摘 要：低碳零碳技術(shù)是當(dāng)前企業(yè)新的競(jìng)爭(zhēng)力，作為汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳零碳最好的出路是發(fā)展電動(dòng)汽車。對(duì)于電動(dòng)汽車，備受關(guān)注的是電池續(xù)航里程，而作為汽車上不可缺少的空調(diào)系統(tǒng)，會(huì)減少一部分電池續(xù)航里程。出于節(jié)能環(huán)保，降低對(duì)續(xù)航里程的影響，主要介紹電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)在發(fā)展中出現(xiàn)的，電動(dòng)壓縮機(jī)制冷+PTC制熱的系統(tǒng)、節(jié)能的熱泵系統(tǒng)及制冷劑的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 制冷 PTC制熱 熱泵系統(tǒng) 制冷劑

1 前言

為響應(yīng)碳達(dá)峰碳中和，保護(hù)環(huán)境的政策，對(duì)于汽車行業(yè)首要做的就是嚴(yán)格控制化石能源消費(fèi)，推廣節(jié)能低碳型交通工具，加快發(fā)展新能源車。低碳零碳技術(shù)是當(dāng)前企業(yè)新的競(jìng)爭(zhēng)力，作為汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳零碳最好的出路是發(fā)展電動(dòng)汽車。中國新能源汽車行業(yè)進(jìn)幾年得到了快速的發(fā)展。行業(yè)普遍預(yù)測(cè)2022年國內(nèi)新能源汽車銷量將超過650萬輛，2023年新能源汽車銷售可達(dá)到800萬-1000輛。在電動(dòng)汽車發(fā)展的同時(shí)，其配套的空調(diào)系統(tǒng)也發(fā)了很大的變化，傳統(tǒng)的汽油車空調(diào)制冷與制熱都不離開發(fā)動(dòng)機(jī)，而在純電動(dòng)汽車由于沒有了發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力和熱源，使得純電動(dòng)汽車在發(fā)展的過程中，對(duì)其配套的汽車空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展也是不容忽視的[1]。

對(duì)于電動(dòng)汽車的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)主要出現(xiàn)了壓縮機(jī)制冷+PTC制熱的系統(tǒng)、熱泵空調(diào)系統(tǒng)。其中電動(dòng)壓縮機(jī)制冷+PTC制熱的系統(tǒng)是主流的形式。

2 電動(dòng)壓縮機(jī)制冷+PTC制熱的系統(tǒng)

2.1 電動(dòng)壓縮機(jī)制冷

圖1為電動(dòng)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)原理圖，制冷時(shí)，高溫高壓氣體從壓縮機(jī)排出，進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中冷卻成高壓中溫的液體制冷劑，進(jìn)入膨脹閥進(jìn)行節(jié)流降壓成氣液兩相混合物，進(jìn)入蒸發(fā)器與空調(diào)進(jìn)入熱交換，吸收熱量后液體汽化，經(jīng)壓縮機(jī)吸氣管被壓縮機(jī)吸入壓縮成高溫高壓氣體后再排出，如此循環(huán)。電動(dòng)汽車空調(diào)與傳統(tǒng)汽油車空調(diào)的原理一樣，只是在壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方面不一樣而導(dǎo)致系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)不同。傳統(tǒng)汽油車空調(diào)的壓縮機(jī)由于有發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力而選用機(jī)械式的壓縮機(jī)，而電動(dòng)汽車由于沒有了發(fā)動(dòng)機(jī)，所以在電動(dòng)汽車空調(diào)上選用由動(dòng)力電池提供動(dòng)力的電動(dòng)壓縮機(jī)。但是對(duì)于電動(dòng)汽車其續(xù)航里程受到整車動(dòng)力電池的限制，而電動(dòng)壓縮機(jī)又是能耗較大的零部件，為了盡量減少空調(diào)制冷系統(tǒng)對(duì)整車?yán)m(xù)航里程的影響，可在電動(dòng)壓縮機(jī)的選用，性能匹配、控制策略的合理性上進(jìn)行優(yōu)化[1]。

2.2 電動(dòng)汽車空調(diào)制熱系統(tǒng)

電動(dòng)汽車制熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽油車完全不同，傳統(tǒng)汽油車制熱只需利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻后的余熱即可滿足車內(nèi)溫度的要求。對(duì)于電動(dòng)汽車，取消了發(fā)動(dòng)機(jī)，沒有了熱源，電動(dòng)汽車的制熱就需要有其他熱源提供熱量。對(duì)于電動(dòng)壓縮機(jī)制冷+PTC制熱的系統(tǒng)組合，制熱主要采用PTC風(fēng)暖制熱系統(tǒng)、PTC水暖制熱系統(tǒng)。

2.2.1 PTC風(fēng)暖制熱系統(tǒng)

PTC風(fēng)暖加熱是用PTC取代原有HVAC的加熱暖芯，利用電能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的熱量直接俄與可以空氣進(jìn)行熱交換。系統(tǒng)的特點(diǎn)：制熱效果快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，引擎艙不需要增加其他附加設(shè)備，但是HVAC需要配合PTC加熱器改動(dòng)，而且PTC加熱器直接置于車內(nèi)，對(duì)安全性要求較高。

2.2.2 PTC水暖制熱系統(tǒng)

圖2為電動(dòng)汽車水暖空調(diào)系統(tǒng)加熱系統(tǒng)原理圖，制熱時(shí)，冷卻液在水暖PTC中加熱后，由水泵提供動(dòng)力，將冷卻液送到加熱暖芯中與空氣進(jìn)行熱交換，提高車內(nèi)溫度，與空氣進(jìn)行熱交換后的冷卻液流入水箱，再進(jìn)入水暖PTC中繼續(xù)加熱，如此循環(huán)。此加熱系統(tǒng)的特點(diǎn)：空調(diào)箱體不需重新開發(fā)、需增加水暖PTC加熱器、水箱、電子水泵、連接管路及相應(yīng)的控制設(shè)備、加熱速度慢、效率低（需二次熱交換）、相對(duì)PTC風(fēng)暖加熱器安全性較好[1]。

風(fēng)暖PTC和水暖PTC，都是需要消耗電池的電能轉(zhuǎn)化為熱能，而轉(zhuǎn)化的效率一般情況下是小于1的。而且在低溫情況下，效率更低，使得制熱效果大打折扣，為了滿足車內(nèi)溫度的要求，需要加大功率，因此這兩種加熱方式都會(huì)對(duì)電動(dòng)車的續(xù)航里程造成很大的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明：在AC系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下，制冷和制熱時(shí)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程分別降低了16.7%和50%[2]。為了更好的解決PTC這一問題，各大汽車廠商開始加大研究節(jié)能型的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。據(jù)研究，熱泵空調(diào)相對(duì)PTC加熱系統(tǒng)可以使行駛里程增加25%～31%。

3 熱泵空調(diào)系統(tǒng)

熱泵技術(shù)是通過改變系統(tǒng)中制冷劑的流動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)制冷與制熱。根據(jù)熱泵的性能系數(shù)可知，冬季制熱時(shí)COP是恒大于1的，所以，熱泵的熱力學(xué)經(jīng)濟(jì)性比消耗電能的PTC系統(tǒng)要好很多[1]。電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)常見的形式有直接熱泵系統(tǒng)、間接熱泵系統(tǒng)、增焓補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng)。

3.1 直接熱泵系統(tǒng)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要通過四通換向閥改變系統(tǒng)中制冷劑的流動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)制冷制熱的功能，其應(yīng)用在家用空調(diào)上技術(shù)比較成熟，但是在汽車上應(yīng)用時(shí)，四通換向閥依舊沿用家用空調(diào)中的銅制材料，其與汽車上的鋁制管路焊接時(shí)存在焊接性能差、可靠性低的情況，使得傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)不適宜用在汽車空調(diào)系統(tǒng)上，所以現(xiàn)階段的主要做法是在四通換向閥基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)，采用了三換熱器系統(tǒng)[3]。

直接熱泵系統(tǒng)，簡(jiǎn)單來說就是制冷劑直接與車內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換，具有換熱效率高的特點(diǎn)。圖3為奔騰B30 EV的空調(diào)系統(tǒng)圖，空調(diào)系統(tǒng)采用了熱泵+風(fēng)暖PTC的方案。制冷時(shí)，膨脹閥1關(guān)閉，壓縮機(jī)排氣經(jīng)兩通閥進(jìn)入車外冷凝器冷凝冷卻成高壓中溫的液體，經(jīng)三通閥進(jìn)入回?zé)崞鬟^冷后，再經(jīng)膨脹閥2節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中與空氣進(jìn)行熱交換，吸收空氣中的熱量，使室內(nèi)溫度降低。蒸發(fā)后的氣液兩相混合物進(jìn)入回?zé)崞骱笤龠M(jìn)入氣液分離器分離液體，氣體經(jīng)吸氣管被壓縮機(jī)吸入在壓縮機(jī)中壓縮成高溫高壓的氣體再次循環(huán)。此時(shí)需注意關(guān)閉車內(nèi)冷凝器風(fēng)門，空氣不流經(jīng)車內(nèi)冷凝器。制冷時(shí)還可根據(jù)需要對(duì)電池進(jìn)行冷卻。制熱時(shí)，膨脹閥2和兩通閥關(guān)閉，壓縮機(jī)排氣進(jìn)入車內(nèi)冷凝器與車內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換后經(jīng)膨脹閥1節(jié)流降壓后再進(jìn)入車外冷凝器吸熱蒸發(fā)，再經(jīng)三通閥進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行氣液分離，低溫低壓的氣體再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體再次進(jìn)行循環(huán)。在此系統(tǒng)中，布置了三換熱器，車外布置單個(gè)車外冷凝器，夏天制冷時(shí)用做冷凝器，冬季制熱時(shí)用做蒸發(fā)器，車內(nèi)布置雙換熱器分別是制冷用蒸發(fā)器和制熱用車內(nèi)冷凝器，此時(shí)的車內(nèi)冷凝器取代了傳統(tǒng)汽油車是加熱暖芯，在設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)需重新設(shè)計(jì)HVAC總成。對(duì)于R134a熱泵系統(tǒng)在低溫時(shí)滿足不了車內(nèi)溫度要求，因此環(huán)境溫度比較低時(shí)需熱泵與輔助風(fēng)暖 PTC 進(jìn)行采暖。

3.2 間接熱泵系統(tǒng)

間接式熱泵系統(tǒng)與直接式熱泵系統(tǒng)不同的是，在間接式系統(tǒng)中取消了車內(nèi)冷凝器，采用原有的加熱暖芯，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)艙增加了一個(gè)間接換熱器。簡(jiǎn)單理解就是制冷劑與中間換熱器的冷卻液換熱后，冷卻液再與室內(nèi)的空氣進(jìn)行熱交換，所以它屬于二次換熱。圖4所示為BMWI3間接式熱泵系統(tǒng)，制冷時(shí)與常規(guī)的制冷循環(huán)一樣，此時(shí)電磁閥1、電磁閥4、膨脹閥1、膨脹閥2打開，電磁閥2、電磁閥3、膨脹閥3關(guān)閉。制熱時(shí)，電磁閥2、電磁閥3、電磁閥4、膨脹閥1、膨脹閥3打開，電磁閥1、膨脹閥2關(guān)閉，制冷劑的流程為，壓縮機(jī)的排氣經(jīng)電磁閥2進(jìn)入間接換熱器與冷卻液進(jìn)行熱交換，降溫后在出口經(jīng)過膨脹閥3節(jié)流降壓，進(jìn)入蒸發(fā)器在出口再經(jīng)膨脹閥1節(jié)流降壓，進(jìn)入車外冷凝器吸收車外空氣的熱量蒸發(fā)成氣液兩相的制冷劑，電磁閥3打開，進(jìn)入氣液分離器分離液體后在進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的氣體，如此循環(huán)。冷卻液在間接換熱器中吸收壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體制冷劑后，溫度升高經(jīng)過PTC加熱器再進(jìn)入加熱暖芯加熱車內(nèi)空氣，是車內(nèi)空氣溫度上升。熱泵循環(huán)時(shí)，通過控制四個(gè)電磁和3個(gè)膨脹閥可以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)制冷、制熱以及電池的冷卻和預(yù)熱。

直接熱泵系統(tǒng)中加熱暖芯可以沿用汽車的結(jié)構(gòu)，因此HVAC不需要重新開發(fā)設(shè)計(jì)，但是它屬于二次換熱存在一定的熱量損失，所以想要達(dá)到與直接熱泵系統(tǒng)同樣的車內(nèi)溫度需要給間接換熱器提供更高的溫度，這樣就需要提高壓縮機(jī)的排氣溫度，排氣溫度升高會(huì)給壓縮機(jī)帶來不好的影響。

3.3 增焓補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有節(jié)能效果好的特點(diǎn)，但受到室外溫度的限制，隨著室外溫度的降低，制熱能力衰減嚴(yán)重，特別是在極端寒冷條件下，能效比明顯下降，需借助于高壓 PTC 進(jìn)行輔助加熱。為了解決低溫工況制熱能力衰減的常見方法就是：補(bǔ)氣增焓技術(shù)，提高壓縮機(jī)的吸氣量，增大散熱量[4]。

補(bǔ)氣增焓技術(shù)常見的方法又有閃發(fā)器補(bǔ)氣增焓和經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣增焓。閃發(fā)器補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)中，壓縮機(jī)的高溫高壓排氣進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷凝冷卻成液態(tài)制冷劑，經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓成中壓氣液兩相混合物，流入閃發(fā)器，在閃發(fā)器中進(jìn)行氣液分離，氣體被壓縮機(jī)的補(bǔ)充吸氣口吸入，液體經(jīng)主路的膨脹閥2再次節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)。經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)中壓縮機(jī)的高溫高壓排氣進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷凝冷卻成液態(tài)制冷劑后分主路和輔路進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器，大部分經(jīng)主路液體直接進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器與部分經(jīng)輔路膨脹閥節(jié)流后的制冷進(jìn)行熱交換，低溫的制冷吸熱蒸發(fā)被壓縮機(jī)補(bǔ)充吸氣口吸入，被過冷的液體再經(jīng)主路的膨脹閥節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)。

從這兩種系統(tǒng)中可以看出，從經(jīng)濟(jì)器和閃發(fā)器補(bǔ)充的氣體是中壓的飽和氣體溫度較低，進(jìn)入壓縮機(jī)可以改善壓縮條件，其次中壓氣體被補(bǔ)充吸入之后增加了壓縮機(jī)的吸氣量，從而可以提高制熱量，可以相當(dāng)于一個(gè)雙級(jí)壓縮系統(tǒng)的運(yùn)行效果，因此，增焓系統(tǒng)的效果明顯要優(yōu)于非增焓系統(tǒng)。

4 制冷劑的發(fā)展

制冷劑是通過在系統(tǒng)中循環(huán)，將熱量與環(huán)境進(jìn)行交換的工質(zhì)。制冷劑所具有的制冷能力不同會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的制冷制熱效果產(chǎn)生差異。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的要求，自1830年開始至今，制冷劑也經(jīng)歷了幾次發(fā)展，目前在電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)比較多的是R134a，R1234yf、CO2。

4.1 R134a制冷劑

R134a 由于其具有優(yōu)秀的物理特性而成為R12的替代品，普遍用于汽油車和電動(dòng)車的空調(diào)系統(tǒng)中。R134a具有良好的制冷性能，與金屬和非金屬相容，化學(xué)和熱穩(wěn)定性好，不易燃、不爆炸、無毒、無刺激性和無腐蝕性，因此具有良好的安全性能。R134分子式中不含氯原子，對(duì)大氣臭氧層沒有破壞能力，但R134a的溫室效應(yīng)高達(dá)1300，會(huì)引起大氣環(huán)境產(chǎn)生溫室效應(yīng)，不符合發(fā)展電動(dòng)汽車的環(huán)保理念，最終將會(huì)被取代。自2006年，歐盟議會(huì)正式通過了淘汰含氟氣體的法規(guī)，規(guī)定自2011年起新開發(fā)車型停止使用R134a，2017年起新生產(chǎn)車輛停止使用R134a[5]。美國環(huán)保署通過重大新替代品政策計(jì)劃對(duì)制冷劑的使用進(jìn)行管理，明確2021年禁用 R134a。中國也將在不久禁用R134a。R134a冬季制熱時(shí)環(huán)境溫度低，效果比較差，這也使其在熱泵系統(tǒng)中受到限制。

4.2 R1234yf制冷劑

R1234yf制冷劑是由美國杜邦公司和霍尼韋爾公司聯(lián)合研發(fā)的能替代R134a的新一代環(huán)保制冷劑。R1234yf分子式中不含氯原子，OPD指數(shù)為0，GWP為4，遠(yuǎn)低于R134a。R1234yf與R134a在熱物理性質(zhì)上非常相似，通過國內(nèi)外相關(guān)汽車空調(diào)制冷劑的研究總結(jié)也可以發(fā)現(xiàn)，制冷劑R1234yf在制冷性能上基本可以代替制冷劑R134a。而且在更換制冷劑時(shí)，在硬件上不需要做太多的改動(dòng)，不會(huì)因?yàn)樽儞Q制冷劑而造成車輛制造成本的上升。但是R1234yf制冷劑無閃點(diǎn)，自燃點(diǎn)為405℃，屬于具有弱可燃性的制冷劑。因此，R1234yf的安全問題直接影響了其在汽車空調(diào)上的應(yīng)用。同時(shí)，R1234yf 與 R134a 都存在環(huán)境溫度低時(shí)，制熱能力不足的問題，需要高壓PTC輔助加熱，而且受限于美國公司的專利保護(hù)，R1234yf高昂的價(jià)格也是目前限制其在國內(nèi)廣泛普及的主要問題。

4.3 CO2 （ R744）制冷劑

CO2是一種天然制冷劑，早在19世紀(jì)，就被當(dāng)作制冷劑進(jìn)行應(yīng)用，由于當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)技術(shù)水平比較落后，無法生產(chǎn)出高效的冷卻器，所以限制了CO2的應(yīng)用[6]。CO2作為制冷劑具有以下的優(yōu)勢(shì)：無毒、不可燃，ODP=0，GWP=1，對(duì)大氣臭氧層沒有破壞作用，不會(huì)造成全球的溫室效應(yīng)；單位容積制冷量大，制冷部件結(jié)構(gòu)尺寸緊湊; 傳熱、流動(dòng)性能好；價(jià)格便宜，但是CO2制冷劑也存在臨界溫度低、臨界壓力高的缺點(diǎn)，所以二氧化碳制冷系統(tǒng)的運(yùn)行壓力都比其他制冷劑的空調(diào)系統(tǒng)高。因此使用二氧化碳制冷劑需要空調(diào)系統(tǒng)零部件具備較強(qiáng)的耐壓性和安全性，提升了空調(diào)系統(tǒng)及部件的制作難度和成本。

出于環(huán)保的理念以及CO2在低環(huán)境溫度下制熱性能優(yōu)異以及產(chǎn)品技術(shù)的提升，CO2又成為了當(dāng)前熱泵空調(diào)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并且部分車型已逐步配備二氧化碳熱泵空調(diào)。大眾 ID4 CROZZ 搭載二氧化碳熱泵空調(diào)，續(xù)航里程最高提升30%。相比其他制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)在-15℃時(shí)，會(huì)存在較大的問題，而二氧化碳熱泵空調(diào)可以在-30℃持續(xù)工作。其在低溫下制熱性能的優(yōu)勢(shì)，CO2熱泵空調(diào)可以顯著提升電動(dòng)車冬季的續(xù)航里程，因此CO2可能會(huì)成為各大主機(jī)廠優(yōu)先使用的制冷劑。

5 總結(jié)

電動(dòng)汽車的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)主要出現(xiàn)了壓縮機(jī)制冷+PTC制熱的系統(tǒng)，熱泵空調(diào)系統(tǒng)，由于壓縮機(jī)制冷+PTC制熱的系統(tǒng)，耗電量大，對(duì)續(xù)航影響大，冬天制熱效率低，因此更節(jié)能的熱泵空調(diào)系統(tǒng)得到了應(yīng)用，熱泵空調(diào)系統(tǒng)又分直接熱泵系統(tǒng)，間接熱泵系統(tǒng)、補(bǔ)氣增焓熱泵系統(tǒng)。直接熱泵系統(tǒng)具有換熱效率高，車內(nèi)冷凝器取代了傳統(tǒng)汽油車是加熱暖芯，在設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)需重新設(shè)計(jì)HVAC總成。直接熱泵系統(tǒng)屬于二次換熱，存在熱量損失大，但加熱暖芯可以沿用汽油車的，因此HVAC不需要重新開發(fā)設(shè)計(jì)。補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)補(bǔ)充的氣體是中壓的飽和氣體溫度較低，進(jìn)入壓縮機(jī)可以改善壓縮條件，其次中壓氣體被補(bǔ)充吸入之后增加了壓縮機(jī)的吸氣量，從而可以提高制熱量，可以相當(dāng)于一個(gè)雙級(jí)壓縮系統(tǒng)的運(yùn)行效果。對(duì)于當(dāng)前應(yīng)用的制冷劑，R1234yf 與 R134a 都存在低溫環(huán)境下制熱能力不足的問題，CO2可能會(huì)成為各大主機(jī)廠優(yōu)先使用的制冷劑。

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