朱永存、趙玉霞

（河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院 451191)

受世界能源危機(jī)和環(huán)境污染的影響以及電動(dòng)汽車(chē)污染小、噪聲低的特點(diǎn)，電動(dòng)汽車(chē)逐漸成為人們代步工具的主要選擇對(duì)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)2016年我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量均突破50萬(wàn)輛，2017年產(chǎn)量達(dá)到79萬(wàn)輛。本文主要研究了熱泵空調(diào)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用及發(fā)展。

1 純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的空調(diào)系統(tǒng)主要由兩部分組成，制冷系統(tǒng)采用的是由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的蒸汽壓縮式制冷，制熱系統(tǒng)主要是通過(guò)將冷卻液的熱量引入到車(chē)內(nèi)。純電動(dòng)汽車(chē)夏季制冷時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)是由電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)的，然而冬季沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)余熱，所以需要其他的方法來(lái)解決供暖問(wèn)題。由于純電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)能量來(lái)源不同，純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)主要存在以下幾種方案。

1.1 蒸汽壓縮式制冷+PTC電加熱供暖系統(tǒng)

夏季汽車(chē)制冷時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，制冷原理與燃油車(chē)相同，同樣能夠達(dá)到制冷的目的。冬季取暖時(shí)，通過(guò)消耗蓄電池的電量來(lái)加熱PTC，這種加熱方式目前是電動(dòng)汽車(chē)常用的一種方式。PTC加熱器分為兩種，一種是通過(guò)加熱液體采暖，一種是加熱空氣取暖。蒸汽壓縮式制冷+PTC電加熱供暖系統(tǒng)可靠性高，能夠滿足車(chē)內(nèi)成員對(duì)溫度調(diào)控的需要，但是熱效率低，能源利用率低，成本高，研究表明搭載該系統(tǒng)的車(chē)輛續(xù)航行使里程大約會(huì)降低1/3左右[1]。

1.2 利用余熱供暖系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車(chē)在工作過(guò)程中，利用變頻器、電機(jī)、電池等元件產(chǎn)生的熱量對(duì)車(chē)內(nèi)進(jìn)行加熱。研究表明此種模式下產(chǎn)生的溫度在50℃左右，普通制熱情況下能夠基本滿足乘車(chē)需要，但在較低的溫度下很難為車(chē)內(nèi)提供做夠的熱量。因此這種方案只能作為輔助制熱。

1.3 半導(dǎo)體式制冷/制熱空調(diào)系統(tǒng)

半導(dǎo)體式制冷/制熱空調(diào)系統(tǒng)利用特種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)，形成熱電偶對(duì)，產(chǎn)生珀?duì)柼?yīng)[2]。

該系統(tǒng)不需要任何制冷劑，沒(méi)有污染源，沒(méi)有震動(dòng)、噪音，既能制冷又能制熱，容易實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控制，制熱時(shí)間快，可以實(shí)現(xiàn)從+90～-130℃溫度范圍內(nèi)變化。目前存在著熱電材料的優(yōu)值系數(shù)較低，制冷性能不夠理想，并且熱電堆產(chǎn)量受到構(gòu)成熱電元件元素產(chǎn)量的限制，不具備電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)節(jié)能高效的要求。

1.4 熱泵空調(diào)系統(tǒng)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，利用制冷循環(huán)可逆轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，集制冷與制熱為一體，具有結(jié)構(gòu)緊湊、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為了國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家在電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)方面研究的熱點(diǎn)。該系統(tǒng)制冷效果良好，制暖效果會(huì)隨著外界溫度的變化而變化，制暖效果有待提高。

2 汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

熱泵空調(diào)系統(tǒng)是在原有蒸汽壓縮制冷的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，空調(diào)壓縮機(jī)直接由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。熱泵系統(tǒng)主要包括直流電動(dòng)機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、四通換向閥、車(chē)外換熱器、雙向膨脹閥和車(chē)內(nèi)換熱器等。

制冷模式下空調(diào)壓縮機(jī)在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下壓縮制冷劑，制冷劑通過(guò)四通換向閥來(lái)到了車(chē)外換熱器，車(chē)外換熱氣的作用是把高溫高壓制冷劑變成中溫高壓制冷劑，然后經(jīng)過(guò)雙向作用膨脹閥進(jìn)行節(jié)流作用轉(zhuǎn)換成低溫低壓制冷劑，制冷劑流經(jīng)車(chē)內(nèi)換熱器，吸收周?chē)鷾囟?，鼓風(fēng)機(jī)再把車(chē)內(nèi)換熱器的冷風(fēng)吹向駕駛室，從車(chē)內(nèi)換熱器出來(lái)的制冷劑經(jīng)過(guò)四通換向閥回到壓縮機(jī)進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。制熱模式下壓縮機(jī)壓縮制冷劑，經(jīng)過(guò)四通換向閥來(lái)到車(chē)內(nèi)換熱器，高溫高壓制冷劑經(jīng)過(guò)車(chē)內(nèi)換熱器時(shí)散發(fā)大量的熱，滿足車(chē)內(nèi)制熱需求，然后流經(jīng)雙向膨脹閥來(lái)到車(chē)外換熱器，車(chē)外換熱器吸收外界溫度后經(jīng)過(guò)四通換向閥又回到了空調(diào)壓縮機(jī)。

3 汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

3.1 耗電量低，提高續(xù)航行使里程。

熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比其他電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)能效比高。相關(guān)試驗(yàn)證明，在-10℃環(huán)境溫度下的制熱工況，電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能效比（COP）仍可以達(dá)到2.1以上，在制冷工況下，電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能效比（COP）也可以達(dá)到2.4左右[3]。

3.2 結(jié)構(gòu)緊湊

熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以沿用傳統(tǒng)燃油汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的部分設(shè)備不需要進(jìn)行大的改變，結(jié)構(gòu)相對(duì)比較穩(wěn)定?？照{(diào)壓縮機(jī)采用的是全封閉電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)，具有噪聲低、振動(dòng)小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，在-10～40℃的環(huán)境溫度下，均能夠以較高的效率提供舒適的乘車(chē)環(huán)境。

4 汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)研究處于初級(jí)階段，存在問(wèn)題比較多。例如在制冷循環(huán)時(shí)會(huì)出現(xiàn)排氣溫度過(guò)高，壓力過(guò)大，影響制冷效率；在給車(chē)室供暖時(shí)只是通過(guò)切換冷媒的流向來(lái)實(shí)現(xiàn)，制熱效率不高，低溫性能較差；針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)特點(diǎn)專(zhuān)門(mén)匹配和設(shè)計(jì)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)幾乎空白，導(dǎo)致量產(chǎn)搭載的系統(tǒng)很少[4]。雖然熱泵空調(diào)系統(tǒng)存在的問(wèn)題較多，但是阻擋不了人們對(duì)它的研究及其發(fā)展。

4.1 冷媒的最佳選擇

由于R134a作為空調(diào)壓縮機(jī)及制冷方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，目前汽車(chē)上應(yīng)用最廣的制冷劑是R134a。但是該制冷劑并不環(huán)保，而且價(jià)格比較貴。CO2作為天然制冷劑來(lái)源廣泛，成本低廉，安全無(wú)毒，不燃，無(wú)需回收和再生，其 ODP=0，GWP=1，是很好的環(huán)保型制冷劑。另外CO2的蒸發(fā)潛熱較大，具有相當(dāng)大的單位容積制冷量，系統(tǒng)性能更加高效，成為環(huán)保、高效的熱泵型純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)的研究的熱點(diǎn)。

4.2 低溫下更高效的換熱器

換熱器的作用就是能夠根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的需要與外界進(jìn)行熱量的交換，換熱器的體積、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工質(zhì)的選擇等都會(huì)影響空調(diào)系統(tǒng)的整體性能。所以對(duì)換熱器以上3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能夠相互匹配，相互協(xié)調(diào)，空調(diào)系統(tǒng)的換熱效率能夠達(dá)到最佳值。

4.3 更準(zhǔn)確、更節(jié)能的雙向膨脹閥

雙向膨脹閥主要是起到節(jié)流降壓的作用，如果不能夠準(zhǔn)確的控制節(jié)流量，就無(wú)法提高換熱器的換熱效率，開(kāi)發(fā)一種控制更精確、更節(jié)能的雙向膨脹閥是非常有必要的。

4.4 汽車(chē)空調(diào)模擬技術(shù)

空調(diào)系統(tǒng)零部件較多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，另外制冷劑流動(dòng)和和傳熱過(guò)程十分復(fù)雜，隨著對(duì)仿真建?？焖?、準(zhǔn)確的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)建模方式的不足也越來(lái)越明顯。需要一種新的模擬技術(shù)消除傳統(tǒng)建模消耗時(shí)間過(guò)多、準(zhǔn)確度不高的缺點(diǎn)，提高汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模擬效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有能效比高、耗電量低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，被人們所關(guān)注和研究。雖然熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究進(jìn)入了一定的實(shí)質(zhì)階段，但筆者認(rèn)為如何提高低溫下熱泵系統(tǒng)的制熱效率是目前亟待解決的問(wèn)題。

[1]劉海彪.電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱工況的模擬研究[D].北京:北京理工大學(xué),2015.

[2]李春明,劉銳.電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)原理與檢修[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,2018.

[3]姬園,胡凱,杜沛.電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)可行性分析.鄭州:海馬轎車(chē)有限公司,2009.

[4]陳通.純電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能研究及優(yōu)化[D].中原工學(xué)院.2016

[5]鐘會(huì)球.電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究[D].浙江大學(xué)動(dòng)力工程,2012.