电动汽车热泵空调系统

1、电动车空调系统制热

目前电动汽车的制热方式较常见的是采用 PTC 加热的方式，但由于 PTC 制热效率低，制热效率最高仅为 1:1，且PTC 使用的是动力电池的电量，在 PTC 工作时对电动汽车的续航行驶里程影响较大。如市场上某型号纯电动轿车，配备动力电池容量为 80Ah，电压 320V，整车续航里程标称200-260km，PTC 功率为 2kW。则开启 1 小时 PTC 需要消耗 约 8-10%左右的动力电池容量，直接影响续航里程减少 20km左右。而热泵空调系统是一种新的车辆空调技术，它为车辆 制冷和制热，用 1 千瓦的电力即可产生 3 千瓦的制冷功率或 2 千瓦的制热功率，而不再是之前介绍 PTC 的 1:1 消耗，大 大减少了以往空调系统对续航里程的影响。实验证明，环境温度为-10℃时，以 R134a 为制冷剂的热泵空调系统有较好的制热性能，而环境温度为-20℃时，采用 CO2为制冷剂的热泵 空调系统仍然能稳定地提供所需热量[1]。

2、电动车热泵空调系统

根据电动车的特点以及制热功能的需求，许多汽车空调生产厂家和一些科研单位展开了研究。文献[2]和文献[3]介绍了一套由永磁直流无刷电机直接驱动的电动车热泵空调系统，该系统较好地解决了电动车的制热问题，其工作模型如 图 1 所示。

该空调系统工作原理具体如下：当空调系统需要运行在制冷模式时，通过四通换向阀的动作，使得从压缩机出口流出的制冷剂按照图中实线指示的方向运行，通过鼓风机将冷 风吹入室内，实现车内制冷。当空调系统需要运行在制热模式时，同样通过四通换向阀的动作，使得从压缩机出口流出 的制冷剂按照图中虚线指示的方向运行，实现车内制热。

可以看出，该热泵空调系统与普通空调系统整体架构不 同，其区别在于，增加了可改变制冷剂流向的四通换向阀， 且采用了允许双向流动的膨胀阀。但当该系统工作在制热工况下，系统从除霜模式转换为制热模式时，风道内换热器上 的冷凝水将迅速蒸发，在车辆的前挡风玻璃上结霜，从而影 响驾驶安全性。

日本电装（DENSO）公司开发出的一套以 R134a 为制冷 剂的电动车热泵空调系统，在风道中使用了 2 个换热器。制 冷、制热模式保持不变，当系统以除霜/除湿模式运行时，制 冷剂将经过所有 3 个换热器，运行路线为：压缩机-四通阀- 内部冷凝器-电子膨胀阀 1-外部冷凝器-电子膨胀阀 2（电磁阀关闭）-蒸发器-气液分离器-压缩机。系统通过内部蒸发器来 除湿，将空气冷却到除霜所需要的温度，再通过内部冷凝器 加热，然后通过鼓风机送入室内。从而既解决了安全性的问题，且在融霜时还能同时控制出风口空气的温度，系统如图2 所示。

该系统的试验结果如表 1 所示，环境温度在-10℃到 40℃的范围内，系统在稳态条件下，以最大能耗 1kw 能完成对 车室的制冷和制热[4]。不仅能在制冷和制热模式下满足舒适性，也能通过使用电子膨胀阀来控制出风温度，也能以较小的能耗在很大的湿度范围内完成除湿操作。

另外，由于 CO2有着良好的热物理性能，日本电装公司也为电动车开发了一套 CO2 作为制冷剂的热泵空调系统[5]。同样，系统也在风道内设置了 2 个换热器。不过与 R134a 制 冷剂系统不同的是，在制冷模式时，制冷剂也同时流经内部 冷凝器和外部冷凝器。

3、采用不同制冷剂的热泵空调系统的比较

对于热泵空调系统的性能，不同的制冷剂有着不同的表现。M.Hosoz 和 M.Direk[6]对以 R134a 为制冷剂的热泵空调系统进行了研究。将普通的空调系统进行改制，使得原单向运行的系统可以双向运行，成为简单的热泵空调系统，系统结 构如图 3 所示。测试结果表明，该系统在环境温度不是很低 的情况下能够提供足够的制热量，而当环境温度继续降低时，热泵系统的制热效率下降明显。

欧阳光以 R407c 为制冷剂，对热泵空调系统进行了研究[7]。该系统直接采用了四通阀实现系统的双向运行。其研究结果表明，系统 COP 随环境温度降低而降低，当环境温度很 低时，COP 将小于 1，如图 4 所示。

Tamura 设计了一种以 CO2为制冷剂的热泵空调系统[8]， 该系统在制热模式时，可以利用除湿过程中的余热，系统结 构如图 5 所示。测试结果表明，制热模式下的 COP 可以达到以 R134a 为制冷剂的 1.31 倍，系统结构如下图所示。所以， 使用CO2作为制冷剂是提高低温环境下热泵空调系统制热能 力不足的方法。而且，在 2006 年时欧盟发布规定：2011 年 1 月 1 日起，所有新批准型号的汽车热放空调系统将禁止使用 含 GWP＞150 的氟化气体制冷剂，从 2017 年 1 月 1 日起， 所有新出厂车辆的空调系统将禁止使用含 GWP 大于 150 的 氟化气体制冷剂。而 R134a 和 R407c 的 GWP 值分别为 1300、1500，所以这两种制冷剂不久将被取代。

4、结论

随着电动汽车的日益发展以及国家政策对新能源汽车的鼓励，电动汽车越来越受到人们的追捧。而空调作为驾乘舒 适性的功能要求，也必然会有着越来越高的要求。综合上述 情况，从空调技术的发展和工作效率来说，热泵型空调系统 良好的工作性能必然作为发展趋势。但不论哪种空调系统， 工作时均使用的是动力电池电量，而目前受限于电池技术的 发展和续航里程的短板，使得空调系统的节能高效成为首要考虑因素。因此，就目前情况而言，可以从以下几个方向考虑：

（1）注意改善车辆自身的密封以及隔热性能，使得外部环境因素的影响降到最小； 

（2）开发更高效的涡旋式压缩机，降低能耗比； 

（3）系统设计时考虑不同工况下的工作情况，使得系统 运行达到最高效率； 

（4）开发控制更精准节能的硅电子膨胀阀。