新能源汽车热泵空调技术研究与应用探讨

叶黎敏

摘要：汽车已经成为人们日常生活中必不可少的交通工具，随着各种环境相关政策的推出以及工业技术的进步，新能源汽车呈现出逐步替代传统燃油车的发展趋势。相比传统燃油车，新能源汽车具有零排放、无污染的优势，但是技术有待进步完善，比如空调技术。为弥补这一不足达到更佳的适用性，出现了热泵空调技术，并已经成为新能源汽车领域的重点技术。有研究显示，在热泵空调技术的帮助下，不仅能够解决新能源汽车续航里程短的问题，还能让空调系统更为节能、高效。为此，重点围绕热泵空调技术在新能源汽车中的实际应用进行了分析。

关键词：新能源汽车;热泵空调技术;实际应用

中图分类号：U463.9收稿日期：2022—04—22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.006

汽车由多个系统组成，空调系统便是其中之一，传统燃油车中的空调主要通过压缩机来达到制冷的目的，但这一技术较为老旧，不再能够适用于更为先进的新能源汽车，且此传统的空调系统能耗高。新能源汽车中的热泵空调技术采用电动压缩机，与传统皮带空调压缩机相比，制冷基本相同，但在制热上有较大区别，主要包括：發动机冷却液热量为加热器芯提供热量，该模式主要用于混合动力汽车;另一种是采用PTC加热器直接加热冷却液或空气，该方式主要应用于纯电动汽车。相比之下，热泵空调技术具有高效节能、结构紧凑的优势，并已经成为未来新能源汽车空调系统的主流趋势。

1 新能源汽车空调技术发展现状

在当前时代背景下，新能源汽车的市场占比在逐年增加，传统燃油车内燃机因工作时会排放尾气，对空气污染较为严重，使得温室效应愈加明显，而新能源汽车的应用则有效解决了这一问题，使得汽车能够真正达到无污染、零排放的目的，保护了生态环境"。

对于汽车来说，空调系统能够有效保障汽车内部舒适性，可以根据需求制冷或制热适当调整温度。但是新能源汽车中的空调系统在应用时会消耗大量能源，尤其是纯电动汽车应用空调系统后会使得续航能力明显下降，在冬季该问题更加明显，因此成为当下新能源汽车领域亟需解决的问题2。目前，新能源汽车正在逐步加强对一些新型空调技术的应用，热泵空调技术便是其中比较有代表性的一种。

2 热泵空调系统工作模式

目前在新能源汽车中，热泵空调技术的应用较多，在实际应用中，主要通过冷凝器和四通换向阀改变热量的转移方向来达到制冷或制热的目的。如今，大多数汽车厂家在对热泵空调技术的应用中，会对四通换向阀进行优化改进，坚持朝着简单、可靠的方向发展。大众汽车中的e—Golf是当下较为先进的一款新能源汽车，其空调系统包括膨胀阀、室内外换热器、电动压缩器、气液分离器等部分，实际应用时通过切断阀控制热量的阻断或传输达到制热或制冷目的。例如制冷时，膨胀阀EV1将会停止工作，压缩机将空气加压，随后经过冷凝器、膨胀阀EV2、蒸发器，最终在蒸发器排出后冷却达成制冷效果。

热泵空调技术制热时，压缩机需要直接吸收并压缩空气，该过程中驱动制冷剂，制冷剂在进入空气中达到受热的效果，随后切断阀SV4、SV1关闭。在膨胀阀EV1工作过程中，空调系统压力下降，在蒸发器作用下制冷剂发挥作用，空调系统内形成冷热差，最终达到取暖的作用。其实，热泵空调技术的制热过程便是获取外部空气热量达到车内供暖的目的。

3 热泵空调技术分析

新能源汽车所有系统的运行均要倾向于节能、高效，以便于提升续航里程。目前，几乎所有电动汽车在冬季均存在续航里程明显下降的问题，这不仅与室外温度较低有关，还与电动汽车热泵效率下降有关。因此如何提升汽车的热管理、提升热泵空调制热能力等，是当下新能源汽车需要重点研究的问题。

3.1低温环境下提高热效率

不同于传统皮带驱动空气压缩机，热泵空调在应用时能够达到更高的能效，且能效比更高，对能量的需求相对较低，从实际应用看，外部温度在—5～15℃范围内热泵空调系统能够发挥最大效率。同时，若室外温度持续降低，热泵空调系统的整体工作效率也会随之下降，制热效果降低，这也是当下空调系统需要重点解决的问题。为解决低温情况下热泵空调系统能效降低的问题，还需应用PTC辅助加热，PTC即热温度系数热敏电阻，在需要加热时，因电压增大，电阻也会随之增加并放出热量，进而达到加热的效果。不仅如此，还能够通过减小压缩比、增大散热量等多个方面辅助加热。

3.2热管理

热泵空调系统可以通过热管理帮助改善热泵空调系统的低温工作性能。相比过去，近年来新能源汽车企业非常重视对汽车空调系统低温工况不佳问题的优化改进，并增加了对各种辅助热管理技术的应用，如热回收、蓄热、采暖等，形成了具有较强综合性能的热管理系统。同时，汽车中的电控技术发展迅速，通过热管理系统对一些热元件进行科学、高效的管理，包括驱动电机、高压蓄电池等。不仅如此，热管理还能够应用废热，因为电动汽车在高速行驶时电池的能耗大，热量增加，因此在该过程中便可以通过热管理系统收集电池所产生的废热，虽然并不能将其作为制热的主要热源，但也能够起到较大的辅助制热效果。

3.3压缩机控制技术

随着各种先进技术在汽车领域中的应用，人们对汽车的舒适性要求越来越高，空调系统作为汽车中的重要组成部分之一，与整车舒适性密切相关。目前，热泵空调中主要采用高压电动涡旋压缩机，工作原理与传统压缩机相似，但是却具有更轻、更平稳、体积小、结构简单且能效高的特点，成为新能源汽车热泵空调系统压缩机的首选3。压缩机在应用中可以在其中间腔内补充一定量的中压气体，如此一来能使排气温度降低，并提高制热能力，这便是补气增焓技术，该技术是高压涡旋压缩机中的重要应用技术之一。从相关研究结果来看，该技术使得制热能力低下、能耗较高的问题得到了良好解决，并且较大增加准双级压缩机的排气量。总而言之，压缩机控制技术提高了新能源汽车的空调系统整体能效比，有效提高了制热能力。

3.4除霜问题

结霜是每一位车主头痛的问题，因车内外温度差异较大，便容易出现挡风玻璃结霜情况。不仅如此，在冬季新能源汽车的车外换热器也会出现结霜、结冰等问题，这会影响换热器的正常工作流程，进而导致制热能力下降，并进入恶性循环。就实际情况来看，当前用于解决热泵空调系统结霜的方法有逆循环法、热气旁通法。

逆循环法是将换热器当做冷凝器，随着温度的增高会融化换热器周围的霜，但在应用该方法时，大部分霜被化融，但仍旧有一部分霜会结冰，因此逆循环法仅能够暂时缓解结霜，并不能达到完全解决的目的。热气旁通法相比逆循环法更有效果，制热时将压缩机中一部分热气通过蒸发器入楼排出，以此通过热气达到融霜的效果，不仅如此，相比逆循环法的局限性，热气旁通法还能够精准控制，使得换热器的除霜也能够达到高效、节能的效果。

4 部分传感器及执行器选型

4.1电磁阀SOV

新能源汽车的热泵空调系统由非常多的元器件组成，电磁阀便是其中比较有代表性的元器件，一般会应用线圈中通过电流产生的电磁吸力作为电磁阀的主要动力，以此来控制阀的开启与关闭。在当前热泵空调系统的电磁阀选型中，多应用DC9～16V，單向介质流动方向。

4.2电子膨胀阀EXV

目前热泵空调系统有着更高的能效比，能耗更低，空调效果更佳，这得益于更为精准、精确的控制元件，电子膨胀阀便是能够帮助达到精准精确控制的重要元件。电子膨胀阀EXV是当下热泵空调系统中较为常用的一种，介质的具体流动方向为双向。

4.3PT传感器

压力传感器能够及时获取空调系统中的压力数据，并将压力数据传输至控制系统，再由控制系统根据相关数据向执行器发送控制信号。在其实际工作中，主要以R134a、R410a等作为工作介质，能够在—30～130℃范围内正常工作。

5 热泵空调的实际应用

热泵空调技术从推出以来便受到了新能源汽车领域的广泛关注，经过不断的研究及应用证实其具有较高的能效比，对降低能耗、提升汽车空调性能有积极作用。如今，许多汽车应用了热泵空调技术，如特斯拉Model Y、宝马i3、奥迪R8、大众e-Golf等。

随着热泵空调技术的进步，热泵空调技术不仅可以应用于纯电动汽车，也可以应用于混合动力汽车。荣威作为我国知名汽车品牌，其在应用热泵空调技术方面取得了新的突破，纯电动汽车的续航里程得到了明显增加，续航里程增加了15%～30%。格力在空调技术的研发中也起到了“领头羊”的作用，经过对热泵空调技术的攻坚，2018年已经解决了低温环境下空调能耗下降的问题，且将其技术应用到了纯电动汽车中，研究结果显示空调耗电量降低了60%。综上所述，随着相关技术的进步，热泵空调技术更为先进化、高效化，相信在未来新能源汽车均会搭载热泵空调技术6。

6 热泵空调面临的挑战

新能源汽车作为汽车的重要发展趋势，正在逐步占领市场，热泵空调系统作为新能源汽车电气系统中的重要组成部分，对提升汽车的整体舒适性有积极作用。就目前来看，热泵空调技术虽然在新能源汽车的发展中有良好发展趋势，但是也面临着一定的挑战。

a.政策挑战。如今，新能源汽车的发展要遵循相关政策规定，而政策的制定需要根据相关国际大环境、国家战略等多个方面全面考虑。据调查，欧美各国对热泵空调给予25%的补贴，我国在该方面也有相应的补贴，使得热泵空调能够在新能源汽车中广泛应用。总的来看，政策上的挑战依然存在，补贴并不能够作为汽车热泵空调技术发展的主要推动力。

b.大多数消费者在购买新能源汽车时，对热泵空调系统的认识不多，甚至从未听说，由此导致对热泵空调系统不接受、不愿意购买的问题，因此需要厂家、销售部门加强对热泵空调技术的宣传，以便让更多的消费者能够加深对热泵空调技术的认识。

c.就当下实际情况来看，热泵空调技术虽然被许多新能源汽车厂家所掌握，但在该方面并无一套完整的管理体系，无法对其进行统一规范管理，因此整体来看新能源汽车中的热泵空调技术虽然有良好发展趋势，但是缺乏完善的标准化规范体系，这是其未来发展所面临的主要挑战。

d.电池造价高。相比传统燃油车，纯电动汽车具有更强的动力，但是相比发动机，电池的造价比较高，汽车行驶过程中，所有电气设备均要依靠电池供给能源。空调系统作为汽车的辅助功能，在其发展中也会面临电池造价高、寿命较短的挑战。电池电量充足时，空调系统可以正常应用，但在电量非常低时，空调系统的整体效用便会大幅度下降，转而更加倾向于动力输出，因此在未来发展中，应重视对电池的优化改进，更进一步提升电池能量密度，提升电池寿命，从而帮助提高空调系统的整体应用效果。

7 结语

新能源汽车的推出极大地促进了环保、低碳理念的贯彻落实，空调系统作为汽车的重要组成部分，对保障汽车驾乘的舒适性十分关键。本文重点分析了热泵空调技术在新能源汽车中的应用，并阐述了当下新能源汽车空调技术的现状、热泵空调技术的优势及其主要技术，最后指出了新能源汽车热泵空调系统未来发展中面临的挑战，希望在未来热泵空调技术通过改进能够在新能源汽车领域得到更广泛的应用。

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