新能源汽车空调供热分析

随着国家能源政策的调整以及“双碳目标”的提出,汽车行业正面临着能源结构的调整。新能源汽车以其低碳环保的特点正在走入人们的生活并逐步替代传统燃油汽车。新能源汽车的发展对中国汽车行业的发展有着重要的意义。续航里程是新能源汽车面临的重大挑战,新能源汽车制热方式的选择直接影响新能源汽车冬季续航里程。本文主要对新能源汽车包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车冬季制热原理进行分析。

关键词：汽车空调、新能源汽车、制热;热泵

作者：史德福1,胡岚1,吴健1,赵春晨2

1.天津市公用技师学院,天津

2.天津市制冷学会,天津

随着中国能源结构的调整与“双碳目标”的实现,国家出台一系列相关政策大力扶植新能源汽车的发展。在《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》中指出到2025年,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右。据中国汽车工业协会调查数据显示,截至2021年底,全国新能源汽车保有量已达784 万 辆, 占汽车总量的2.6%。2021年底,新能源汽车新增 占新增汽车总量的11.25%。我国已经成为新能源汽车产销量第一的国家。未来几年,随着国家不断推动新能源汽车的发展,新能源汽车占比还将会持续增长。汽车空调作为现代汽车不可缺少的组成部分,满足人们对驾乘环境舒适度的要求[1] 。新能源汽车主要包括纯电动汽车(BEV)、混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)[2] 。新能源汽车制热方式的选择，直接影响新能源汽车的冬季续航里程。本文对不同类型的新能源汽车空调系统冬季供热进行分析。

01纯电动汽车空调系统

纯电动汽车驱动能量完全由电能提供。纯电动汽车空调系统与传统燃油汽车空调制热方式不同,纯电动汽车没有发动机作为空调压缩机的动力源,不能利用发动机余热作为汽车空调冬季制热热源[3] 。纯电动汽车制热模式主要有 PTC、热泵等模式。

PTC

PTCPTC热敏电阻通常是用半导体材料制成,按材质的不同可以分为陶瓷 PTC热敏电阻和有机高分子PTC 热敏电阻。PTC热敏电阻阻值能够随环境温度高低变换而变化,具有节能、恒温、安全和使用寿命长等特点。新能源汽车中PTC加热式暖风系统主要有PTC 空气加热器和PTC水暖加热器两种形式。

PTC空气加热器

Model-X、荣威E50、欧拉黑猫等采用高压PTC加热器直接加热空气的方式。PTC空气加热器利用PTC恒温特性,当系统运行时,车载电池组与 PTC加热器接通,利用电池组电能加热PTC加热器来直接加热冷空气。如图1所示,当开关接通时,车载电池组为PTC加热器供电,PTC加热器温度升高,鼓风机将气流吹过PTC加热器,将热量送入车厢,为车厢供暖。PTC 空气加热器具有结构简单、加热温度高,但具有一定的安全隐患。

PTC水暖加热器

广汽埃安系列、哪吒 U、欧拉白猫、欧拉好猫等采用的是 PTC 间接加热空气的方式。PTC水暖加热 器 利用PTC加热器先加热冷却液,由冷却液泵将冷却液泵送到车内散热器,用冷却液热量来加热空气。如图2所示,冷却液由PTC加热器加热,流经车内换热器,鼓风机将气流吹过车内换热器,将热量释放车内对车内供暖。PTC 水暖加热器能够避免将大电流和高电压引入车内,具有便于控制和安全性高等特点,但系统相对复杂,成本较 PTC空气加热器高。

热泵

热泵空调系统供暖时制冷剂流动方向与制冷时相反,冷凝器与蒸发器功能互换,热量从车外搬运到车内,完成车厢内供暖。家用新能源轿车热泵系统一般采用三换热器模式。三换热器热泵供暖系统在车内设置两个换热器。如图3所示,系统中不设置四通换向阀,通过阀门的切换来实现制热与制冷功能的切换。制热工作时,电 磁 阀 1 关闭,电磁阀2开启,压缩机压缩的高温高压制冷剂蒸气经过车内换热器2向车内释放热量,节流后经过车外换热器吸收车外热量后再回到压缩机,完成供热循环。

当环境温度低于-10℃时,热泵制热量会出现严重的衰减，为了克服热泵空调在低温环境效率低的问题，纯电动汽车采用热泵空调系统和PTC共同制热的方式。当刚起动或者环境温度较低时，通过PTC加热器或PTC加热器辅助热泵空调系统供热，当工作一段时间后，再通过热泵制热系统供热。

宝马i3采用热泵联合 PTC模式供暖。如图4所示，共热时间1 3关闭,阀2 4打开,制冷剂被白动压缩机压缩为高温高压气体到达热交换器，将热量释放给冷却液。升温后的冷却液口被 PTC加热器进一步加热，流经暖风换热器,鼓风机将气流吹过暖风换热器形成热风，对车人供暖。降温后的冷却液经电动冷却液泵流口热交换器。经热交换器放热后的制冷剂经热力膨胀阀1降温调压后流入车内换热器,通过控制热力膨胀阀2,使车内换热器的压力提高,鼓风机将气流吹过换热器,车内换热器继续放热对车内供暖。放热后的制冷剂通过执力膨胀浅2节流隆压,低温低床的制冷剂通过车外换热器吸收环境热量,再回到电动压缩机,完成供暖循环。

二氧化碳热泵

大众ID4系列与ID.6系列采用二氧化碳热泵系统供暖。二氧化碳制冷剂的 GWP 值极低，日具有优秀的制冷、制热能力[4]，适合在没有足够热源的纯电动汽车供热。如图5所示,二氧化碳热泵供热系统工作时，电磁阀1、2、4 关闭,电磁阀 3、5 开启。制冷剂被电动压缩机压缩为高温高压气体到达热交换器，将热量释放给车内空气，经热力膨胀阀1降温调压后流入车内换热器2.使车内换热器2的床力提高.鼓风机将气流吹过换热器2.车内换热器2继续放热对车内供暖。放热后的制冷剂通过热力膨胀阀2节流降压,低温低压的制冷剂通过车外换热器吸收环境热量,再回到电动压缩机,完成供暖循环。

02混合动力电动汽车空调系统

比亚迪秦DM-i是一种典型的混合动力电动汽车，相对于纯电动汽车,混合动力电动汽车具有两种动力来源,即可消耗的燃料和可再充电能的储存装置。混合动力电动汽车的发动机在很多驾驶条件下所产生的热量非常低,无法将冷却液回路加热至必要的温度,所以混合动力电动汽车配备了电加热装置,如图6所示，将电加热装置与传统汽车空调车内换热器品联 通过自加热装置加热后的冷却液进人车内换热器。

当冷却液温度较低时,接线盒电子装置控制电动转换阀关闭阻止发动机冷却液流入。电动冷却液泵将冷却液泵人电加热装置中进行加热，双水阀按需求将冷却液输送到暖风热交换器中,由鼓风机吹出热风,使车内温度升高。

当冷却液温度较高时，电动转换阀打开,被发动机加热的冷却液流经电动转换阀、电加热装置(不工作)、双水阀,到达车内换热器。冷却液将一部分热量排向流经车外换热器的空气后,重新流回发动机冷却液循环中。

03燃料电池电动汽车空调系统

丰田 Mirai是一款燃料电池电动汽车,燃料电池电动汽车以燃料电池系统或燃料电池系统与可充电储能系统作为动力源。燃料电池电动车因余热排放量大,冬季供暖采用直接利用电池散出的热量[5] 。如图7所示,当冬季汽车工作时,冷却水泵开启,80℃的冷却水经过燃料电池散热器对燃料电池进行冷却,降 低 到 合 适 温 度。打开截止阀,部分热水通过车内散热器对车内进行供暖,由供暖水泵将供暖部分的水加压输送到主管路,与三通阀出口的回流冷却液一起继续对燃料电池进行冷却。当不需要供暖时,关闭截止阀即可断开供暖循环。供暖温度的高低可通过三通阀的开启度进行调节。丰田Mirai在此基础上开发了电堆余热利用技术,当汽车起步或行驶早期阶段,使用电加热器进行温度调节,当燃料电池水温高于某个水平是,空调热回路和燃料电池冷却回路连接,减少电加热器的功耗,当高速行驶时,仅用燃料电池冷却回路,无需电加热器介入。

04新能源汽车空调供热分析与展望

如表1所示,新能源汽车不同供热模式各有优缺点。相对于传统燃油汽车供暖采用发动机余热供暖,新能源汽车供暖主要采用 PTC加热或者热泵加热等方式;新能源汽车供暖系统在控制上更复杂,不仅要满足乘员舱的温度要求,还要满足整车的热管理。因此,为了保障新能源车冬季可靠、高效的供暖要从以下几个方面着手:首先,新能源汽车冬季通过PTC加热虽然能满足汽车的冬季供暖,但是会影响汽车的续航里程。将新能源汽车尤其是纯电动汽车 PTC加热方式替换成更高效的热泵空调系统来保障新能源汽车的续航里程。其次,研发适合新能源汽车的热泵空调系统,借鉴房间空调器成熟技术,如双级压缩和补气增焓、二氧化碳热泵等技术,来提高低温环境下热泵的运行可靠性和供热能力。

再次,通过计算机控制技术,将汽车整个热管理系统统一协调,合理分配热量,更精确的控制电池、电动机、电控系统及成员舱的温度分配,在满足汽车高效运行、满足人们舒适要求前提下,提高新能源汽车供热经济性和高效性。

最后,新能源汽车空调相较于传统汽车空调是一个新的课题,空调热管理系统还在不断发展,市场还未达到饱和,因此,企业要重视新技术的研发以及人才培养,通过大胆创新来提高新能源汽车供暖新的突破。

05总结

随着新能源汽车时代的到来,新能源汽车正在逐步替代传统燃油汽车。与传统燃油汽车供暖不同，新能源汽车冬季供暖即要满足车内人员的温度需求又要满足电池、电动机和电控系统的热管理需求。新能源汽车冬季制热有多种方式，我们应该根据新能源汽车的自身特点，选择适合新能源汽车的供暖方式。通过加快新能源汽车热管理系统技术的研发,不断提高空调智能化、精细化的发展结合互联网的快速发展，汽车空调将会越来越节能、高效、绿色、环保和安全。

【参考文献】

[1]张蕾.汽车空调(第3版)[M].北京:机械工业出版社,2020.1.

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T19596—2017电动汽车术语[S].北京:中国标准出版社2017.9

[3]魏秋兰,王红,刘涛.新能源汽车热泵空调技术研究与应用[J].汽车实用技术,2021,46(13):13-15+22.

[4]凌永成.汽车空调技术(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2020.6.

[5]徐继勇.新能源汽车空调检测与维修[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2020.11.