电动汽车热泵空调系统

韩光杰

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）



电动汽车热泵空调系统

韩光杰

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章主要分析电动汽车空调系统与传统车空调系统的区别，介绍电动车空调系统的特点，对比了国内外不同结构热泵空调系统并根据其结构分析了优缺点，针对采用不同制冷剂的热泵空调系统做了比较，总结了热泵空调系统的发展趋势和设计思路。

电动汽车热泵空调；CO2；四通阀

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.038

CLC NO.: U463.61 Document Code: B Article ID: 1671-7988 (2016)06-109-03

前言

传统汽车的空调系统制热功能是利用发动机冷却液的余热，通过冷却液的循环来实现的，而电动车由于没有了发动机这一部件，无法再利用原有的方式进行制热。制热功能作为低气温条件下驾乘人员的取暖方式，是舒适性的必备条件。因此，电动汽车必须采用新的方式实现制热功能。

1、电动车空调系统制热

目前电动汽车的制热方式较常见的是采用 PTC加热的方式，但由于PTC制热效率低，制热效率最高仅为1:1，且PTC使用的是动力电池的电量，在PTC工作时对电动汽车的续航行驶里程影响较大。如市场上某型号纯电动轿车，配备动力电池容量为 80Ah，电压 320V，整车续航里程标称200-260km，PTC功率为2kW。则开启1小时PTC需要消耗约8-10%左右的动力电池容量，直接影响续航里程减少20km左右。而热泵空调系统是一种新的车辆空调技术，它为车辆制冷和制热，用1千瓦的电力即可产生3千瓦的制冷功率或2千瓦的制热功率，而不再是之前介绍PTC的1:1消耗，大大减少了以往空调系统对续航里程的影响。实验证明，环境温度为-10℃时，以R134a为制冷剂的热泵空调系统有较好的制热性能，而环境温度为-20℃时，采用CO2为制冷剂的热泵空调系统仍然能稳定地提供所需热量[1]。

2、电动车热泵空调系统

根据电动车的特点以及制热功能的需求，许多汽车空调生产厂家和一些科研单位展开了研究。文献[2]和文献[3]介绍了一套由永磁直流无刷电机直接驱动的电动车热泵空调系统，该系统较好地解决了电动车的制热问题，其工作模型如图1所示。

图1　热泵空调系统图

该空调系统工作原理具体如下：当空调系统需要运行在制冷模式时，通过四通换向阀的动作，使得从压缩机出口流出的制冷剂按照图中实线指示的方向运行，通过鼓风机将冷风吹入室内，实现车内制冷。当空调系统需要运行在制热模式时，同样通过四通换向阀的动作，使得从压缩机出口流出的制冷剂按照图中虚线指示的方向运行，实现车内制热。

可以看出，该热泵空调系统与普通空调系统整体架构不同，其区别在于，增加了可改变制冷剂流向的四通换向阀，且采用了允许双向流动的膨胀阀。但当该系统工作在制热工况下，系统从除霜模式转换为制热模式时，风道内换热器上的冷凝水将迅速蒸发，在车辆的前挡风玻璃上结霜，从而影响驾驶安全性。

图2　电动车热泵空调系统

日本电装（DENSO）公司开发出的一套以R134a为制冷剂的电动车热泵空调系统，在风道中使用了2个换热器。制冷、制热模式保持不变，当系统以除霜/除湿模式运行时，制冷剂将经过所有 3个换热器，运行路线为：压缩机-四通阀-内部冷凝器-电子膨胀阀1-外部冷凝器-电子膨胀阀2（电磁阀关闭）-蒸发器-气液分离器-压缩机。系统通过内部蒸发器来除湿，将空气冷却到除霜所需要的温度，再通过内部冷凝器加热，然后通过鼓风机送入室内。从而既解决了安全性的问题，且在融霜时还能同时控制出风口空气的温度，系统如图2所示。

该系统的试验结果如表 1所示，环境温度在-10℃到40℃的范围内，系统在稳态条件下，以最大能耗1kw能完成对车室的制冷和制热[4]。不仅能在制冷和制热模式下满足舒适性，也能通过使用电子膨胀阀来控制出风温度，也能以较小的能耗在很大的湿度范围内完成除湿操作。

表1　

另外，由于CO2有着良好的热物理性能，日本电装公司也为电动车开发了一套CO2作为制冷剂的热泵空调系统[5]。同样，系统也在风道内设置了2个换热器。不过与R134a制冷剂系统不同的是，在制冷模式时，制冷剂也同时流经内部冷凝器和外部冷凝器。

3、采用不同制冷剂的热泵空调系统的比较

对于热泵空调系统的性能，不同的制冷剂有着不同的表现。M.Hosoz和M.Direk[6]对以R134a为制冷剂的热泵空调系统进行了研究。将普通的空调系统进行改制，使得原单向运行的系统可以双向运行，成为简单的热泵空调系统，系统结构如图3所示。测试结果表明，该系统在环境温度不是很低的情况下能够提供足够的制热量，而当环境温度继续降低时，热泵系统的制热效率下降明显。

图3　R134a热泵空调系统示意图

图4　COP值随室外干球温度的变化曲线［7］

欧阳光以R407c为制冷剂，对热泵空调系统进行了研究[7]。该系统直接采用了四通阀实现系统的双向运行。其研究结果表明，系统COP随环境温度降低而降低，当环境温度很低时，COP将小于1，如图4所示。

Tamura设计了一种以CO2为制冷剂的热泵空调系统[8]，该系统在制热模式时，可以利用除湿过程中的余热，系统结构如图5所示。测试结果表明，制热模式下的COP可以达到以R134a为制冷剂的1.31倍，系统结构如下图所示。所以，使用CO2作为制冷剂是提高低温环境下热泵空调系统制热能力不足的方法。而且，在2006年时欧盟发布规定：2011年1 月1日起，所有新批准型号的汽车热放空调系统将禁止使用含GWP＞150的氟化气体制冷剂，从2017年1月1日起，所有新出厂车辆的空调系统将禁止使用含GWP大于150的氟化气体制冷剂。而R134a和R407c的GWP值分别为1300、1500，所以这两种制冷剂不久将被取代。

图5　CO2热泵空调系统

3、结论

随着电动汽车的日益发展以及国家政策对新能源汽车的鼓励，电动汽车越来越受到人们的追捧。而空调作为驾乘舒适性的功能要求，也必然会有着越来越高的要求。综合上述情况，从空调技术的发展和工作效率来说，热泵型空调系统良好的工作性能必然作为发展趋势。但不论哪种空调系统，工作时均使用的是动力电池电量，而目前受限于电池技术的发展和续航里程的短板，使得空调系统的节能高效成为首要考虑因素。因此，就目前情况而言，可以从以下几个方向考虑：

（1）注意改善车辆自身的密封以及隔热性能，使得外部环境因素的影响降到最小；

（2）开发更高效的涡旋式压缩机，降低能耗比；

（3）系统设计时考虑不同工况下的工作情况，使得系统运行达到最高效率；

（4）开发控制更精准节能的硅电子膨胀阀。

[1] Ullrich Hess. Results from CO2 Heat Pump Applications [C].2002 SAE Automotive Systems Symposium.

[2] 马国远,史保新,陈观生,等.电动汽车热泵空调系统的试验研究[J].低温工程,2000,（4）:40-41.

[3] 史保新,马国远,陈观生.电动车用空调装置的研究[J].流体机械, 2002,（4）:48-49.

[4] 钟民先,祁照岗,陈江平,等.汽车空调热泵系统可行性分析[C].上海市制冷学会2005年学术年会论文集.

[5] Werner Hunemorder,Nobuharu Kakehashi,etc;CO2 Heat Pump System with Electrical Compressor [C].VDA Alternate Refrigerant Winter Meeting,2003.

[6] Hosoz M.,Direk M.Performance evaluation of an integrated automo -tive air conditioning and heat pump system[J].Energy Conversion and Management ,2006(47):545-559.

[7] 欧阳光.热泵型电动汽车空调系统性能试验研究[D].广州:华南李工大学,2011:33-34.

[8] Tamura Tomoichiro,Yakumaru Yuuichi,Nishiwaki Fumitoshi.Experimental study on automotive cooling and heating air condition system using CO2as a refrigerant[J].International Journal of Refrigeration,2005(28):1302-1307.

Heat Pump Air Conditioning System for Electric Vehicles

Han Guangjie
（Anhui jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

This paper mainly analyzes the difference between Electric Vehicles air conditioning system and conventional air congditioning system,introduce the characteristics of Electric Vehicles,compared the different structure of the heta pump air conditioning system at home and abroad,and according to its structural analysis the advantages and disadvantages,in view of the different compairing the refrigerant heat pump air conditioning system and summarizes the development trend of the heat pump air conditioning system and the design train of thought.

Electric Vehicles Heat pump Air Conditioning; CO2; Four-way valve

韩光杰，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心。

U463.61

B

1671-7988 （2016）06-109-03