新能源汽车空调热泵技术应用探讨

摘 要：新能源汽车与国家节能减排的指导战略一致，在能源日益紧张的今天，即可解决民众出行对交通工具的需求，同时可减少车辆运行中对资源的消耗，也不会出现严重的环境污染问题，所以在未来有较大的发展潜力。制冷与制热是汽车空调的主要功能，传统燃油车的制冷制热技术已可非常成熟地利用燃油资源。然而，以往燃油车因技术的限制，虽然可进行制冷与制热的操作，但是存在较大的问题，比如能源利用率低，与我国能源战略的初衷相悖。新能源汽车具有无污染、零排放等优点，新能源汽车空调热泵技术的运用，可显著提高新能源汽车的综合性能，所以该技术在新能源汽车领域备受关注。本文对新能源热泵空调系统的工作模式及热泵空调技术应用状况进行探讨分析，梳理空调热泵的应用内容，探讨其在未来面临的发展机遇及面临的挑战。

关键词：新能源 汽车空调 热泵技术 应用

新能源汽车因使用成本低、静谧、科技感强、环保等多种优点，所以在我国拥有较大的发展趋势。汽车的组成系统较多，其空调系统是汽车上必不可少的组成部分，传统燃油车和新能源汽车都有空调装置，但传统燃油车空调在制冷与制热的效率、环保及能耗方面无法与新能源汽车进行比较。新能源纯电动汽车的空调热泵技术基于工作原理，在传统燃油车基础上，对其压缩机进行变动，采用电动压缩机作为制冷与制热等功能的动力源装置。采用电动压缩机的空调热泵系统在制冷时，与传统燃油汽车的制冷的差异不大，但是制热时制热方式出现巨幅变动。新能源汽车在制热时，热泵空调技术在汽车空调系统中的运用，使得空调系统结构紧凑、能源利用效率提高，这将会成为新能源汽车空调系统较为显著的优势，因此探索研究热泵技术的应用及改进对新能源汽车的发展有较大推动作用。

1 热泵空调系统的工作模式

热泵空调技术在新能源领域中的使用频次变高，经过长时间的发展，该项技术经过优化，在具体场域中的运用能力更强。热泵空调技术可通过四通换向阀、冷凝器等装置的运用，让热量转移的方向发生变化，用以达到制热或制冷的目的。热泵空调技术在汽车领域中已经成为一项常用的技术，出于对汽车功能的优化，所以对热泵空调技术的创新也在持续跟进，研究的重点放在四通换向阀的优化，引导研究活动向可靠、简单的方向发展[1]。国产汽车在新能源领域已经发展较长的时间，可引导四通换向阀向可靠、简单的方向进一步发展。目前新能源汽车在制冷与制热方面，选择采用切断阀和换向阀来控制制冷剂流向的方法[2]。比如，在系统进行制冷时，气态制冷剂经压缩机压缩成高压气体排出后，流向四通换向阀，然后进入车外冷凝器被冷却凝结成液态，然后经过干燥器干燥过滤和膨胀阀节流降压后，进入车内蒸发器，在蒸发器内吸收蒸发器其周围空气的热能，从而使得车内空气温度降低。最后制冷剂经四通换向阀流向气液分离器后回到压缩机，然后进入下一循环，以实现循环制冷（如图中蓝色箭头流向）。制热时，气态制冷剂经压缩机压缩形成高压排出后，流过四通换向阀后，进入室内换热器（冷凝器）散热，将热量释放到室内空气中，使车内空气温度上升。然后，系统内制冷剂经过干燥器和膨胀阀之后，进入室外换热器，吸收外界换热器周围空气的热进行气化，再经过四通换向阀和液气分离器后，再次回到空调压缩机，完成制热循环（如图中红色箭头流向），如此反复循环给车内制热。如图1所示。

从热泵空调技术制热的工作过程来看，可将该过程理解为将汽车外部空气的热能转移到车内，以提高车内空气的温度，最终实现有效的供暖[3]。

2 热泵空调技术分析

2.1 热管理系统优化

热泵空调系统在北方外界温度较低时，其制热工作性能较差，会严重影响到空调的性能，不仅会耗损不少能源，且也不能获得预期的制热效果。因此，热泵空调系统在较低温环境使用时需要考虑通过热管理进行改善，以解决汽车空调系统低温时工作不理想的问题。热泵空调系统运行时需要考虑采用增加如采暖、蓄热、热回收等多种实际可用的辅助热管理技术，让热泵空调系统相关的管理体系具有极强的综合实用性。热管理系统在汽车行业迅猛发展的今天，可基于现有的电控技术成果，为热管理较多工作的落实提供条件，对高压动力电池包、驱动电机等发热元件的热能作出高效、科学的管理[4]。热管理系统可实现对废热的合理运用，要着重推进对管理系统的更新创新的研发工作。新能源汽车的动力电池在车辆高速行驶时其电池能量损耗较大，且同时会出现热量骤升的现象。因此，热管理系统在汽车高速行驶期间进行废热的回收，可有效地作用低温条件下制热的一个重要热源，能有效地辅助制热[5]。

2.2 低温环境下提高热效率

热泵空调技术的运用，针对传统空调而言会对能源的操控效果更佳，同时没有对能量提出过高的要求。基于实际状况，热泵空调系统受环境温度影响很大，当外部环境温度处于-5～15℃区间时，热泵空调系统的效率将会达到峰值[6]。当室外温度还持续降低时，热泵空调系统将不会发挥作用，整体工作效率也会随之变低。如果不能在空调系统运行时给出合理的控制策略，热泵空调系统工作效率低的问题将得不到解决。因热泵空调系统在低温环境下能效较低，出于该问题处理的需求，可选择采用PTC作为辅助加热方式。当在极低温条件下需要加热时，应该增加电压，电阻也会因相关环境改变出现变化，在此期间还会释放不少的热量，从而获得加热的效果[7]。

2.3 压缩机控制技术

随着汽车业不断地向前发展和技术不断更新，出现较多新的车型，并配有智能化的设备，为驾驶者提供更舒适的体验。在此趋势持续发展的过程中，人们对汽车的驾驶和乘坐舒适性的要求也不断提高，所以需要对新能源汽车舒适性进行更深入的研究。汽车空调系统是汽车组成中最重要的组成系统之一，一旦缺乏对此方面的管理会降低整体舒适度[8]。高压电动涡旋压缩机在热泵空调系统中发挥着重要的作用，特别是在舒适性方面，其工作原理与传统压缩机十分相似，但有着传统压缩机无法比拟的优点，如其体积小、平稳、重量小、能效高、结构简单等，所以在新能源汽车中得到广泛的运用，在汽车热泵空调系统压缩机挑选时，它一直居于第一位。车辆在以往的使用中能源消耗相对严重，出于国家节能减排的战略导向，将热泵空调系统运用到汽车中，较易实现对高压涡旋压缩机结构的优化，可有效解决系统能耗高、制热能力弱等问题。压缩机是汽车空调系统中异常重要的元件，因热泵空调系统对压缩机的改善，可显著提升准双级压缩机的排量。新能源汽车空调系统压缩机此类似控制技术的运用，可较大程度地提升热泵空调系统的制热能力[9]。

2.4 除霜问题

结霜主要在温度出现巨大变化下出现，将会导致驾驶者的视线受阻，所以成为驾驶人员十分头痛的问题。新能源汽车车辆，也会在车内外温度差异过大的情况下，在挡风玻璃处出现结霜的问题，结冰、结霜等问题，这会严重影响到换热器工作的表现，导致系统流程化作业不能有效地进行下去。与此同时，对车辆的制热能力也会形成影响，导致其出现断崖式的下降，还会因此带来一系列的问题，陷入恶性循环。目前，热气旁通法、逆循环法等均为热泵空调系统解决挡风玻璃结冰与结霜问题的有效手段。将蒸发器作为冷凝器，在温度持续上升的过程中，蒸发器周围的霜与冰会逐渐融化，此方法称为逆循环法。此方法可消除结霜与结冰的问题，但是效果并不持久。热气旁通法则将压缩机部分热气经由蒸发器排出，实现热量的转移，同时借助热量融化挡风玻璃处的霜。蒸发器在除霜的操作中，可在霜冰位置锁定后实现精准操控，进一步提高换热器除霜的效果。

3 热泵空调的应用

新能源汽车在热泵空调技术出现的不久便加以运用，密切关注热泵空调技术的运用情况，并根据实际需求对技术的运用方式进行创新，以提高热泵空调技术成果在新能源汽车中的使用价值。经过新能源汽车行业对热泵空调技术的数次优化与更新，已有效提高了新能源汽车空调的综合使用性能，合理地降低汽车能源的损耗量。目前，大众旗下的很多电车、特斯拉旗下很多车型均使用热泵空调技术，优化车辆的空调系统功能，提升整车用电综合效率。热泵空调技术可改变传统汽车空调制热的方式，在混合动力汽车、纯电动汽车中均可使用。我国自主品牌荣威已经发展一段时间，基于对车辆在制冷与制热等操作能耗的控制需求，已将热泵空调技术应用到车辆中，还积极地推进技术研发活动。根据荣威发布的研究报告，使用热泵空调技术的纯电动汽车续航里程较之前增加15%～30%，进一步提升了其品牌汽车的实用性及市场竞争力。热泵空调技术也被格力所研究，在空调技术研发中组织技术团队，将其领头人的作用发挥出来。通过对热泵空调技术的研发，解决制冷与制热领域的不少问题，如通过技术优化解决了汽车在低温环境下空调能耗下降的问题。在纯电动汽车领域使用热泵空调技术，减少空调对能源的损耗量，将空调损耗的电量降至60%。[10]

4 热泵空调技术发展期间遇到的挑战

新能源汽车在汽车领域属于新的发展趋势，在其逐渐占领市场的情况下，热泵空调系统在新能源汽车的运用中，需要根据对系统制冷与制热等方面的要求，对现有的热泵空调技术进行优化，让其可在应用环节发挥更大的价值。热泵空调系统在汽车中的运用，可提高汽车整体的舒适性与稳定性。新能源汽车中热泵空调技术的运用，在新能源汽车中有较大的发展趋势。

4.1 政策挑战

新能源汽车发展要从长远的利益考虑，必须遵循相关政府政策要求，综合考虑国家战略、国际大环境等多个方面进行分析研究，确定新能源汽车的发展策略。据了解，欧美各国对热泵空调技术的研发与应用等方面均提供政策支持，如给予25%的经费补贴。科技在未来无疑是推动社会与行业的巨大推动力，我国非常重视技术的创新与发展，对热泵空调技术也较为重视，同时各地均提供政策方面的补贴，这为空调热泵技术在新能源汽车领域的深入运用发展提供了优越条件。不少新能源汽车行业在热泵空调技术的研究中，享有政府资金方面的支持，所以对该项技术的研发有较大的热情。然而，热泵空调技术研发仍可能会在发展中遇到阻碍，其中也有政策方面设置的障碍，因为政策补贴给予不足，所以无法成为热泵空调技术向前发展的巨大动力。

4.2 电池造价高

相比传统燃油车，纯电动汽车具有强大的动力，但其动力电池造价比较高。当动力电池电量充足时，空调系统可正常使用，但当动力电池电量非常低时，空调系统会因保证行驶动力优先而降低空调功率或停止空调系统的运行，这使得车辆的整体效用变差。电池在新能源汽车中是相对重要的存在，因此需要不断改进电池，将电池能量密度向上提升到更高水平，同时还围绕电池寿命进行深入研究，尽可能在确保电池的安全性时提高电池的使用寿命。当然动力电池能量密度越高，续航里程越长，空调系统能高效使用的时间就越长，但造价成本也就更高。

4.3 消费者对新能源汽车认识不足

新能源的发展势头越来越猛，对新能源汽车的宣传也越来越多，引起了不少消费者的关注。但是在关注新能源汽车的人群中，对新能源汽车所用技术十分了解的主体还是少数，大部分人只知道汽车的使用功能，而不了解热泵空调技术在汽车空调系统中的使用情况，对该项技术也没有正确的认识。新能源汽车在技术的研发中，将技术研发的成本算在车价中，部分群体不认可热泵空调技术在制冷与制热等方面的价值，所以不愿意购买含有热泵技术运用而售价相对较高的新能源汽车。消费者对新能源汽车的认识不高，可能仅购买低端车型，这不利于新能源汽车企业对空调技术的自主研发，自然会影响到技术的研发速度。因此，销售部门、厂家等部门需要多组织宣传活动，以热泵空调技术作为主题，尽可能让更多群体认识热泵空调技术，消费者也应自主提升对空调热泵技术及节能的认知。

5 结语

新能源汽车将节能、低碳、环保作为发展理念，空调系统作为改善车内舒适性环境的必要装备，可根据车内人员对车内温度与湿度的需求，有效地对车内空气的温度、空气流通速度和洁净度等要素进行调节控制。热泵空调技术地新能源汽车领域中的运用，可在较大程度上提高原有汽车空调系统在制冷与制热方面的能力和效率，同时因技术的进步可减少使用期间能源损耗量，节能性特征异常突出。此外，显著优化热泵空调系统的功能，将成为新能源汽车在未来发展着重研究的领域。研发者需整理热泵空调技术在新能源汽车中的运用研究成果，实现对热泵空调技术的深入分析，给出一套完整的技术方案，让其在新能源汽车领域有更大的价值，显著提升汽车空调系统整体功能水平，可为人们提供更出色的服务能力。

基金项目：广西职业教育教学改革项目（GXGZJG2019B120）--基于VR技术的高职新能源汽车技术课程3D互动式混合教学模式的研究与实践；广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2020KY29011）--纯电动汽车空调热泵性能改进的研究与实践。

参考文献：

[1]于天蝉，石文星，李先庭，等.电动汽车热泵空调系统冬季运行策略研究[J].制冷学报，2023，44（4）：75-84.

[2]王智海.电动汽车双热源热泵空调系统设计及研究[J].制冷与空调，2023，23（8）：19-23.

[3]任佳，武卫东，李子琪.带回热器的新能源汽车热泵空调系统性能分析[J].河北建筑工程学院学报，2022（002）：040.

[4]胡超常吴金赵文魁刘树友陈龙陈立伟任锡玉刘小林.电动汽车热泵空调系统脏堵排查[J].制冷，2022，41（3）：68-74.

[5]潘新，于萍，田杰.纯电动汽车热泵空调系统控制策略[J].重庆理工大学学报：自然科学，2023，37（2）：113-122.

[6]吕然，王儒金，宋占桌，等.电动汽车用二氧化碳热泵空调系统性能分析[J].汽车工程师，2023（12）：1-8.

[7]赵家威，岳敏，徐杰明，等.电动汽车水源热泵空调系统开发及试验研究[J].内燃机与配件，2023（21）：63-65.

[8]王伟忠，许旭，刘聪聪，等.电动汽车热泵空调系统用MEMS压力温度传感器[J].微纳电子技术，2023，60（7）：1102-1107.

[9]黄浩，苏湘雯.新能源汽车空调控制系统应用研究[J].中文科技期刊数据库（全文版）工程技术，2022（11）：3.

[10]王智海姜鑫王天根.新能源汽车空调互补式智能温控系统研究[J].上海汽车，2022（12）：34-39.