浅析热泵型新能源汽车空调系统的设计及实验

张原原

摘要：现阶段在整个汽车行业，新能源汽车是发展的大趋势，关于新能源汽车的开发与研究也充满多样化。在汽车中，空调系统是第二大耗能设备，所以大力发展新能源汽车空调系统，将会大力推动新能源汽车的推广和发展。本文主要针对新能源汽车空调系统的动力电源、冬季取暖耗能大及运行工况复杂等方面入手，从业研发设计出热泵性新能源汽车空调系统。

关键词：热泵系统；新能源汽车；实验研究

中图分类号：K254 文献标识码：A 文章编号：2095-3178（2018）20-0370-01

1 研究的背景及目的意义

燃油汽车能给人们日常生活带来很大便利，但也带来了很大的环境污染和能源消耗。所以，具备能源利用率高及污染少等各方面优势的电动汽车，逐渐成为了新型的绿色出行交通工具。虽然新能源汽车优点很多，但在推广和应用时还存在不少问题。电动汽车在冬季取暖方式上与普通汽车存在很大区别。普通汽车是将发动机运行而散发的热量直接引进车内，而电动汽车则是使用电能作为热能的来源，所以不能使用和普通汽车一样的取暖系统。电动汽车一般采用PTC电加热器供暖，然而这些设备效率低，消耗电量很大。因此，电动汽车使用热泵空调系统调节车内温度，具有能效高的巨大优势，在满足车内相同负荷的情况下，能以相对较低的耗能来满足车内设置的温度要求，而且还可实现制热和制冷的双重功能。

2 新能源电动汽车空调系统现状

传统燃油汽车空调结构主要有：压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、储液罐、控制系统和送风及其管路系统组成。空调压缩机主要动力来源于发动机，空调主要能耗是压缩机和冷凝器。大家熟知传统汽车空调工作原理，这里不再介绍，这类空调共同特点是由发动机直接提供动力，消耗发动功率约为20%，且效率转化值不足40%。如何降低能耗，提高效率一直是空调领域关注的焦点。新能源汽车空调在结构上大体与传统汽车近似，电动汽车空调制冷系统主要由：电动压缩机、电动压缩机控制器、冷凝器、管路系统（液体管、压缩机排气管、压缩机吸气管）、室内温度传感器、室外温度传感器、阳光传感器、空调主机（蒸发器、加热器、温度风门执行器、模式风门执行器、内外循环风门、鼓风器、蒸发器温度传感器）、膨胀阀、空调控制器等零部件构成。但是电动汽车空调系统不但要满足汽车制冷需要，还要制热。目前电动汽车空调制热主要采用PTC加热和电热管加热的两种模式，由于系能源电动汽车动力取自电动机，能量来源与动力电池，所以多数国内车企在使用电动压缩机直接利用蓄电池供电带动其工作，虽然电动压缩机比就流行使用无刷永磁直流电动机，电子控制单元等是其结构简单，体积小、制冷效率高，但是仍然影响电动汽车的续航里程，而且制热的效率也不高。鉴于目前新能源汽车空调现状，其明显的缺陷制约着我国新能源电动汽车的普及。特别是北方地区，冬季车内制热可损失大约50%的续航里程。如果我国要在全国范围内推广新能源电动汽车一些关键技术还亟需解决。

3 热泵型汽车空调系统基础理论研究

热泵型汽车空调系统应用在新能源汽车上，能满足对车内制热和制冷的两用需求。比较普通汽车的空调系统，热泵型空调系统在结构上增加了1个四通换向阀的关键部件，从而满足在不需要另外的冬季取暖装置时，实现夏季制冷与冬季制热的系统切换。热泵型汽车空调系统在夏天制冷时，将制冷剂通过压缩机压缩成高温高压的蒸汽，然后再由四通换向阀与车外环境通过冷凝器总成进行热交换，从而冷凝成高压的制冷剂过冷液体，再经由膨胀阀节流流进车内的蒸发器总成。低温低压的制冷剂在蒸发器总成中，与车内环境进行热交换，把车内的热量吸收，再回到压缩机，从而达到给车内降温的效果。这样的制冷系统虽然也应用于普通汽车空调，但在冬季制热取暖时，热泵型汽车空调系统会通过切换四通换向阀，而将冷凝器总成与蒸发器总成进行热力交换，从而提高车内的温度。然后再经膨胀阀节流进入车外蒸发器总成来吸收热量，最后进入压缩机形成了一个完整的循环。要实现这种从低温物体将热量传至高温物体的过程，就必须通过消耗其他的能量来使其做逆循环运动。热泵型新能源汽车空调在冬季运行时，因为蒸发温度较低，车外换热器表面温度降低，会出现结霜问题，降低换热器和空调系统的效率，所以应该及时除去车外换热器的霜层。但热泵型汽车空调在冬季除霜时，不适合采用普遍的逆循环除霜的方法，应该采用热气旁通除霜法，主要有以下几种方式：压缩机排气旁通到蒸发器；储液器旁通到吸气口；压缩机排气旁通到吸气口。

4 系统零部件的选型

通过热力计算分析系统的压缩机耗功等性能参数，考虑热泵型汽车空调系统复杂多样的实际运行状况，选取合适的涡旋式压缩机。考虑到冬季除霜这一重要问题，管翅式换热器比平流式换热器更占优势。由于热泵型新能源汽车空调系统的特殊性，需要考虑其制冷和制热双方面需求，所以具有双向性能的储液器和气液分离器更为合适。

5 实验与分析

新能源汽车热泵型空调系统实验是根据《汽车用空调器（GB/T21361-2008）》所要求，用进出口焓差法来测试的，需在标准焓差实验室中进行。针对热泵型汽车空调在冬季寒冷的环境下，车外换热器容易出现结霜情况，在进行实验测试中，发现在系统蒸发器结霜时，一些关键参数的变化趋势和表面结霜状态有关。从中可以看出蒸发器结霜，首先发生在蒸发器中间部位，然后随之运行时间的增加，再逐渐蔓延到四周及其回路之间。而且由于蒸發器回路的位置不一样，就导致上层的回路结霜状态较轻，而处于回路下端的蒸发器表面结霜现象较严重。所以在换热器设计时，应该考虑到这方面的问题，有助于提高换热器的换热量。

6 结语

新能源汽车作为现阶段整个汽车行业发展的大趋势，对其开发和研究的领域充满多样化；空调系统作为汽车中的第二大耗能设备，新能源汽车空调系统的大力发展必将对新能源汽车的发展和推广起到重要的推动作用。本文对新能源汽车开发的新型制冷、制热模式，并围绕除霜问题开展了深入研究，从而为以后的热泵型空调系统的性能提升，打下坚实的基础。

参考文献

[1]黄朝宗.热泵型新能源汽车空调系统设计及实验研究[D].合肥工业大学，2017.

[2]彭庆丰，赵韩，陈祥吉，等.电动汽车新型热泵空调系统的设计与实验研究[J].汽车工程，2015，37（12）：1467-1470.