汪琳琳，焦鵬飛，王 偉，伊虎城，牟連嵩，劉雙喜，許 翔

(1. 天津大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300072；2. 中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司，天津 300300；3. 中汽研(常州)汽車工程研究院有限公司，常州 213164)

前言

隨著大氣污染日益加重和電動化技術(shù)快速發(fā)展，新能源汽車取代傳統(tǒng)燃油汽車已是大勢所趨。在國內(nèi)，大部分量產(chǎn)新能源電動汽車冬季仍采用高耗能電加熱器供暖技術(shù)，嚴重影響汽車的經(jīng)濟性和續(xù)航里程。在低溫－10 ℃時，采用電加熱器(positive temperature coefficient，PTC)采暖能使電動汽車的續(xù)航里程下降50%以上，而利用熱泵空調(diào)系統(tǒng)采暖可以使續(xù)航里程改善35%以上[1]。因此，采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)采暖可以有效提高電動汽車采暖的高能效比，有效延長續(xù)航里程，是重要的降低電動汽車能耗的技術(shù)手段。

表1 是目前國內(nèi)外量產(chǎn)電動汽車采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的車型。國內(nèi)外已量產(chǎn)搭載熱泵空調(diào)系統(tǒng)的新能源電動汽車中，目前幾乎所有都使用傳統(tǒng)制冷劑R134a。并且，在這些量產(chǎn)車型中有一半以上限制了熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度不能低于－10 ℃，這是制冷劑物性和系統(tǒng)架構(gòu)原因所導(dǎo)致的限制。在冬季更加寒冷的北方地區(qū)，單使用熱泵空調(diào)系統(tǒng)不能滿足采暖的需求并會影響乘員的熱舒適性。

表1 國內(nèi)外采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)電動汽車車型

提高熱泵空調(diào)系統(tǒng)在冬季采暖的能效，減少因開啟熱泵空調(diào)系統(tǒng)導(dǎo)致電動汽車續(xù)航里程的下降，是目前推廣新能源電動汽車廣泛應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。為解決熱泵空調(diào)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下有效采暖并提高乘員艙的熱舒適性，本文中對熱泵空調(diào)系統(tǒng)的利用提出了3 種解決方案并進行了分析。一是回收電池與電驅(qū)的余熱；二是蒸汽噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)；三是利用 CO2制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。各方案都有其各自的特點和使用限制，應(yīng)根據(jù)實際情況逐步過渡采用不同方式推廣熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用，提升關(guān)鍵技術(shù)的同時，提高電動汽車的續(xù)航里程。

1 我國關(guān)于電動汽車的相關(guān)政策與評價標準和分析

1.1 相關(guān)政策與評價標準

國家的相關(guān)扶持政策是新能源汽車產(chǎn)業(yè)化進程的直接助推器。為應(yīng)對氣候變化、推動綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措，2012年國務(wù)院發(fā)布實施《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012－2020)》，將純電動汽車確定為新能源汽車發(fā)展和汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略路線，新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了舉世矚目的成就，成為引領(lǐng)世界汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要力量。2019年我國汽車銷量2 576.9 萬輛，其中新能源汽車銷量120.6 萬輛，滲透率為4.7%。為推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，加快建設(shè)汽車強國，工信部于2019年12月發(fā)布了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021－2035年)》征求意見稿，意見稿明確到2025年，新能源汽車新車銷量占比達25%左右。因此，需進一步強化部門協(xié)同，完善支持政策，積極穩(wěn)定和擴大新能源汽車消費，堅定不移地推動產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

制定新能源電動汽車的國家標準對于規(guī)范生產(chǎn)、提高質(zhì)量和增強消費者信息至關(guān)重要，是新能源電動汽車推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。表2 是我國純電動汽車國家標準總匯，包括在2020年5月最新發(fā)布的關(guān)于電動汽車安全要求的標準。

表2 我國純電動汽車國家標準總匯

1.2 EV-TEST(電動汽車測評)

為引導(dǎo)我國汽車企業(yè)生產(chǎn)節(jié)能環(huán)保的新能源純電動汽車，并方便消費者挑選合適的電動汽車，中國汽車技術(shù)研究中心結(jié)合電動汽車標準與技術(shù)，在2017 版的基礎(chǔ)上發(fā)布了 2019 版《EV－TEST (電動汽車測評)管理規(guī)則》[2]。從EV－TEST 指標體系中可以看出續(xù)航與電耗在各測評項目中的權(quán)重占比較大，以常規(guī)車為例占總指標的30%。其中高低溫續(xù)航里程合計權(quán)重占比11%。電動汽車在高低溫行駛過程中，由于電池衰減和電池?zé)峁芾?，加上制冷與采暖功能的利用，使電動汽車的續(xù)航里程有所下降。因此，在高低溫環(huán)境時，對乘員艙采暖、制冷以及對電池進行溫度管理的電量消耗對電動汽車的續(xù)航與電耗評價的高低尤為重要，在評價體系中作為重要指標進行考核。

表3 和表4 分別是高溫/低溫續(xù)駛里程評分表，以高溫/低溫續(xù)駛里程相對常溫續(xù)駛里程下降率為評分依據(jù)。其中，制冷與采暖性能，根據(jù)規(guī)定也計入評分，最高扣除20 分。

在高溫情況下，空調(diào)開啟制冷功能對乘員艙進行降溫的同時，需要根據(jù)電池的溫度對電池進行有效散熱保證乘車安全。目前國內(nèi)大部分配有空調(diào)系統(tǒng)的電動汽車都利用空調(diào)系統(tǒng)對電池進行間接冷卻的方法有效散熱。因此，空調(diào)系統(tǒng)的效率在很大程度上決定了電動汽車在高溫續(xù)航里程的下降率，是評價電動汽車能耗的重要系統(tǒng)。

表3 高溫續(xù)駛里程評分表[2]

在低溫情況下，續(xù)航里程下降率的評分要求比高溫情況低。一是因為電池容量在低溫環(huán)境下會嚴重衰減，二是因為乘員艙采暖需要消耗電能。目前，量產(chǎn)電動汽車在低溫環(huán)境下對乘員艙采暖的同時都會對電池進行加熱，利用PTC 電加熱器或熱泵系統(tǒng)加熱的方式。利用PTC 加熱的效率較低，制熱能效系數(shù)(coefficient of performance，COP)一般約為0.9，使電動汽車續(xù)航里程下降率較大。而利用熱泵空調(diào)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下制熱COP 一般大于1.5，節(jié)能效果明顯優(yōu)于PTC，可有效減少電動汽車續(xù)航里程的下降率。因此，根據(jù)評分規(guī)則，平衡電動汽車續(xù)航里程下降率與達到乘員艙的目標溫度的時間，利用熱泵空調(diào)系統(tǒng)與PTC 電加熱器相結(jié)合，有效控制優(yōu)化PTC 開啟時間，對提升電動汽車的性能非常重要。

表4 低溫續(xù)駛里程評分表[2]

2 制冷劑R1234yf 熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能試驗研究

溫室效應(yīng)使地球表面的溫度上升，引起全球性氣候反常，氟利昂等制冷劑的使用對此有著重要的影響。而汽車空調(diào)系統(tǒng)一直是泄漏到大氣中制冷劑的主要來源之一。目前汽車空調(diào)研究主要集中在以R134a、R1234yf 和R744(CO2)為制冷劑的空調(diào)系統(tǒng)。R134a 是全世界的汽車空調(diào)供應(yīng)商采用的主要制冷劑，其全球變暖潛質(zhì)GWP 高達1 420，在歐盟地區(qū)已嚴禁使用，隨著《蒙特利爾議定書》基加利修正案的簽訂和生效，R134a 在我國也將被逐步淘汰。R1234yf 作為替代制冷劑之一，其GWP 為4，物性與R134a 相近，在汽車空調(diào)上只需對零部件與系統(tǒng)進行適當(dāng)優(yōu)化便可直接替代R134a 使用。通過理論與試驗研究對制冷劑R1234yf 與R134a 熱泵系統(tǒng)性能進行了對比分析[3－5]。結(jié)果表明，R1234yf 熱泵系統(tǒng)的制熱 COP 和制熱量比 R134a 系統(tǒng)低10%以內(nèi)。

本文中利用直接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)通過試驗對制冷劑R134a 與R1234yf 的臺架性能進行了對比分析。圖1 是乘用車用直接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)圖。壓縮機出口的高溫高壓氣體經(jīng)過室內(nèi)冷凝器與空氣換熱后經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流，在室外換熱器中吸熱后進入氣液分離器后回到壓縮機。電池溫度管理通過熱泵系統(tǒng)冷卻和PTC 加熱進行。

圖1 直接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)

圖2 和圖3 分別是制冷劑 R134a 與 R1234yf 的熱泵系統(tǒng)在冬季工況下的制熱量與制熱COP 的對比。試驗主要考察了電動汽車在低溫冷起動時和在部分新風(fēng)負荷工況時的熱泵系統(tǒng)性能。試驗結(jié)果表明，在相同試驗條件和設(shè)備的情況下，制冷劑R1234yf 的制熱量比R134a 低約5%左右，而制冷劑R1234yf 的制熱COP 比R134a 低約10%左右。

圖2 R134a 與R1234yf 熱泵系統(tǒng)的制熱量

圖3 R134a 與R1234yf 熱泵系統(tǒng)的制熱COP

3 電動汽車低溫?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)方案

3.1 余熱回收

利用汽車行駛過程中電池、電機和發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量，可以將熱泵空調(diào)系統(tǒng)通過優(yōu)化控制策略與精確的控制實現(xiàn)不同零部件之間熱量的轉(zhuǎn)移。在低溫冷起動時，乘員艙中對熱負荷的需求較大，而電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)和電池在達到一定溫度時有散熱需求。利用回收電驅(qū)動系統(tǒng)和電池回路的余熱，提高熱泵空調(diào)系統(tǒng)能效的同時，優(yōu)化整車的能量消耗。

圖4 是奧迪 Q7 e－tron 的熱管理架構(gòu)圖[6]，在冬季，純電驅(qū)動模式中可回收電驅(qū)系統(tǒng)和電池回路的余熱作為熱泵空調(diào)系統(tǒng)的熱源。圖5 是在環(huán)境溫度5 ℃時利用電機余熱作為熱泵空調(diào)系統(tǒng)熱源時整車的能量流圖[6]?？梢钥闯?，將1.7 kW 的電機驅(qū)動余熱作為熱泵空調(diào)系統(tǒng)的低溫?zé)嵩?，電動壓縮機和風(fēng)扇電機等消耗2.5 kW 的能量，可給乘員艙提供3.4 kW 的熱量。但是隨著環(huán)境溫度的降低，電機與電池的發(fā)熱量將會減少，余熱回收的能量有限。

圖4 奧迪Q7 e－tron 熱管理架構(gòu)圖[6]

圖5 余熱利用時整車能量流圖[6]

Promme 在環(huán)境溫度－10 ℃時，利用電池余熱作為熱泵系統(tǒng)的輔助熱源提高制熱效率[7]。試驗結(jié)果顯示，熱泵系統(tǒng)的制熱量是2.5 kW，其中有0.5 kW來自電池余熱，約占總制熱量的20%。閆福瓏[8]搭建了CO2純電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能仿真模型，并利用了電機冷卻熱水作為熱泵系統(tǒng)的輔助熱源，試驗結(jié)果表明，電機冷卻效率提高的同時，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱COP 也有提高，最大提高約40%。

但是，余熱回收的方式受環(huán)境溫度影響較大且回收熱量有限，因此可作為輔助加熱手段為熱泵空調(diào)系統(tǒng)提供部分有效熱量。

3.2 蒸汽噴射熱泵系統(tǒng)

周光輝等[9]搭建了R134a 純電動汽車帶蒸汽噴射裝置的低溫?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)。環(huán)境溫度－15 ℃時，制熱量約2.5 kW，制熱 COP 約1.6。趙家威等[10]搭建了R134a 電動汽車二級壓縮噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)節(jié)能可達10%～15%，整車續(xù)航里程提高約10 km。許樹學(xué)等[11－12]搭建了帶閃蒸罐的蒸汽噴射低溫?zé)岜孟到y(tǒng)實驗臺，－25 ℃補氣后 R134a 的制熱量提高 8.6%，R1234yf 提高 17.4%，R134a 的制熱COP 提高5.5%，R1234yf 提高12.9%，試驗結(jié)果說明，蒸汽噴射對制熱量和制熱COP 的提升，R1234yf優(yōu)于R134a。

本文中利用制冷劑R1234yf，考察了在低溫冷起動時蒸汽噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)臺架的性能。圖6 是乘用車用蒸汽噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)圖。室內(nèi)冷凝器高壓低溫制冷劑經(jīng)過經(jīng)濟器，與經(jīng)濟器另一側(cè)的低溫中壓制冷劑進行換熱。經(jīng)濟器一側(cè)的高壓低溫制冷劑進一步冷卻后經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流降溫降壓后進入室外換熱器。經(jīng)濟器另一側(cè)出口的低溫中壓氣態(tài)制冷劑進入壓縮機補氣。一方面通過經(jīng)濟器換熱，制冷劑進一步過冷，降低高壓側(cè)壓力，降低壓縮機比，減少了耗功，提高制熱量，提高熱泵系統(tǒng)的制熱COP。另一方面蒸氣噴射增加了壓縮機的制冷劑流量，從而進一步增加了冷凝器的換熱量。

圖6 蒸汽噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)

圖7 為蒸汽噴射循環(huán)壓焓圖。蒸汽噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)計算公式如下。

圖7 蒸汽噴射循環(huán)壓焓圖

式中:m0為壓縮機噴氣口的質(zhì)量流量；m1為蒸發(fā)器質(zhì)量流量；m2為室外冷凝器質(zhì)量流量。

圖 8 和圖 9 分別是環(huán)境溫度從－5 到－20 ℃、開蒸汽噴射與不開蒸汽噴射的系統(tǒng)在相同冷凝溫度和蒸發(fā)溫度下的系統(tǒng)制熱量和制熱COP(每組環(huán)境溫度的冷凝溫度不同)。由數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，開蒸汽噴射比不開蒸汽噴射時系統(tǒng)制熱COP 高約10%～30%，環(huán)境溫度越低，制熱COP 改善越明顯。這是由于在相同冷凝溫度和蒸發(fā)溫度下，開啟蒸汽噴射回路后，壓縮機耗功減小，系統(tǒng)效率增大。并且在相同冷凝溫度和蒸發(fā)溫度下，有蒸汽噴射比不開蒸汽噴射時換熱器進口焓值略增加，換熱量略高，但基本差別不大。

圖8 開與不開蒸汽噴射系統(tǒng)制熱量比較

圖9 開與不開蒸汽噴射系統(tǒng)的制熱COP 比較

圖10 是在汽車低溫冷起動條件下考察蒸汽噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)最大制熱性能的測試結(jié)果，并考察了系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下的最大冷凝溫度。實際中在單獨開啟熱泵系統(tǒng)不需要PTC 輔助加熱時，為保證乘員艙的熱舒適性，不僅需要滿足乘員艙所需熱負荷，熱泵系統(tǒng)的冷凝溫度也要至少大于45 ℃才能使出風(fēng)口溫度不低于人體溫度。試驗結(jié)果證明，利用制冷劑R1234yf 的蒸汽噴射熱泵系統(tǒng)，在環(huán)境溫度－12 ℃以下的低溫冷起動時，制熱量和冷凝溫度較低，需要同時開啟PTC 來保證乘員艙的熱舒適性。隨著乘員艙和熱泵系統(tǒng)冷凝溫度的升高，出風(fēng)口的出風(fēng)溫度逐漸升高到設(shè)定溫度時可關(guān)閉PTC加熱器，節(jié)省系統(tǒng)耗電量。

圖10 蒸汽噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)最大制熱性能

3.3 乘用車用自然制冷劑CO2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)

由于我國對能源利用效率與環(huán)境保護日益加強，未來自然制冷劑將成為重要選擇的方向。

CO2來源廣泛，價格低廉，溫室效應(yīng)GWP 為1。使用CO2替代R134a 用于汽車空調(diào)是緩解溫室效應(yīng)的可行措施，利用CO2作為汽車熱泵與空調(diào)的制冷劑是未來具有競爭力的選擇。

挪威、德國從1992年開始對CO2用于汽車空調(diào)的可能性進行了理論與實驗研究[13－15]。日本電裝于2002年將CO2汽車空調(diào)搭載在燃料電池混合動力商用車上進行了實驗研究，并改良了換熱器的管材和接頭[16]。我國于2000年以后，先后在上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、西安交通大學(xué)等開始對CO2汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)進行了理論與實驗研究[17－19]。

McEnaney 等[20]通過試驗對比了CO2與R134a作為制冷劑的汽車空調(diào)系統(tǒng)性能，CO2汽車空調(diào)采用了微通道蒸發(fā)器與氣體冷卻器，而R134a 系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的管翅式換熱器，在相同運行工況下，CO2和R134a 系統(tǒng)的性能相當(dāng)。俞彬彬等[21]開發(fā)的帶有內(nèi)部熱交換器的跨臨界CO2電動汽車空調(diào)系統(tǒng)在標準工況下與如今仍在普遍使用的傳統(tǒng)制冷劑R134a系統(tǒng)性能相當(dāng)。

Kim 等[22]共同研究了應(yīng)用在燃料電池汽車上的CO2熱泵汽車空調(diào)系統(tǒng)。將燃料電池的散熱片設(shè)置在室外換熱器的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)，試驗結(jié)果表明，利用燃料電池余熱集成在熱泵空調(diào)系統(tǒng)中可使系統(tǒng)的制熱量和制熱COP 分別提高54%和22%。

Steiner 等[23]對電動汽車CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)的除霜過程進行了理論和試驗分析，通過高低壓轉(zhuǎn)換閥實現(xiàn)熱泵系統(tǒng)的逆向循環(huán)用于除霜，結(jié)果表明，融霜在2 min 內(nèi)完成，且節(jié)流閥開度對融霜有影響并存在最佳值。

以CO2為制冷劑的熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境－20 ℃下能夠快速與穩(wěn)定地為乘員艙提供熱量，給車內(nèi)提供更高的供熱溫度，對復(fù)雜的汽車氣候控制系統(tǒng)具有較大的開發(fā)價值。Hammer 和Wertenbach[24]利用德國奧迪A4 汽車，比較了以發(fā)動機冷卻水作為熱源的標準暖風(fēng)芯體加熱器和CO2熱泵系統(tǒng)，試驗結(jié)果表明，CO2熱泵系統(tǒng)明顯升溫更快，從－20 ～20 ℃的升溫時間幾乎減少了50%，表明了CO2作為制冷劑的熱泵系統(tǒng)在節(jié)能與熱舒適性上的優(yōu)勢。Tamura等[25]在R134a 空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造并設(shè)計了CO2熱泵汽車空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)利用冬季車內(nèi)除濕時放出的熱量作為熱泵系統(tǒng)的熱源。

4 結(jié)論

純電動汽車在低溫環(huán)境下續(xù)航里程的減少是影響其發(fā)展的主要因素之一。本文中分析了3 種用于純電動汽車低溫環(huán)境熱泵空調(diào)系統(tǒng)的解決方案。

(1)利用余熱回收方式需優(yōu)化整車能量消耗，熱管理系統(tǒng)復(fù)雜，集成度較高，且由于隨環(huán)境溫度降低回收熱量有限，僅可作為輔助加熱手段。

(2)利用傳統(tǒng)制冷劑R134a 蒸汽噴射系統(tǒng)可作為低溫?zé)岜孟到y(tǒng)的解決方案之一。新型制冷劑R1234yf 的蒸汽噴射系統(tǒng)的制熱效果提升較明顯，亦可作為制冷劑替代的過渡階段。

(3)自然制冷劑CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)，不僅是環(huán)保制冷劑，由于其在低溫環(huán)境下制熱的能力較高且穩(wěn)定，是未來純電動汽車低溫?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)的最佳解決方案。