◆文/北京 馮永忠 康永祿

寶馬i3純電動車空調(diào)熱泵解析

◆文/北京 馮永忠 康永祿

為了解決擁擠的交通環(huán)境和獲得更低的排放，寶馬推出了i品牌，這是寶馬的第四個品牌，其主要代表著新能源汽車。寶馬i3是寶馬首款專為城市打造的純電動量產(chǎn)車型，其不僅擁有更環(huán)保、更具科技感的特色，而且其價格也并非遙不可及。而本文將就該車的空調(diào)熱泵作詳細(xì)介紹。

一、帶熱泵的加熱回路

寶馬i3純電動車的熱泵換熱器安裝在冷卻液泵和電加熱器之間，由于使用熱泵，電加熱器的電能消耗明顯減少。在進(jìn)行效率比較時，清晰地顯示了熱泵節(jié)約的能量，為了獲得5kW的輸出熱量，由于電阻損失，電加熱器需要消耗5.5kW的電能。而帶熱泵的系統(tǒng)只需要2.5kW的電能。EKK(電動空調(diào)壓縮機(jī))使用這些電能壓縮制冷劑，在熱泵換熱器產(chǎn)生所需的輸出熱量，如圖1所示。

圖1 熱泵和電加熱器效率比較

冷卻液回路只是增加了熱泵換熱器，即使使用熱泵，也必須配置電加熱器，以保證系統(tǒng)發(fā)生故障時，仍能夠達(dá)到乘客艙所需的溫度，其示意圖如圖2所示。為了防止回路堵塞或損壞，必須使用寶馬i3新型專用冷卻液。

二、熱泵系統(tǒng)

在寶馬i3純電動版上，電機(jī)和動力電控裝置產(chǎn)生的可用廢熱很少。即使在寶馬i3增程式純電動車上，也不使用增程式發(fā)動機(jī)上產(chǎn)生的廢熱，為了減輕重量，該款增程式純電動車上不配置熱泵。

圖2 帶熱泵的乘客艙加熱系統(tǒng)示意圖

由于配置了熱泵，使用電加熱器的純電動版其行駛里程并不明顯減少。乘客艙所需的熱量由帶熱泵的暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)提供。熱泵的工作原理與暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)相反，高溫高壓的制冷劑流過冷凝器時，釋放的熱能直接排入大氣。而流過熱泵熱交換器時，制冷劑釋放的熱能用于加熱乘客艙，其原理圖如圖3所示，帶熱泵的空調(diào)制冷劑管路如圖4所示。

圖3 熱泵原理圖

圖4 帶熱泵的空調(diào)制冷劑管路圖

三、熱泵系統(tǒng)主要元件

1.熱泵控制器

局域網(wǎng)總線作為熱泵控制器和IHKA(自動恒溫空調(diào))控制單元進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)線。熱泵控制器模擬通道評估制冷劑溫度傳感器和制冷劑壓力-溫度傳感器信號，并控制制冷劑截止閥和制冷劑電控膨脹閥(EXV)等執(zhí)行器。熱泵控制器負(fù)責(zé)把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，反之亦然。

在暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，熱泵是唯一由車身域控制器供電的元件。而且是以脈寬調(diào)節(jié)信號的形式，通過熱泵控制器進(jìn)行控制。連接局域網(wǎng)的IHKA控制單元設(shè)定中央控制，熱泵控制器根據(jù)傳感器數(shù)值執(zhí)行指令，熱泵控制器系統(tǒng)圖如圖5所示。

2.制冷劑溫度傳感器和壓力-溫度傳感器

帶熱泵的空調(diào)制冷劑管路上有3個溫度傳感器，2個壓力-溫度傳感器，用于把制冷劑溫度和壓力值傳遞給熱泵控制器，其前后安裝位置如圖6和圖7所示。

3.制冷劑截止閥

管路上共有4個制冷劑截止閥，閥門用于控制制冷劑回路，開關(guān)閥門可以引起制冷劑在冷凝器和蒸發(fā)器中的不同流向，使熱泵有制冷、加熱和混合3種不同的運(yùn)轉(zhuǎn)模式。由于空調(diào)壓縮機(jī)的潤滑和壓縮，制冷劑不能在EKK和儲液干燥器的制冷劑管路中反向流動。

按照IHKA發(fā)來的指令，熱泵控制器打開或關(guān)閉制冷劑截止閥。制冷劑截止閥只能全開或全關(guān)，其中3個閥門在斷電時打開，另一個閥門在斷電時關(guān)閉。在熱泵的加熱模式下，關(guān)閉的閥門打開，使制冷劑從冷凝器通過儲液干燥器流回EKK。

圖5 熱泵控制器系統(tǒng)圖

圖6 前端的安裝位置示意圖

圖7 后端的安裝位置示意圖

所有制冷劑截止閥都位于車輛的前端，如圖8所示。序號1所示的制冷劑截止閥有2個，一個安裝在EKK和熱泵換熱器之間，另一個安裝在EKK和冷凝器之間。序號2所示的制冷劑截止閥也有2個，一個安裝在蒸發(fā)器和儲液干燥器之間，另一個安裝在冷凝器和儲液干燥器之間，這個閥門在斷電時關(guān)閉。

圖8 制冷劑截止閥

4.電控膨脹閥(EXV)

由于使用了熱泵，高電壓蓄電池冷卻回路中的熱控膨脹閥(TXV)和組合的膨脹截止閥(ETXV)被3個電控膨脹閥(EXV)取代。這3個閥使用步進(jìn)電機(jī)在0～100%之間控制制冷劑管路，如圖9所示。3種不同類型的電控膨脹閥如圖10所示。

5.儲液干燥器

帶熱泵的儲液干燥器(圖11)要滿足空調(diào)壓縮機(jī)的進(jìn)氣要求，同時儲存潤滑用冷凍機(jī)油。作為儲存罐，儲液干燥器能夠補(bǔ)償壓縮機(jī)長期運(yùn)轉(zhuǎn)緩慢減少的制冷劑，保證熱泵回路的正常工作。空調(diào)的儲液干燥器集成在冷凝器上，不能單獨(dú)更換。

圖9 電控膨脹閥

圖10 電控膨脹閥的類型

圖11 儲液干燥器

6.熱泵換熱器

熱泵換熱器將高溫高壓制冷劑的熱量傳遞給暖風(fēng)加熱管路流動的冷卻液，如圖12所示。

圖12 熱泵換熱器

四、熱泵的工作模式

汽車上安裝的熱泵有制冷、加熱、混合3種工作模式。該熱泵系統(tǒng)使用1kW的電能可以獲得2kW的熱量或3kW的冷氣。在所有工作模式，熱泵的感知溫度范圍是-10℃～40℃。帶熱泵的空調(diào)制冷劑量是970g，不帶熱泵的空調(diào)制冷劑量是750g，制冷劑的質(zhì)量對空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常重要。

1.制冷模式

熱泵在制冷模式時，制冷劑回路選用的設(shè)備與空調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備完全相同。關(guān)閉制冷劑截止閥18和20，打開制冷劑截止閥17和21，示意圖如圖13所示。

2.加熱模式

熱泵在加熱模式時，關(guān)閉制冷劑截止閥17和21，打開制冷劑截止閥18和20,制冷劑流過熱泵換熱器。熱量不再從冷凝器排入大氣，而是傳遞到暖風(fēng)加熱回路的冷卻液。熱泵換熱器出口的電控膨脹閥產(chǎn)生壓力，足夠的熱量傳遞到這里。為了再次關(guān)閉回路，空調(diào)蒸發(fā)器也使用電控膨脹閥產(chǎn)生制冷劑壓力。激活用于制冷的蒸發(fā)器電控膨脹閥，以便再次增加蒸發(fā)器制冷劑壓力，也可以使用產(chǎn)生的熱量。散熱后的制冷劑反向流過冷凝器，通過打開的制冷劑截止閥和儲液干燥器流回EKK，示意圖如圖14所示。

3.混合模式

熱泵在混合模式時，打開制冷劑截止閥17、20和21，關(guān)閉制冷劑截止閥18，制冷劑不能反向流動。高溫高壓制冷劑分流，一方面經(jīng)冷凝器散熱后，冷卻高電壓蓄電池，并通過冷卻蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)乘客艙除濕，另一路高溫高壓制冷劑在熱泵換熱器散熱。當(dāng)車外光線強(qiáng)時，不必從空調(diào)出風(fēng)口吹冷氣，這是帶熱泵空調(diào)系統(tǒng)的另一個優(yōu)點(diǎn)。如果要加熱腳部空間，使用熱泵換熱器，不必浪費(fèi)電能，示意圖如圖15所示。

圖13 制冷模式示意圖

圖14 加熱模式示意圖

圖15 混合模式示意圖