浅析纯电动汽车热泵空调系统

朱永存、赵玉霞

（河南机电职业学院 451191)

受世界能源危机和环境污染的影响以及电动汽车污染小、噪声低的特点，电动汽车逐渐成为人们代步工具的主要选择对象。据统计2016年我国新能源汽车产销量均突破50万辆，2017年产量达到79万辆。本文主要研究了热泵空调系统在电动汽车上的应用及发展。

1 纯电动汽车空调系统发展现状

传统燃油汽车的空调系统主要由两部分组成，制冷系统采用的是由发动机提供动力的蒸汽压缩式制冷，制热系统主要是通过将冷却液的热量引入到车内。纯电动汽车夏季制冷时，空调压缩机是由电动机来驱动的，然而冬季没有发动机余热，所以需要其他的方法来解决供暖问题。由于纯电动汽车与传统燃油汽车能量来源不同，纯电动汽车空调系统主要存在以下几种方案。

1.1 蒸汽压缩式制冷+PTC电加热供暖系统

夏季汽车制冷时，电动机带动空调压缩机运转，制冷原理与燃油车相同，同样能够达到制冷的目的。冬季取暖时，通过消耗蓄电池的电量来加热PTC，这种加热方式目前是电动汽车常用的一种方式。PTC加热器分为两种，一种是通过加热液体采暖，一种是加热空气取暖。蒸汽压缩式制冷+PTC电加热供暖系统可靠性高，能够满足车内成员对温度调控的需要，但是热效率低，能源利用率低，成本高，研究表明搭载该系统的车辆续航行使里程大约会降低1/3左右[1]。

1.2 利用余热供暖系统

纯电动汽车在工作过程中，利用变频器、电机、电池等元件产生的热量对车内进行加热。研究表明此种模式下产生的温度在50℃左右，普通制热情况下能够基本满足乘车需要，但在较低的温度下很难为车内提供做够的热量。因此这种方案只能作为辅助制热。

1.3 半导体式制冷/制热空调系统

半导体式制冷/制热空调系统利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应[2]。

该系统不需要任何制冷剂，没有污染源，没有震动、噪音，既能制冷又能制热，容易实现遥控、程控、计算机控制，制热时间快，可以实现从+90～-130℃温度范围内变化。目前存在着热电材料的优值系数较低，制冷性能不够理想，并且热电堆产量受到构成热电元件元素产量的限制，不具备电动汽车空调节能高效的要求。

1.4 热泵空调系统

热泵空调系统以电动机为动力驱动空调压缩机运转，利用制冷循环可逆转的特点，集制冷与制热为一体，具有结构紧凑、高效、环保等优点，成为了国内外专家在电动汽车空调系统方面研究的热点。该系统制冷效果良好，制暖效果会随着外界温度的变化而变化，制暖效果有待提高。

2 汽车热泵空调系统的工作原理

热泵空调系统是在原有蒸汽压缩制冷的基础上改进而来的，空调压缩机直接由电动机驱动。热泵系统主要包括直流电动机、空调压缩机、四通换向阀、车外换热器、双向膨胀阀和车内换热器等。

制冷模式下空调压缩机在电动机的带动下压缩制冷剂，制冷剂通过四通换向阀来到了车外换热器，车外换热气的作用是把高温高压制冷剂变成中温高压制冷剂，然后经过双向作用膨胀阀进行节流作用转换成低温低压制冷剂，制冷剂流经车内换热器，吸收周围温度，鼓风机再把车内换热器的冷风吹向驾驶室，从车内换热器出来的制冷剂经过四通换向阀回到压缩机进行下一个循环。制热模式下压缩机压缩制冷剂，经过四通换向阀来到车内换热器，高温高压制冷剂经过车内换热器时散发大量的热，满足车内制热需求，然后流经双向膨胀阀来到车外换热器，车外换热器吸收外界温度后经过四通换向阀又回到了空调压缩机。

3 汽车热泵空调系统的优势

3.1 耗电量低，提高续航行使里程。

热泵空调系统相比其他电动汽车空调系统能效比高。相关试验证明，在-10℃环境温度下的制热工况，电动汽车热泵空调系统的能效比（COP）仍可以达到2.1以上，在制冷工况下，电动汽车热泵空调系统的能效比（COP）也可以达到2.4左右[3]。

3.2 结构紧凑

热泵空调系统可以沿用传统燃油汽车空调系统的部分设备不需要进行大的改变，结构相对比较稳定。空调压缩机采用的是全封闭电动涡旋压缩机，具有噪声低、振动小、结构紧凑等优点。根据实验，在-10～40℃的环境温度下，均能够以较高的效率提供舒适的乘车环境。

4 汽车热泵空调系统的发展趋势

热泵空调系统研究处于初级阶段，存在问题比较多。例如在制冷循环时会出现排气温度过高，压力过大，影响制冷效率；在给车室供暖时只是通过切换冷媒的流向来实现，制热效率不高，低温性能较差；针对纯电动汽车特点专门匹配和设计的热泵空调系统几乎空白，导致量产搭载的系统很少[4]。虽然热泵空调系统存在的问题较多，但是阻挡不了人们对它的研究及其发展。

4.1 冷媒的最佳选择

由于R134a作为空调压缩机及制冷方面的国家标准，目前汽车上应用最广的制冷剂是R134a。但是该制冷剂并不环保，而且价格比较贵。CO2作为天然制冷剂来源广泛，成本低廉，安全无毒，不燃，无需回收和再生，其 ODP=0，GWP=1，是很好的环保型制冷剂。另外CO2的蒸发潜热较大，具有相当大的单位容积制冷量，系统性能更加高效，成为环保、高效的热泵型纯电动汽车空调的研究的热点。

4.2 低温下更高效的换热器

换热器的作用就是能够根据空调系统的需要与外界进行热量的交换，换热器的体积、结构设计、工质的选择等都会影响空调系统的整体性能。所以对换热器以上3个方面进行优化设计，使其能够相互匹配，相互协调，空调系统的换热效率能够达到最佳值。

4.3 更准确、更节能的双向膨胀阀

双向膨胀阀主要是起到节流降压的作用，如果不能够准确的控制节流量，就无法提高换热器的换热效率，开发一种控制更精确、更节能的双向膨胀阀是非常有必要的。

4.4 汽车空调模拟技术

空调系统零部件较多结构复杂，另外制冷剂流动和和传热过程十分复杂，随着对仿真建模快速、准确的要求越来越高，传统建模方式的不足也越来越明显。需要一种新的模拟技术消除传统建模消耗时间过多、准确度不高的缺点，提高汽车空调系统设计模拟效率。

5 结束语

热泵空调系统具有能效比高、耗电量低、结构紧凑等优点，被人们所关注和研究。虽然热泵空调系统的研究进入了一定的实质阶段，但笔者认为如何提高低温下热泵系统的制热效率是目前亟待解决的问题。

[1]刘海彪.电动汽车热泵空调系统制热工况的模拟研究[D].北京:北京理工大学,2015.

[2]李春明,刘锐.电动汽车结构原理与检修[M].成都:电子科技大学出版社,2018.

[3]姬园,胡凯,杜沛.电动汽车热泵空调系统可行性分析.郑州:海马轿车有限公司,2009.

[4]陈通.纯电动汽车热泵空调系统性能研究及优化[D].中原工学院.2016

[5]钟会球.电动汽车空调系统仿真与实验研究[D].浙江大学动力工程,2012.