史德福 吳健 胡嵐 趙春晨

1.天津市公用技師學(xué)院 天津市 300380 2.天津市制冷學(xué)會 天津市 300134

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，汽車行業(yè)作為能源消耗的大戶正面臨著進一步的產(chǎn)業(yè)革命與技術(shù)創(chuàng)新。汽車空調(diào)作為現(xiàn)代汽車不可缺少的一部分，在改善駕乘人員駕乘環(huán)境的同時，也消耗著一部分汽車能源[1]，一般汽車空調(diào)制冷消耗的能源比例占到整個汽車能耗的15%左右[2]，純電動汽車采用電加熱器加熱供暖所消耗的電能占到整個蓄電池的33%[3],甚至更高。為了實現(xiàn)純電動汽車取代燃油汽車的目標(biāo)，保證純電動汽車的續(xù)航里程，在提高電動汽車百公里電耗的同時，減少汽車空調(diào)能耗是減少汽車綜合能耗的途徑之一。隨著汽車空調(diào)技術(shù)的不斷發(fā)展，新替代制冷劑與新空調(diào)技術(shù)也在汽車中得到應(yīng)用[4-5]。本文通過分析燃油汽車空調(diào)與純電動汽車空調(diào)在制冷原理、制熱原理、汽車空調(diào)控制原理的異同，來不斷改善和完善汽車空調(diào)技術(shù)，為純電動汽車空調(diào)的不斷創(chuàng)新發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 汽車空調(diào)制冷原理

夏季，汽車空調(diào)用于制冷，其作用是對車內(nèi)空氣或由外部進入車內(nèi)的新鮮空氣進行冷卻、除濕，為車內(nèi)提供冷氣，使車廂內(nèi)變得涼爽舒適[6]。純電動汽車與燃油汽車空調(diào)在夏季制冷原理相同，都是通過蒸汽壓縮來實現(xiàn)制冷，不同之處在于燃油汽車壓縮機為皮帶驅(qū)動，驅(qū)動力來自發(fā)動機，所消耗的能源為燃油；純電動汽車壓縮機為電驅(qū)動，驅(qū)動力來自電機，所消耗的能源為電能[7]。

1.1 燃油汽車

汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)是利用蒸氣壓縮制冷裝置來實現(xiàn)制冷[8]，通過反復(fù)的將制冷劑壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)，不斷在蒸發(fā)器中吸熱氣化，使蒸發(fā)器始終保持很低的溫度，再通過鼓風(fēng)機將熱空氣通過蒸發(fā)器，使熱空氣與蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑進行熱交換，降溫后的空氣送入車廂內(nèi)，滿足夏季人們對車廂溫度的需求。

圖1 燃油汽車制冷原理

1.2 純電動汽車

純電動汽車是通過蓄電池電池組的直流電由逆變器為空調(diào)壓縮機驅(qū)動電動機供電，空調(diào)電動機帶動壓縮機旋轉(zhuǎn)，從而形成制冷循環(huán)，產(chǎn)生制冷效果。與傳統(tǒng)燃油汽車不同的是，制冷系統(tǒng)要參與整車的熱管理系統(tǒng)，一部分制冷劑經(jīng)過節(jié)流閥后，進入動力蓄電池單元的換熱器中，對動力蓄電池冷卻降溫。純電動汽車壓縮機選用的是直流電機供電，一般為渦旋式壓縮機[9]，相較于燃油汽車空調(diào)斜盤式壓縮機，渦旋式壓縮機具有體積小、重量輕的特點。直流壓縮機可通過直流變頻技術(shù)實現(xiàn)制冷系統(tǒng)的能量調(diào)節(jié)，達到節(jié)約能源的目的。

圖2 純電動汽車制冷原理

2 汽車空調(diào)制熱原理

冬季，汽車空調(diào)用于制熱，對車廂內(nèi)空氣或進入車內(nèi)的外部空氣進行加熱，滿足人們冬季對溫度舒適性的要求。燃油汽車與純電動汽車在制熱方式上有較大區(qū)別，燃油汽車制熱利用發(fā)動機冷卻液或排出廢氣的余熱作為熱源，而純電動汽車制熱消耗的是電能。

2.1 燃油汽車

車廂空間較小的燃油汽車冬季供熱采用的是余熱回收，利用發(fā)動機冷卻液的熱量或發(fā)動機內(nèi)燃油燃燒的廢氣的熱量。根據(jù)熱源的不同，主要有水暖式暖風(fēng)系統(tǒng)和氣暖式暖風(fēng)系統(tǒng)。

燃油汽車發(fā)動機在工作時，需要對發(fā)動機氣缸進行降溫，冬季供暖可以利用這部分熱量。水暖式暖風(fēng)系統(tǒng)通過發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的水泵來實現(xiàn)制熱循環(huán)。熱源來自發(fā)動機，通過閥門切換，使高溫冷卻液流過加熱器芯，再用鼓風(fēng)機將冷空氣吹過加熱器，冷空氣被加熱送入車廂中，使車廂內(nèi)溫度升高來滿足冬季人們的乘車溫度要求。

圖3 燃油汽車水暖供暖原理

2）氣暖式暖風(fēng)系統(tǒng)

采用風(fēng)冷冷卻發(fā)動機的燃油汽車可以采用氣暖式暖風(fēng)系統(tǒng)。氣暖式暖風(fēng)系統(tǒng)利用發(fā)動機燃油燃燒排除的廢氣余熱或冷卻發(fā)動機后的灼熱空氣作為熱源，通過熱交換器加熱冷空氣，再把加熱后的空氣輸送到車廂內(nèi)進行供暖，滿足車廂內(nèi)溫度的需求。

不管是水暖式暖風(fēng)系統(tǒng)還是氣暖式暖風(fēng)系統(tǒng)，其熱源均來自發(fā)動機工作產(chǎn)生的熱量，為免費熱源，僅消耗水泵與風(fēng)機的電量，因此，燃油汽車空調(diào)冬季供暖耗能極小。

2.2 純電動汽車

純電動汽車由于沒有發(fā)動機，不需要冷卻液對發(fā)動機進行冷卻，因此，冬季供熱沒有免費的熱源。因此，純電動汽車冬季供熱需要消耗部分電能。純電動汽車可采用PTC電加熱器、熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱。

1）PTC加熱器

PTC熱敏電阻通電后會自熱升溫，隨著溫度的持續(xù)升高，其電阻值也會相應(yīng)的增大。當(dāng)溫度升高到一定程度時，PTC熱敏電阻表面溫度將保持在恒定值不變，即PTC熱敏電阻具有恒溫發(fā)熱性。PTC加熱器由PTC元件、鋁散熱片、銅片組成。PTC加熱器可直接加熱空氣也可以用PTC加熱器加熱冷卻液以加熱空氣。直接加熱空氣是將PTC加熱器安裝在空調(diào)暖風(fēng)出風(fēng)口處。間接加熱空氣是先加熱冷卻液，通過水泵將熱量輸送到暖風(fēng)散熱器。當(dāng)車內(nèi)需要供暖時，PTC加熱器在控制電路的控制下工作，對車內(nèi)循環(huán)空氣或車外空氣進行加熱，再由鼓風(fēng)機將熱風(fēng)送入車廂內(nèi)完成供熱。

圖4 PTC直接加熱供暖原理圖

圖5 PTC間接加熱供暖原理

2）熱泵空調(diào)系統(tǒng)

汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)主要由電驅(qū)動壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器、儲液干燥、鼓風(fēng)機、閥門等組成。熱泵空調(diào)系統(tǒng)通過閥門切換，來實現(xiàn)制冷與制熱模式的切換。主要原理是通過蒸汽壓縮循環(huán)，與制冷不同的是，供熱時，蒸發(fā)器與冷凝器功能互換。相較于PTC加熱器供暖，熱泵空調(diào)系統(tǒng)供熱效率高，節(jié)能效果好[10]。純電動汽車根據(jù)熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，可以分為直接熱泵空調(diào)系統(tǒng)和間接熱泵空調(diào)系統(tǒng)兩大類[11]。直接熱泵空調(diào)系統(tǒng)熱泵換熱器直接加熱空氣，間接熱泵空調(diào)系統(tǒng)通過熱交換器將熱量交換到冷卻液中，再將冷卻液中的熱量釋放到車廂中供暖。

圖6 直接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖

圖7 間接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理

3 汽車空調(diào)控制系統(tǒng)

汽車空調(diào)的控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的神經(jīng)元系統(tǒng)，控制系統(tǒng)主要由傳感器、空調(diào)控制單元與執(zhí)行器等組成。通過控制系統(tǒng)的控制，使空調(diào)正常運行，當(dāng)汽車空調(diào)出現(xiàn)故障時，還會報警，提示故障類型。

3.1 燃油汽車

隨著空調(diào)技術(shù)的發(fā)展，汽車空調(diào)控制方式先后出現(xiàn)了手動控制方式、半自動控制方式、全自動控制方式，以及更先進的微電腦控制的自動控制方式。燃油汽車的汽車空調(diào)主要是控制送風(fēng)溫度、鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速、工作模式、進氣模式與壓縮機等。手動空調(diào)通過人工去執(zhí)行壓縮機的啟停、風(fēng)機轉(zhuǎn)速的大小、送風(fēng)口位置、送風(fēng)溫度的高低，自動空調(diào)只要設(shè)置送風(fēng)溫度，通過傳感器檢測汽車工作中的信息參數(shù)，并將其傳送到控制單元ECU中，經(jīng)處理單元ECU分析、比較、運算后，再將執(zhí)行信號傳輸給執(zhí)行器完成。

3.2 純電動汽車

純電動汽車汽車空調(diào)需要整車控制器VCU來完成控制，通過整車控制器采集空調(diào)開關(guān)信號、空調(diào)壓力開關(guān)信號、蒸發(fā)器溫度信號、風(fēng)速信號以及環(huán)境溫度信號，再通過控制局域網(wǎng)絡(luò)CAN總線傳輸給空調(diào)控制器，再由空調(diào)控制器控制壓縮機啟停、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、PTC加熱器等的工作。由于純電動汽車空調(diào)是通過電機帶動壓縮機旋轉(zhuǎn)工作，可通過對電機輸入功率的控制來實現(xiàn)汽車空調(diào)的變功率調(diào)節(jié)。通過變功率調(diào)節(jié)，可以精確的控制車廂內(nèi)溫度，不但能提高駕乘人員的舒適度，還能節(jié)約電能的消耗，延長續(xù)航里程。

4 純電動汽車空調(diào)發(fā)展展望

隨著純電動汽車技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，與之配套的汽車空調(diào)也應(yīng)該進行技術(shù)創(chuàng)新，已達到節(jié)能的目的。為了保證純電動汽車的續(xù)航里程，在增加電池蓄電量的同時也要減少夏季制冷與冬季制熱所消耗的電量。

1）采用能源控制與變頻技術(shù)，通過對車廂內(nèi)溫度的監(jiān)控來精確的改變供冷量與供熱量的輸出，在滿足車廂內(nèi)人員舒適度要求的同時，最大限度的節(jié)約電能。

2）采用熱回收技術(shù)，回收部分熱量作為冬季車廂內(nèi)供熱的熱源。純電動汽車的電池、電機、電機控制器等在能量轉(zhuǎn)換時會釋放熱量，汽車在行駛過程中，剎車制動時也會產(chǎn)生熱量，可以將這部分熱量回收用于供熱，以減少冬季供暖所消耗的電量。

3）開發(fā)新的技術(shù)，使熱泵能夠在冬季低溫環(huán)境正常運行。借鑒民用熱泵技術(shù)，采用噴氣增焓或復(fù)疊式熱泵技術(shù)手段，解決汽車空調(diào)熱泵冬季低溫制熱慢和制熱量不足，并保持較高的COP值。

4）用二氧化碳制冷劑系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)R134a制冷劑系統(tǒng)。二氧化碳系統(tǒng)具有良好的制冷、制熱能力，單位容積制冷量是R134a的7.9倍。適合在沒有足夠熱源的純電動汽車上使用。隨著二氧化碳系統(tǒng)成本的降低、可靠性的提高，二氧化碳系統(tǒng)將會逐步替代R134a制冷劑的空調(diào)系統(tǒng)。

5 結(jié)語

汽車空調(diào)作為汽車不可缺少的一部分，不管是燃油汽車空調(diào)還是純電動汽車空調(diào)在改善駕乘舒適度的同時也消耗著大量能源。因此，要不斷改進和優(yōu)化汽車空調(diào)系統(tǒng)，提高汽車空調(diào)性能的同時，降低汽車空調(diào)的能耗。純電動汽車是未來汽車市場發(fā)展的主力軍，通過分析傳統(tǒng)燃油汽車空調(diào)與純電動汽車空調(diào)的異同，更好的借鑒燃油汽車空調(diào)的技術(shù)來發(fā)展純電動汽車空調(diào)。通過迎合電動汽車特點，采用新技術(shù)、新方法不斷完善純電動汽車空調(diào)技術(shù)的發(fā)展。