电动汽车空调系统的发展

摘 要：低碳零碳技术是当前企业新的竞争力，作为汽车行业实现低碳零碳最好的出路是发展电动汽车。对于电动汽车，备受关注的是电池续航里程，而作为汽车上不可缺少的空调系统，会减少一部分电池续航里程。出于节能环保，降低对续航里程的影响，主要介绍电动汽车空调系统在发展中出现的，电动压缩机制冷+PTC制热的系统、节能的热泵系统及制冷剂的应用。

关键词：电动汽车 制冷 PTC制热 热泵系统 制冷剂

1 前言

为响应碳达峰碳中和，保护环境的政策，对于汽车行业首要做的就是严格控制化石能源消费，推广节能低碳型交通工具，加快发展新能源车。低碳零碳技术是当前企业新的竞争力，作为汽车行业实现低碳零碳最好的出路是发展电动汽车。中国新能源汽车行业进几年得到了快速的发展。行业普遍预测2022年国内新能源汽车销量将超过650万辆，2023年新能源汽车销售可达到800万-1000辆。在电动汽车发展的同时，其配套的空调系统也发了很大的变化，传统的汽油车空调制冷与制热都不离开发动机，而在纯电动汽车由于没有了发动机提供动力和热源，使得纯电动汽车在发展的过程中，对其配套的汽车空调系统的发展也是不容忽视的[1]。

对于电动汽车的发展，空调系统主要出现了压缩机制冷+PTC制热的系统、热泵空调系统。其中电动压缩机制冷+PTC制热的系统是主流的形式。

2 电动压缩机制冷+PTC制热的系统

2.1 电动压缩机制冷

图1为电动汽车空调制冷系统原理图，制冷时，高温高压气体从压缩机排出，进入冷凝器，在冷凝器中冷却成高压中温的液体制冷剂，进入膨胀阀进行节流降压成气液两相混合物，进入蒸发器与空调进入热交换，吸收热量后液体汽化，经压缩机吸气管被压缩机吸入压缩成高温高压气体后再排出，如此循环。电动汽车空调与传统汽油车空调的原理一样，只是在压缩机驱动方面不一样而导致系统组成结构不同。传统汽油车空调的压缩机由于有发动机提供动力而选用机械式的压缩机，而电动汽车由于没有了发动机，所以在电动汽车空调上选用由动力电池提供动力的电动压缩机。但是对于电动汽车其续航里程受到整车动力电池的限制，而电动压缩机又是能耗较大的零部件，为了尽量减少空调制冷系统对整车续航里程的影响，可在电动压缩机的选用，性能匹配、控制策略的合理性上进行优化[1]。

2.2 电动汽车空调制热系统

电动汽车制热系统与传统汽油车完全不同，传统汽油车制热只需利用发动机冷却后的余热即可满足车内温度的要求。对于电动汽车，取消了发动机，没有了热源，电动汽车的制热就需要有其他热源提供热量。对于电动压缩机制冷+PTC制热的系统组合，制热主要采用PTC风暖制热系统、PTC水暖制热系统。

2.2.1 PTC风暖制热系统

PTC风暖加热是用PTC取代原有HVAC的加热暖芯，利用电能转转换的热量直接俄与可以空气进行热交换。系统的特点：制热效果快、结构简单，引擎舱不需要增加其他附加设备，但是HVAC需要配合PTC加热器改动，而且PTC加热器直接置于车内，对安全性要求较高。

2.2.2 PTC水暖制热系统

图2为电动汽车水暖空调系统加热系统原理图，制热时，冷却液在水暖PTC中加热后，由水泵提供动力，将冷却液送到加热暖芯中与空气进行热交换，提高车内温度，与空气进行热交换后的冷却液流入水箱，再进入水暖PTC中继续加热，如此循环。此加热系统的特点：空调箱体不需重新开发、需增加水暖PTC加热器、水箱、电子水泵、连接管路及相应的控制设备、加热速度慢、效率低（需二次热交换）、相对PTC风暖加熱器安全性较好[1]。

风暖PTC和水暖PTC，都是需要消耗电池的电能转化为热能，而转化的效率一般情况下是小于1的。而且在低温情况下，效率更低，使得制热效果大打折扣，为了满足车内温度的要求，需要加大功率，因此这两种加热方式都会对电动车的续航里程造成很大的影响。根据实验研究的结果表明：在AC系统满负荷运转下，制冷和制热时电动汽车续航里程分别降低了16.7%和50%[2]。为了更好的解决PTC这一问题，各大汽车厂商开始加大研究节能型的热泵空调系统。据研究，热泵空调相对PTC加热系统可以使行驶里程增加25%～31%。

3 热泵空调系统

热泵技术是通过改变系统中制冷剂的流动方向，实现制冷与制热。根据热泵的性能系数可知，冬季制热时COP是恒大于1的，所以，热泵的热力学经济性比消耗电能的PTC系统要好很多[1]。电动汽车热泵空调系统常见的形式有直接热泵系统、间接热泵系统、增焓补气热泵系统。

3.1 直接热泵系统

热泵空调系统主要通过四通换向阀改变系统中制冷剂的流动方向，实现制冷制热的功能，其应用在家用空调上技术比较成熟，但是在汽车上应用时，四通换向阀依旧沿用家用空调中的铜制材料，其与汽车上的铝制管路焊接时存在焊接性能差、可靠性低的情况，使得传统的热泵系统不适宜用在汽车空调系统上，所以现阶段的主要做法是在四通换向阀基础上做了一些改进，采用了三换热器系统[3]。

直接热泵系统，简单来说就是制冷剂直接与车内空气进行热交换，具有换热效率高的特点。图3为奔腾B30 EV的空调系统图，空调系统采用了热泵+风暖PTC的方案。制冷时，膨胀阀1关闭，压缩机排气经两通阀进入车外冷凝器冷凝冷却成高压中温的液体，经三通阀进入回热器过冷后，再经膨胀阀2节流降压后进入蒸发器，在蒸发器中与空气进行热交换，吸收空气中的热量，使室内温度降低。蒸发后的气液两相混合物进入回热器后再进入气液分离器分离液体，气体经吸气管被压缩机吸入在压缩机中压缩成高温高压的气体再次循环。此时需注意关闭车内冷凝器风门，空气不流经车内冷凝器。制冷时还可根据需要对电池进行冷却。制热时，膨胀阀2和两通阀关闭，压缩机排气进入车内冷凝器与车内空气进行热交换后经膨胀阀1节流降压后再进入车外冷凝器吸热蒸发，再经三通阀进入气液分离器进行气液分离，低温低压的气体再经压缩机压缩成高温高压气体再次进行循环。在此系统中，布置了三换热器，车外布置单个车外冷凝器，夏天制冷时用做冷凝器，冬季制热时用做蒸发器，车内布置双换热器分别是制冷用蒸发器和制热用车内冷凝器，此时的车内冷凝器取代了传统汽油车是加热暖芯，在设计开发时需重新设计HVAC总成。对于R134a热泵系统在低温时满足不了车内温度要求，因此环境温度比较低时需热泵与辅助风暖 PTC 进行采暖。

3.2 间接热泵系统

间接式热泵系统与直接式热泵系统不同的是，在间接式系统中取消了车内冷凝器，采用原有的加热暖芯，同时在发动机舱增加了一个间接换热器。简单理解就是制冷剂与中间换热器的冷却液换热后，冷却液再与室内的空气进行热交换，所以它属于二次换热。图4所示为BMWI3间接式热泵系统，制冷时与常规的制冷循环一样，此时电磁阀1、电磁阀4、膨胀阀1、膨胀阀2打开，电磁阀2、电磁阀3、膨胀阀3关闭。制热时，电磁阀2、电磁阀3、电磁阀4、膨胀阀1、膨胀阀3打开，电磁阀1、膨胀阀2关闭，制冷剂的流程为，压缩机的排气经电磁阀2进入间接换热器与冷却液进行热交换，降温后在出口经过膨胀阀3节流降压，进入蒸发器在出口再经膨胀阀1节流降压，进入车外冷凝器吸收车外空气的热量蒸发成气液两相的制冷剂，电磁阀3打开，进入气液分离器分离液体后在进入压缩机压缩成高温高压的气体，如此循环。冷却液在间接换热器中吸收压缩机排出的高温高压气体制冷剂后，温度升高经过PTC加热器再进入加热暖芯加热车内空气，是车内空气温度上升。热泵循环时，通过控制四个电磁和3个膨胀阀可以实现车内制冷、制热以及电池的冷却和预热。

直接热泵系统中加热暖芯可以沿用汽车的结构，因此HVAC不需要重新开发设计，但是它属于二次换热存在一定的热量损失，所以想要达到与直接热泵系统同样的车内温度需要给间接换热器提供更高的温度，这样就需要提高压缩机的排气温度，排气温度升高会给压缩机带来不好的影响。

3.3 增焓补气热泵系统

热泵空调系统具有节能效果好的特点，但受到室外温度的限制，随着室外温度的降低，制热能力衰减严重，特别是在极端寒冷条件下，能效比明显下降，需借助于高压 PTC 进行辅助加热。为了解决低温工况制热能力衰减的常见方法就是：补气增焓技术，提高压缩机的吸气量，增大散热量[4]。

补气增焓技术常见的方法又有闪发器补气增焓和经济器补气增焓。闪发器补气增焓系统中，压缩机的高温高压排气进入冷凝器进行冷凝冷却成液态制冷剂，经膨胀阀节流降压成中压气液两相混合物，流入闪发器，在闪发器中进行气液分离，气体被压缩机的补充吸气口吸入，液体经主路的膨胀阀2再次节流降压后进入蒸发器吸热蒸发。经济器补气增焓系统中压缩机的高温高压排气进入冷凝器进行冷凝冷却成液态制冷剂后分主路和辅路进入经济器，大部分经主路液体直接进入经济器与部分经辅路膨胀阀节流后的制冷进行热交换，低温的制冷吸热蒸发被压缩机补充吸气口吸入，被过冷的液体再经主路的膨胀阀节流降压后进入蒸发器吸热蒸发。

从这两种系统中可以看出，从经济器和闪发器补充的气体是中压的饱和气体温度较低，进入压缩机可以改善压缩条件，其次中压气体被补充吸入之后增加了压缩机的吸气量，从而可以提高制热量，可以相当于一个双级压缩系统的运行效果，因此，增焓系统的效果明显要优于非增焓系统。

4 制冷剂的发展

制冷剂是通过在系统中循环，将热量与环境进行交换的工质。制冷剂所具有的制冷能力不同会导致系统的制冷制热效果产生差异。随着人们环保意识的增强和对空调系统性能的要求，自1830年开始至今，制冷剂也经历了几次发展，目前在电动汽车空调系统开发比较多的是R134a，R1234yf、CO2。

4.1 R134a制冷剂

R134a 由于其具有优秀的物理特性而成为R12的替代品，普遍用于汽油车和电动车的空调系统中。R134a具有良好的制冷性能，与金属和非金属相容，化学和热稳定性好，不易燃、不爆炸、无毒、无刺激性和无腐蚀性，因此具有良好的安全性能。R134分子式中不含氯原子，对大气臭氧层没有破坏能力，但R134a的温室效应高达1300，会引起大气环境产生温室效应，不符合发展电动汽车的环保理念，最终将会被取代。自2006年，欧盟议会正式通过了淘汰含氟气体的法规，规定自2011年起新开发车型停止使用R134a，2017年起新生产车辆停止使用R134a[5]。美国环保署通过重大新替代品政策计划对制冷剂的使用进行管理，明确2021年禁用 R134a。中国也将在不久禁用R134a。R134a冬季制热时环境温度低，效果比较差，这也使其在热泵系统中受到限制。

4.2 R1234yf制冷剂

R1234yf制冷剂是由美国杜邦公司和霍尼韦尔公司联合研发的能替代R134a的新一代环保制冷剂。R1234yf分子式中不含氯原子，OPD指数为0，GWP为4，远低于R134a。R1234yf与R134a在热物理性质上非常相似，通过国内外相关汽车空调制冷剂的研究总结也可以发现，制冷剂R1234yf在制冷性能上基本可以代替制冷剂R134a。而且在更换制冷剂时，在硬件上不需要做太多的改动，不会因为变换制冷剂而造成车辆制造成本的上升。但是R1234yf制冷剂无闪点，自燃点为405℃，属于具有弱可燃性的制冷剂。因此，R1234yf的安全问题直接影响了其在汽车空调上的应用。同时，R1234yf 与 R134a 都存在环境温度低时，制热能力不足的问题，需要高压PTC辅助加热，而且受限于美国公司的专利保护，R1234yf高昂的价格也是目前限制其在国内广泛普及的主要问题。

4.3 CO2 （ R744）制冷剂

CO2是一种天然制冷剂，早在19世纪，就被当作制冷剂进行应用，由于当时的生产技术水平比较落后，无法生产出高效的冷却器，所以限制了CO2的应用[6]。CO2作为制冷剂具有以下的優势：无毒、不可燃，ODP=0，GWP=1，对大气臭氧层没有破坏作用，不会造成全球的温室效应；单位容积制冷量大，制冷部件结构尺寸紧凑; 传热、流动性能好；价格便宜，但是CO2制冷剂也存在临界温度低、临界压力高的缺点，所以二氧化碳制冷系统的运行压力都比其他制冷剂的空调系统高。因此使用二氧化碳制冷剂需要空调系统零部件具备较强的耐压性和安全性，提升了空调系统及部件的制作难度和成本。

出于环保的理念以及CO2在低环境温度下制热性能优异以及产品技术的提升，CO2又成为了当前热泵空调领域的研究热点，并且部分车型已逐步配备二氧化碳热泵空调。大众 ID4 CROZZ 搭载二氧化碳热泵空调，续航里程最高提升30%。相比其他制冷剂的热泵空调系统在-15℃时，会存在较大的问题，而二氧化碳热泵空调可以在-30℃持续工作。其在低温下制热性能的优势，CO2热泵空调可以显著提升电动车冬季的续航里程，因此CO2可能会成为各大主机厂优先使用的制冷剂。

5 总结

电动汽车的发展，空调系统主要出现了压缩机制冷+PTC制热的系统，热泵空调系统，由于压缩机制冷+PTC制熱的系统，耗电量大，对续航影响大，冬天制热效率低，因此更节能的热泵空调系统得到了应用，热泵空调系统又分直接热泵系统，间接热泵系统、补气增焓热泵系统。直接热泵系统具有换热效率高，车内冷凝器取代了传统汽油车是加热暖芯，在设计开发时需重新设计HVAC总成。直接热泵系统属于二次换热，存在热量损失大，但加热暖芯可以沿用汽油车的，因此HVAC不需要重新开发设计。补气增焓系统补充的气体是中压的饱和气体温度较低，进入压缩机可以改善压缩条件，其次中压气体被补充吸入之后增加了压缩机的吸气量，从而可以提高制热量，可以相当于一个双级压缩系统的运行效果。对于当前应用的制冷剂，R1234yf 与 R134a 都存在低温环境下制热能力不足的问题，CO2可能会成为各大主机厂优先使用的制冷剂。

参考文献：

[1]关晓，商庆彬. 纯电动汽车空调系统简介[J]. 中国科技投资，2017（33）：263-264.

[2]郑思宇，魏名山，宋盼盼.电动汽车热泵空调发展概述[J].重庆理工大学学报（自然科学），2018，32（08）：14-23.

[3]赵宇，嵇天炜，瞿晓华，穆景阳.电动汽车热泵空调系统综述[J].制冷与空调，2020，20（07）：72-81.

[4]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.

[5]张凯，欧阳洪生，张董鑫，管祥添，管仲达，李伟，吴茜，郭智恺.电动汽车热泵空调冷媒研究进展[J].浙江化工，2021，52（07）：6-12.

[6]彭旭. 纯电动汽车用跨临界CO2热泵空调系统仿真优化及实验研究[D].郑州大学，2020.