結構的調整與“雙碳目標”的提出，國家出臺一系列相關政策，大力支持扶持純電動汽車的發(fā)展。在《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021－2035年）》中指出到2035年實現(xiàn)純電動汽車成為新銷售車輛的主流，公共領域用車全面電動化的目標。在政策的指導下，各汽車生產廠商紛紛推出了自己的純電動汽車品牌。但純電動汽車目前仍面臨著許多技術難題需要攻克，其中續(xù)航里程就是面臨的問題之一。純電動汽車要降低百公里電耗，一方面要降低用于行駛的電耗，另一方面要降低輔助功能的電耗［1-3］。汽車空調能夠調節(jié)和改善車廂內的溫度、濕度、潔凈度和氣流速度，提高駕乘人員舒適度，為駕乘人員提供一個良好的駕乘環(huán)境，但同時汽車空調的使用會大大降低純電動汽車的續(xù)航里程［4］。相對于燃油汽車空調，純電動汽車空調有著自己的特點。本文主要對純電動汽車空調系統(tǒng)結構與原理做介紹。

1 制冷原理

純電動汽車空調制冷系統(tǒng)主要由電動壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器四大部件組成，通過高、低壓管路依次相互連接成密封循環(huán)系統(tǒng)［5］。輔助部件有電子風扇、鼓風機、儲液干燥器、通風管道和風門等。制冷原理如圖1所示。制冷工作時，空調壓縮機吸入低溫低壓制冷劑蒸汽并將其壓縮為高溫高壓氣態(tài)制冷劑后送至冷凝器，空氣在電子風扇的作用下冷卻冷凝器，釋放制冷劑的熱量，使高溫高壓氣態(tài)制冷劑凝結為中溫中壓液態(tài)制冷劑，由冷凝器輸出管道送至膨脹閥，經膨脹閥的節(jié)流降壓作用后，低溫低壓制冷劑進入蒸發(fā)器吸熱，鼓風機風扇將空氣吹向蒸發(fā)器，被冷卻后的空氣通過風道送至車內各個出風口，經蒸發(fā)器吸熱汽化后的低溫低壓氣態(tài)制冷劑又返回至壓縮機內，然后壓縮機再將氣態(tài)制冷劑送至冷凝器，這樣往復不斷地進行制冷劑的液化和汽化過程，最終使車廂空氣溫度降低。純電動汽車空調一般采用直流渦旋式壓縮機［6］，直流壓縮機可通過直流變頻技術實現(xiàn)制冷系統(tǒng)的能量調節(jié)，提高乘客舒適度的同時達到節(jié)能的目的。

圖1 制冷原理圖

2 制熱原理

純電動汽車由于沒有發(fā)動機，因此不需要對發(fā)動機進行冷卻，冬季供熱沒有免費的熱源［7］。因此，純電動汽車冬季供熱需要消耗一部分電能。純電動汽車一般采用PTC電加熱器、熱泵空調系統(tǒng)方式對汽車加熱。

2.1 PTC加熱器

PTC熱敏電阻隨著溫度的持續(xù)升高，其電阻值也會相應增大。當溫度升高到一定程度時，PTC熱敏電阻保持在一定值不再變化。PTC加熱器利用熱敏電阻的獨特特性來提供熱量。當車內需要供暖時，PTC加熱器在控制電路的控制下工作。

1） 直接加熱空氣。直接加熱空氣供暖系統(tǒng)主要由PTC加熱器、鼓風機、風道及控制系統(tǒng)組成。將PTC加熱器布置于傳統(tǒng)汽車暖風芯體的位置，當PTC加熱器通電加熱后，PTC加熱器散熱片使其周圍的空氣升溫［8］，通過鼓風機吹出的空氣將PTC加熱器散發(fā)出的熱量送到車廂內或風窗玻璃，用以提高車廂內溫度和除霜，實現(xiàn)暖風供熱。采用這種方法特點是結構簡單、熱效率高，但具有一定的安全隱患。Model-X、榮威E50、歐拉黑貓等采用高壓PTC加熱器直接加熱空氣的方式，其制熱原理如圖2所示。

圖2 直接加熱空氣原理

2） 間接加熱空氣。間接加熱空氣供暖系統(tǒng)由PTC加熱器、電動冷卻液泵、車內散熱器、暖風水管、鼓風機、通風管道、風閥和膨脹罐等組成。PTC加熱器工作時，電動冷卻液泵啟動，冷卻液經PTC加熱器加熱后流入車內散熱器，通過鼓風機使空氣與車內散熱器進行熱交換，經過車內散熱器的空氣變熱，溫度升高，通過風道送到車廂，達到加熱的目的。埃安系列、比亞迪漢、比亞迪宋、哪吒U、歐拉白貓、歐拉好貓等采用的是PTC間接加熱空氣的制熱系統(tǒng)。采用這種方法特點是系統(tǒng)比較復雜，熱效率較低，但安全性較高，其加熱原理如圖3所示。

圖3 PTC間接加熱工作原理

2.2 熱泵空調系統(tǒng)

汽車熱泵空調系統(tǒng)是在制冷空調系統(tǒng)上加裝四通換向閥。熱泵空調系統(tǒng)通過四通換向閥的切換來實現(xiàn)制冷與制熱功能。其主要原理也是通過蒸汽壓縮循環(huán)，與制冷不同的是，供熱時，蒸發(fā)器與冷凝器功能互換，熱量由車外搬運到車廂內。相較于PTC加熱器供暖，熱泵空調系統(tǒng)供熱效率高，節(jié)能效果好。熱泵空調相比于PTC加熱器，可大幅降低能耗，增加汽車的冬季續(xù)航里程，但熱泵系統(tǒng)低溫制熱效率低且成本偏高，因此，使用熱泵系統(tǒng)的汽車空調一般采用PTC輔助熱泵系統(tǒng)進行加熱。當熱泵系統(tǒng)供熱量不能滿足車廂內溫度時，PTC加熱器在控制電路控制下投入工作，將對熱泵系統(tǒng)吹出的溫度較低的空氣進一步加熱，以滿足車廂內供暖需要。當熱泵系統(tǒng)制熱量能夠滿足車廂內溫度要求時，PTC加熱器停止工作。今后隨著低溫熱泵技術的不斷突破，熱泵空調的應用將越來越廣泛。隨著熱泵空調技術的發(fā)展，新型制冷劑如二氧化碳、R1234yf作為汽車空調制冷劑也會不斷應用到熱泵系統(tǒng)中［9-10］。

1） 直接式熱泵空調系統(tǒng)。直接式熱泵空調系統(tǒng)一般采用三換熱，通過閥門的切換來進行制冷和制熱模式的切換。加熱時通過車內散熱器與PTC加熱器直接對空氣進行加熱。榮威Ei5、蔚來ES6等采用的是此種模式，其制熱原理如圖4所示。

圖4 直接式熱泵空調系統(tǒng)原理

2） 間接式熱泵空調系統(tǒng)。間接式熱泵空調系統(tǒng)通過熱交換器，將熱量先換到冷卻液中，再通過冷卻液泵將熱量泵送到暖風換熱器中進行熱量交換，通過冷卻液加熱空氣對車廂內進行加熱。寶馬i3采用的是間接式熱泵空調系統(tǒng)，其原理如圖5所示。

圖5 間接式熱泵空調系統(tǒng)原理

3） 二氧化碳熱泵空調系統(tǒng)。二氧化碳制冷劑的GWP值極低且具有優(yōu)秀的制冷、制熱能力。-15℃的環(huán)境里，二氧化碳熱泵比普通熱泵的工作效率提升25%。大眾ID.4系列與ID.6系列搭載了二氧化碳熱泵空調系統(tǒng)，其工作原理如圖6所示。

圖6 二氧化碳熱泵空調系統(tǒng)原理圖

3 通風原理

汽車空調通風系統(tǒng)用于將車外的新鮮空氣引進車內，并通過凈化裝置對空氣進行清潔，以提高車廂內空氣的潔凈度的要求，實現(xiàn)通風換氣的目的。純電動汽車空調通風系統(tǒng)與燃油汽車一樣由鼓風機、濾清器、風門及風道等組成。空氣流經一條曲折的通道，從進風口流動到出風口，然后被分配到整個乘客艙，管道系統(tǒng)多數(shù)是用模壓塑料制成。

1） 動壓通風。動壓通風是利用汽車行駛過程中，汽車前后形成的壓力差來進行自然通風的方式。當車輛移動時，車輛外面的一些地方產生正壓，一些地方產生負壓，空氣入口位于正壓處，排風口位于負壓處，通過壓力差讓空氣流動。當車處在靜止或低速行駛狀態(tài)時，通風效果較差。

2） 強制通風。強制通風系統(tǒng)中，使用鼓風機強制空氣流過汽車。進氣和排氣一般與動壓通風的風口在相同的位置。強制通風風量大，可依據(jù)不同需要選擇不同的送風量，在送風過程中需要消耗一部分電能為鼓風機轉動。強制通風在送風過程中不受車速的影響，任何情況都能滿足送風要求。

3） 綜合通風。綜合通風結構相對復雜，既包含動壓通風又包含強制通風。能夠在滿足通風需要的前提下，節(jié)省電力，經濟性好，提高純電動汽車的續(xù)航能力。

4 凈化原理

車廂相對空間內人員密度大，呼出的二氧化碳氣體、乘車人員揮發(fā)的汗液、吸煙產生的煙霧、通過通風系統(tǒng)進入車廂內的灰塵都會使乘車環(huán)境空氣變得污濁。長期處在污染物超標的環(huán)境中會產生駕駛疲勞，甚至造成駕駛事故。

1） 空氣過濾式凈化方式是在空調系統(tǒng)的進風口和回風口安裝空氣濾清器，通過濾清器的篩濾、攔截、慣性和擴散作用過濾空氣中的灰塵和雜質。具有結構簡單、成本低、工作可靠等優(yōu)點，只需定期清理或更換濾清器即可。但隨著灰塵和雜質的增多，氣流阻力會不斷增大。

2） 靜電集塵是一種常用的氣體除塵方式。利用高壓電極產生靜電場，將空氣電離，使空氣帶電，帶電塵粒在電場作用下沉降在正、負電極上，實現(xiàn)對空氣中灰塵的收集。吸附在集塵板上的塵埃進行紫外線照射，將塵埃中的細菌殺死。經過除塵和滅菌后的空氣再通過含有活性炭的濾清器，將其中的煙塵和臭味吸附，保持車內空氣清潔無異味。

5 控制原理

純電動汽車隨著時代的發(fā)展采用了車載局域網絡和互聯(lián)系統(tǒng)。汽車空調的控制是純電動汽車控制的一個有機組成部分，需要與其他控制有機結合。整車控制器VCU采集空調控制面板發(fā)出的空調開關信號、風速信號、冷暖選擇信號以及傳感器發(fā)出的壓力開關信號、蒸發(fā)器溫度信號及環(huán)境溫度信號等，再通過控制局域網絡CAN總線傳輸控制壓縮機啟停、風機轉速、PTC加熱器等的工作，經過反復調節(jié)，直到達到預設定的溫度要求為止。由于純電動汽車空調是通過電機帶動壓縮機旋轉工作，可通過對電機輸入功率的控制來實現(xiàn)汽車空調的變功率調節(jié)。通過變功率調節(jié)，可以精確控制車廂內溫度，不但能提高駕乘人員的舒適度，還能節(jié)約電能的消耗，延長續(xù)航里程。如圖7所示。

圖7 純電動汽車控制系統(tǒng)原理

6 總結

隨著純電動汽車技術的不斷發(fā)展，人們對純電動汽車各方面性能要求也越來越高。在追求續(xù)航能力、動力性、安全性和操作性的同時，對舒適性也提出了更高的要求。純電動汽車是我國汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向，隨著技術的發(fā)展與國家政策的支持，在車載網絡與互聯(lián)網系統(tǒng)發(fā)展下，純電動汽車技術會越來越成熟，純電動汽車空調技術也會越來越完善。