新能源汽车空调系统的现状及发展趋势

曹汝恒，刘松，张书义，曹建明

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）



新能源汽车

新能源汽车空调系统的现状及发展趋势

曹汝恒，刘松，张书义，曹建明

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

基于新能源汽车的快速发展情况，介绍新能源汽车的分类，归纳汽车空调的功能和要求，以及新能源汽车空调系统的分类及发展趋势。

新能源汽车；空调系统；发展趋势

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.037

CLC NO.: U463.61 Document Code: B Article ID: 1671-7988 (2016)06-106-03

引言

目前，全球能源和环境系统面临巨大的挑战，世界各国都在大力发展新能源汽车，我国更是将其列入到七大战略性新兴产业之中，出台了许多对新能源汽车研究开发和使用的鼓励政策。在十二五期间?中国新能源汽车产业完成了产业化起步阶段的任务，刚刚通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》，把新能源汽车推广列入国家的重要计划之中，要求提高电动汽车产业化水平。这表明在“十三五”期间，新能源汽车发展在整个国民经济和社会发展中将处在十分重要的地位，明确了新能源汽车在国民经济和社会发展中的战略定位。随着新能源汽车的飞速发展，新能源汽车空调系统的发展也是日新月异，新技术层出不穷。

1、新能源汽车的分类

新能源汽车是指采用除汽油、柴油发动机之外所有其它非常规的车用燃料作为动力来源的能源汽车。汽车上能够实现能量转化的装置装置有热机、电机和燃料电池三种，主要是纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车（FCEV）、混合动力汽车（HEV)。

（1）纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）

纯电动汽车是一种采用单一蓄电池作为储能动力源的汽车，它利用蓄电池作为储能动力源，通过电池向电动机提供电能，驱动电动机运转，从而推动汽车行驶。

（2）燃料电池电动汽车（FCEV）

燃料电池电动车主要以氢气作为能源，通过燃料电池机组或者燃料电池发动机这一能量转换装置，把氢气和氧气以电化方式由化学能量转化为电能从而通过电机驱动车辆。这类车辆需要配备高电压电池系统。

（3）混合动力汽车（HEV)

混合动力汽车（HEV)是指采用传统燃料，同时配以电动机或发动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。混合动力汽车按照燃料种类的不同，又可以分为汽油混合动力汽车和柴油混合动力汽车两种。

2、汽车空调的功能和要求

现代汽车空调主要有四种功能，其中任何一种功能都是为了是乘客感到舒适。

（1）空调系统的采暖和制冷功能，对车室内空气或由外部进入车室内的新鲜空气进行加热或冷却，把车厢内温度控制到保证乘员舒适的水平；

（2）空调系统的过滤空气和通风换气功能，可以排除空气中的灰尘和花粉，又可以吸入新风，保证车内空气的清新度；

（3）空调系统的湿度自动控制功能，干燥空气吸收人体汗液，使车内相对湿度保持在 50%~70%，给乘员舒适的环境；

（4）空调系统的除雾除霜功能，通过空调出风清除前挡风玻璃因车内温差大而产生的雾或霜，为驾驶员提供清晰的视野，保证安全驾驶。

对于汽车空调的要求是能在各种气候和行驶条件下将车内的环境调整到对人体最适宜的状态，为乘车人员提供舒适的乘车环境，降低驾驶员的疲劳强度，提高行车安全。新能源汽车空调系统在满足以上常规动力空调具备的必须的功能和要求之外，还要进一步的开发新技术，解决由于新能源汽车的能源发生变化而对空调系统产生的影响。

3、新能源汽车空调系统的分类及发展趋势

3.1新能源汽车空调系统的分类

传统燃油汽车空调的制热装置就是一个与发动机冷却水道相连的暖风散热器，通过发动机水泵抽吸发动机的冷却水在暖风散热器内流动，加热经过的空气并吹入驾驶室。汽车空调的制冷装置主要是由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀和鼓风机等组成，各部件之间通过空调管路连接成一个密闭的系统，制冷剂在压缩机作用下以不同状态在这个空间内循环流动达到制冷效果。

由于新能源汽车使用能源的变化必然会对空调系统造成影响，而且其冷热源与传统的空调系统也有很大的不同，那么能源使用效率会降低。因此新能源汽车空调的的研发目标是利用新技术尽可能提高能源利用效率，以尽可能少的能源消耗来实现空调系统的功能。

3.1.1纯电动汽车的空调系统

对于纯电动汽车没有发动机作为空调压缩机的动力源，也不能利用发动机余热作为汽车空调冬天制热用的热源，因此空调系统的冷源、热源和其他能源都来自高压电池。

空调系统的制冷功能可以用电动压缩机作为动力源来实现，但为了使电动压缩机更好工作还要研发压缩机的转速控制技术以提高能源利用效率。

如何制热是纯电动汽车空调系统最大的问题，电动汽车无法燃烧燃料产生热能，电动机散发的热量小，品味低，回收利用难，因此只能通过高压电池进行加热。目前高压电加热的方法有两种，一种是利用高压电直接加热空气，这种方法结构简单、热效率高，但具有一定的安全隐患；另一种方法是利用高压电加热冷却液，再通过冷却液加热空气。这样做可以沿用传统能源汽车上的暖风散热器但系统比较复杂，热效率较低。

3.1.2燃料电池电动汽车的空调系统

燃料电池电动汽车是以燃料化学能转化成的电能为动力。由于燃料电池的化学能转换效率低，余热排放量大，所以燃料电池汽车能耗大。汽车空调的制冷系统也占一大部分能耗，因此可以用余热吸收式制冷系统。但由于余热吸收式制冷空调系统的热力系数还偏低，运行过程中会出现传热性能变差，制冷量下降等问题，所以还需要做进一步的技术性研究。

燃料电池电动汽车的采暖系统可以利用燃料电池的余热加热冷却液，吸冷却液进入暖风器，把经过暖风器加热的空气吹入车内。

3.1.3混合动力汽车的空调系统

混合动力汽车就是在纯电动汽车上加装一套内燃机，其能源配备结构与传统汽车相比变化不大，由发动机和电动马达共同或各自单独驱动行驶汽车，它的空调系统与传统汽车空调的系统基本上没太大变化，当驱动压缩机工作的动力来源不同时要改变相应的配置以保证空调功能的正常。

当发动机、电动马达都参与动力驱动时，车上要配置高压电池，这样就有可能用电力驱动压缩机制冷，当发动机停机时也就可用电动压缩机制冷。但受电池电压和容量的限制，电动压缩机的功率不可能很大，因此在发动机运行时还需要使用发动机带动压缩机。所以理想状态下，使用机械、电力双模压缩机制冷。

当汽车处于纯电动行驶模式时，为了支撑大功率电机的运行，就要配备高电压大容量电池，使用高电压电动压缩机进行制冷，解决纯电动行驶模式下的制冷问题；制热问题也需要解决，通常制热需要更高的功率，所以采用独立的燃烧加热器加热冷却液的方案。当发动机停止运行时启动燃烧加热器加热冷却液，冷却液就可以通过暖风散热器加热车内空气。

3.2新能源汽车空调系统的发展趋势

新能源汽车作为节能减排和新兴战略产业的重要内容，发展趋势是加大使用高品位能源的比重，能源使用效率也要越来越高，新能源汽车的空调系统作为汽车能源消耗的主要部分也必须要符合这一发展趋势。

制冷系统和制采暖系统是空调系统的两大耗能部分，制冷系统的主要能源消耗集中在压缩机上，他一般需要消耗机械能或者电能等高品位的能源；制热系统的能源消耗量更大一些，但其可以利用余热等低品位的能源。因此应根据整车的能源配置情况合理选择空调系统的技术方案。

新能源汽车空调系统的明显优势就是高效节能，这也是空调系统研发的核心问题，要进一步研究新技术提升这种优势。

对于制冷系统，利用新技术来提高COP值，如高效率低温差热交换器技术研究（包括蒸发器和冷凝器）、能量回收型的节流膨胀装置研究和高效率压缩机技术研究等。

图1　电动汽车热泵空调系统

对于采暖系统，希望能够尽量回收余热，在余热不能满足需求时应尽量减少对高品位能源的消耗。如可以研究热泵制热技术，该技术理论上能达到3以上的制热能效比。电动汽车热泵空调系统就是这种发展趋势，在其热泵空调系统的风道中，采用了车内冷凝器和蒸发器的结构,其工作原理如图1所示。制冷工况循环为：由压缩机经四通阀至车外冷凝器，再经电子膨胀阀 1、车内蒸发器制冷后回到压缩机。制热及除霜工况循环为：由压缩机经四通阀至车内冷凝器，再经电子膨胀阀2节流、车外冷凝器蒸发换热后通过电磁阀回到压缩机。

4、结论

综上所述，不同的新能源汽车空调系统技术解决方案也不同，但所有技术方案都是依据针能源结构的不同研发的，目的是为了解决能源结构的不同而产生的问题，以保证空调系统功能的正常实现。这些技术方案的共同特点是高效率低能耗，但其中还有很多问题需要进一步研发新技术来解决。随着新能源汽车的迅速发展，新能源汽车空调技术也相应的会快速发展，实现技术领域的高度突破。

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Status of new energy automotive air conditioning system and development trend

Caoru Heng, Liu Song, Zhang Shuyi, Cao Jianming
( Chang'an University School of automobile, Shannxi Xi'an 710064 )

Based on the rapid development of new energy vehicles, introducting the classification of new energy vehicles, summarizing the functions and requirements of automotive air conditioning, as well as the classification and development trend of new energy automotive air conditioning systems.

new energy vehicles; air conditioning; development trend

曹汝恒，硕士研究生，就读于长安大学汽车学动力机械及工程专业。

U463.61

B

1671-7988 （2016）06-106-03