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EV/PHEV车辆制冷、制热、除湿和除霜同时成立的高效热泵系统
2020-04-13 20:20:02· 来源：电动学堂
文章来源：《EV/PHEV车辆制冷、制热、除湿和除霜同时成立的高效热泵系统》引言目前，车辆的燃料消耗总量约占全国的55%。在每年增长的石油消耗量中，几乎70%以上
文章来源：《EV/PHEV车辆制冷、制热、除湿和除霜同时成立的高效热泵系统》
引言
目前，车辆的燃料消耗总量约占全国的55%。在每年增长的石油消耗量中，几乎70%以上被新增车辆所消耗。为此从法规上强化了节能环保车的要求，从而促进了对新能源汽车的需求。预计到2020年中国新能源车市需求将达到车辆总需求量的30%，2025年将达到总需求量的40%左右。作为国家战略的一部分，在《中国制造2025》中也制定了新能源车目标，即在节能车辆市场中，2020年国产节能车辆将达到40%，2025年将达到50%，2030年将达到60%。新能源车市场2020年将新增5%以上（约200万台），2025年新增20%左右，2030年有可能超过1000万台。
车辆生产厂也因此加速开发各种类型的新能源汽车，如混合动力汽车、插电式混合动力车、电动汽车等。图1是这些车辆空调的要求事项以及所适用的技术。
在冬季，PHEV车的空调制热可以利用发动机冷却液获取热量或者利用汽车电能未获取热能，但是发动机效率提高后，冷却液温度降低，由此导致的降低的热量必须由消耗电能来补充，因此会减少车辆实际行驶距离。在EV车上，因为空调制热只能由电能转换而来，所以这个问题尤其突出。冬季制热功耗有时会超过车辆总耗能的50%，这会导致行驶用电能减少、实际行驶距离大幅度下降的现象。
因此，一辆能源利用效率较高的新能源车辆，如要降低制热时的实际油耗（增加实际行驶距离），就需要提高空调系统的效率。本文先介绍新能源车空调系统的特征，然后说明与新能源车相适应的热泵系统。
1 新能源车辆空调的必需性能
车用空调系统不仅要确保它的舒适性，还要能除湿哽即除去前风窗玻璃上的雾气以确保驾驶人的视野。除此之外，EV车从延长实际行驶距离的角度出发，对空调功耗提出了更高的要求。为了确保乘坐舒适性，车辆在停止行驶后空调也需要运行，因此电动压缩机等的动力和车辆行驶动力应相互独立。另外，内燃发动机车型(ICEV）的制热是利用发动机的废热，但是EV车没有发动机，所以需要热泵或电加热等的热源供暖。为了减少EV车的空调功耗，我们可以从提高空调的效率及降低热负荷两方面着手。
归纳以上，我们可以知道新能源车辆的空调系统不同于以往的ICVE车的特征是
①冬季需要不依赖发动机废热的高；
②降低热负荷。
2 热源技术、降低热负荷技术
热源、技术有利用电力的PTC加热器、辉光加热器、将油的剪切力转换成热能的黏性加热器、燃烧式加热器、使用制冷剂的热气加热器、热泵等。从原理上来看，效率(COP）超过1的只有热泵。
热负荷降抵技术就是在降低换气损失的同时，防止风窗玻璃结雾的内外气双层流和除湿传感器控制技术。
3 享用热泵的特征
车用热泵构成如下：向车室内放热的冷凝器、根据条件不同或是蒸发器或是冷凝器的室外热交换器、吸收车室内热量的蒸发器共三个热交换器及两个插环控制的电子膨胀阀。
传统汽车空调是在车室内安装利用发动机废热的“加热交换器作为制热的热源。热泵是将冷凝器作为制热的热源安装在车室内。另外，除湿功能与传统汽车空调→样，热泵也是通过蒸发器的冷却来除湿，只是传统空调上除湿后的空气通过加热芯，热泵是利用室内冷凝器来调节到舒适的吹出口温度。
如图2所示，无论EV车型还是PHEV车型，目前均较多地采用电加热式。也就是加热器将水加热后，由电动水泵将加热后的温水输送至加热志。这种系统是在以前的制冷循环基础上加入温水循环，结构相对简单。但制热量必定小于消耗的电力，效率始终小于1。
另一方面，如将热泵的再加热量设为轧，压缩机动力为L，室外换热器吸热量设为Q0，那么Qc＝L＋Q0，热泵的效率将大于1。比以往的电加热式更节省电力，会对增大续航里程做出更大贡献。在热泵系统中气体加热方式有空气加热方式和水加热方式两种类型。
3.1 工作原理
3.1.1 制冷模式
图3所示为制冷工作原理。从压缩机吐出的高温高压的冷制冷气体被送至室内冷凝器。因为混合风门关闭，车室内空气不会被加热。随后制冷剂通过全开的电子膨胀阀-1，进入室外热交换器，在热交换器中向大气放热并冷凝；然后由电子膨胀阀-2控制节流降压，变成低温低压状态，从而冷却车室内空气。
3.1.2 制热模式
图4所示为制热工作原理。从压缩机吐出的高温高压的制冷气体通过室内冷凝器向车室内放热液化。液化后的制冷剂经电子膨胀阀-1节流降压，成为低温低压状态，通过室外热交换器从大气中吸热；然后由储液分离器实现气液分离，并将分离后的制冷剂气体再送至压缩机内。如室外温度长期低于0℃，则热交换器会出现结霜现象。结霜后室外热交换器的热交换率就会下降，制热能力和效率也将下降，必须要考虑相应的除霜措施。有关除霜措施将在除霜模式中加以叙述。
就热交换器而言，相对于制冷时高压侧为室外热交换抵压侧为蒸发器，制热时高压侧为室内冷凝器，低压侧为室外热交换器。
这时，可以通过控制电子式膨胀阀的开度来控制最适过SC值，从而控制最大COP值。
最适过冷度SC值可以根据系统部件的规格及环境条件算出。下面介绍某系统部品规格及某环境条件（换器的风速为2.2m/s、HVAC风量为150m³/h、HVAC吹出温度为45℃）中的各HVAC吸入温度、外气温度及最适过冷度SC值和COP的计算结果，如图5所示。
如图5所示，HVAC吸入温度越低，COP也越低。如HVAC吸入温度降假时增加过冷度SC值，就能使COP最大。
如图6所示，室外温度越低，COP越低。如果室外温度下降时增加过冷度SC值，就能使COP最大。
由此可知：
①HVAC吸入温度越低，越要增加目标过冷值。
②外气温度越低越要增加目标过冷值。
通过增加目标过冷度SC值，即使室外温度和车室内温度发生变化，热泵也始终以最大效率运转。
3.1.3 除湿制热模式
图7所示为除湿制热工作原理。除湿制热，首先通过电子膨胀阀-1节流降压，通过室外热交换器后，在电子膨胀阀-2处进行减压，随后进入蒸发器，返回储液分离器。
除温制热是通过3个热交，即室内冷凝器、室外热换器、蒸发器之间实现热交换，控制除温能力和再加热能力。
从图8可以看出，在电子膨胀阀-1减压时，通过控制阀门开度，如果室外热交换器的制冷剂温度高于室外温度时，室外热交换器就作为放热器；如制冷剂温度低于室外温度，室外热交换器就作为吸热器发挥作用。因此，只要分别控制蒸发器温度和室内冷凝器温度就能根据热负荷变动来实现除湿的目的。
室外温度20℃的试验台测试结果如图9所示。测试结果表明：将蒸发器之后的温度保持在10℃左右HVAV出风口温度可以控制在10~50℃任一目标温度在围内，具有良好的温度控制特性。
3.1.4 除霜模式（图10)
如前所迷在制热运模式时有可能结霜，结霜后需在车辆停车时进行除霜。除霜时，与制热时的制冷剂流向相同，但此时室外热交换器风扇和HVAC风扇停止运转，电子膨胀阀-1开度比制热时大，因此室外热交换器的压力会随之上升，室外热交换器温度超出0℃，达到除霜的目的。
从上述说明可以看出，制热、制冷、除湿市l热、除霜模式都可以在制冷循环中得以实现。
3.2 效果
试验台测试结果如图11所示。测试结果告诉我们：相对PTC电加热器，热泵系统在制热时可节省功耗59%，在除湿模式时可节省功耗67%。
根据以上省功耗效果可知，在制热时EV车型的实际行驶距离可延长52%，在除温模式时可延长66%，详见图12。
4 结论
随着新能源车的废热减少，针对如何提高电池利用率这一需求，本论文提出的热泵系统，既能满足车辆的舒适性和风窗玻璃的可视性要求，又能具各制热、除温和制冷的空调功能巳亥热泵系统的效率大于PTC电加热器，能对EV车型的续航里程提高做出重大的贡献。今后，我们在继结努力开发高效空调系统的同时，也将开发整车热管理的如变频器、电动机和电池冷却等相关产品。
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