摘要：隨著電動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，新能源汽車已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的燃油汽車，并且成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的主流。但是新能源電動(dòng)車在冬天使用電熱采暖技術(shù)消耗能量很大，直接影響其經(jīng)濟(jì)性能，且會(huì)減小其續(xù)航里程。為保障電動(dòng)汽車能源的經(jīng)濟(jì)性，可以采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行采暖，不僅能有效減少低溫制熱性能衰減的問題，而且可以達(dá)到延長汽車?yán)m(xù)航里程的效果，因此該類系統(tǒng)成為降低新能源電動(dòng)汽車能耗的關(guān)鍵手段。據(jù)此，主要聚焦新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)和模擬分析，探討其工作原理、性能優(yōu)化及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效提升低溫環(huán)境下的空調(diào)效果，降低能源消耗，有利于推動(dòng)新能源汽車技術(shù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：新能源；電動(dòng)汽車；低溫?zé)岜茫豢照{(diào)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U469.7 收稿日期：2024-05-14

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407020

1 新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)性能

新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)，一般是建立在熱泵原理的基礎(chǔ)上而研發(fā)的，它能促進(jìn)電動(dòng)汽車外部低品位熱能的轉(zhuǎn)化，使其成為高品位熱能的形式，再將其傳輸?shù)杰圀w的內(nèi)部，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車體內(nèi)部溫度的合理調(diào)節(jié)。此類系統(tǒng)可以幫助新能源電動(dòng)汽車減少對(duì)能源的損耗，充分發(fā)揮其能效，有利于提高產(chǎn)品的續(xù)航能力。

對(duì)新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)性能進(jìn)行研究時(shí)，可以模擬電動(dòng)汽車環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙，并借助一臺(tái)熱泵型電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)，在調(diào)整實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部溫度和濕度時(shí)，利用不同的設(shè)定值，再將熱泵型電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)啟動(dòng)，對(duì)其制熱、制冷、除濕等多方面的性能表現(xiàn)予以觀察[1]。結(jié)果顯示，在制熱和制冷兩種模式下，新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)的性能良好。以制冷模式為例，隨著實(shí)驗(yàn)艙溫度的下降，從35 ℃降至25 ℃，此時(shí)系統(tǒng)的能效比為2.1；在制熱模式下，隨著實(shí)驗(yàn)艙溫度的上升，從15 ℃升到達(dá)25 ℃，此時(shí)系統(tǒng)的能效比為2.3。在除濕模式當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)溫度小于25 ℃，溫度降低效果達(dá)到了90%以上。

通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，可以說明新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)的能效比相對(duì)較高，且溫度調(diào)節(jié)和濕度調(diào)節(jié)能力優(yōu)良。因此得出如下結(jié)論：系統(tǒng)的制熱、除濕、制冷等性能良好，能夠有效調(diào)節(jié)車體內(nèi)部的濕度和溫度，基于制熱、制冷兩種模式，系統(tǒng)有著較高的能效比，并且分別達(dá)到了2.3和2.1，有利于促進(jìn)能源利用率的提升。在除濕模式之下，除濕效率超過90%，對(duì)降低車體內(nèi)部濕度十分有效，可以形成舒適的駕乘體驗(yàn)。因此，對(duì)于新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)的運(yùn)用，可以促進(jìn)產(chǎn)品能效的提升，使其有著更高的續(xù)航能力，有利于推動(dòng)新能源電動(dòng)汽車的發(fā)展[2]。

2 新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)技術(shù)

2.1 熱管理技術(shù)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以通過熱管理，幫助改善熱泵空調(diào)系統(tǒng)的低溫工作性能。在低溫工況下，對(duì)新能源電動(dòng)汽車熱泵型空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化與改進(jìn)是能源汽車企業(yè)當(dāng)前十分重視的問題，通過運(yùn)用熱管理技術(shù)，來增加各種輔助功能，如采暖、熱回收、蓄熱等，使熱管理系統(tǒng)有著更強(qiáng)的綜合性能。

汽車電控技術(shù)發(fā)展逐漸加快，在管理其中的熱元件時(shí)，可以利用熱管理系統(tǒng)達(dá)到科學(xué)高效的管理目標(biāo)，其中包括高壓蓄電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。在處理廢熱時(shí)，也可以利用熱管理技術(shù)對(duì)電池產(chǎn)生的廢熱進(jìn)行收集，并將其作為制熱過程中的主要熱量來源，能夠?yàn)橹茻嵝Ч奶嵘龓磔o助作用。

2.2 低溫環(huán)境下提高熱效率

通過促進(jìn)新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)能效的提升，可以降低能源消耗。外界溫度狀況維持在-5～15 ℃之間時(shí)，系統(tǒng)的效率最高，但隨著室外溫度的不斷下降，系統(tǒng)的效率也會(huì)隨之降低，對(duì)實(shí)現(xiàn)高效供熱十分不利。所以，可以采用PTC輔助加熱的方式，利用熱溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)進(jìn)行加熱且電壓繼續(xù)升高時(shí)，電阻也會(huì)隨之升高，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的熱，實(shí)現(xiàn)加熱目標(biāo)。在輔助加熱過程中，也能通過降低壓縮機(jī)的壓縮比來提高散熱能力。

2.3 除霜技術(shù)

為有效解決新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)的結(jié)霜問題，可以采用逆循環(huán)法，也可以采用熱空氣旁路法等。例如，在運(yùn)用逆循環(huán)法時(shí)，當(dāng)換熱器用作冷凝器，隨著溫度的升高，其表面的霜層就會(huì)消融。需要注意的是，雖然能夠融化大部分的霜，但是還是有部分霜會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)的情況。因此，逆向循環(huán)方法只能起到短暫的緩解作用，并不能夠完全的融化霜。熱氣旁通法是利用壓縮機(jī)內(nèi)部的熱氣經(jīng)過蒸發(fā)器使其排出，從而達(dá)到融霜的效果，同時(shí)該類方法有利于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化控制，具備節(jié)能高效的優(yōu)勢。

2.4 壓縮機(jī)控制技術(shù)

在新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)中，高壓電動(dòng)旋渦壓縮機(jī)屬于首選設(shè)備，其質(zhì)量比較輕便，體積相對(duì)較小，在運(yùn)行時(shí)更為平穩(wěn)，能夠促進(jìn)能效的提升，且整體結(jié)構(gòu)簡單，在使用過程中，可向中間室中加入一定數(shù)量的中壓燃?xì)?，既可降低廢氣溫度，又可提高系統(tǒng)的制熱能力。在高壓旋流式壓縮機(jī)中，應(yīng)用輔助空氣和增焓技術(shù)非常重要，不僅可以提高系統(tǒng)制熱能力，也可以改善高能耗的問題，隨著準(zhǔn)雙級(jí)壓縮機(jī)排氣量的增加，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能量效率比率會(huì)相應(yīng)得到增加，可以產(chǎn)生更大的熱量[3]。

3 新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)方案

3.1 關(guān)鍵零部件及管線路布置設(shè)計(jì)

3.1.1 一體式壓縮機(jī)布置

在布置一體式壓縮機(jī)的過程中，其排氣口的方向需要朝上，在動(dòng)力總成的最前方不應(yīng)設(shè)置高壓插件。在壓縮機(jī)接口的前方位置，所預(yù)留的安裝空間確保充足，與驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)包絡(luò)X向之間的空隙應(yīng)超過25 mm。各類插件不應(yīng)朝向設(shè)置，從而保證進(jìn)水的有效性。壓縮機(jī)和動(dòng)力總成的相對(duì)固定部分的間隙，通常不大于5 mm；與諸如縱向梁之類的相對(duì)移動(dòng)部件的間隙，一般要求大于25 mm。壓縮機(jī)的安裝應(yīng)該方便，方便插卡。圖1所示為一種型號(hào)的壓縮機(jī)，其三個(gè)支點(diǎn)被安裝在電動(dòng)傳動(dòng)裝置的右邊。

1.車體縱梁 2.驅(qū)動(dòng)軸 3.壓縮機(jī)總成 4.電機(jī)總成

3.1.2 氣液分離器

在壓縮機(jī)的附近，需要找出具有良好隱蔽性的位置，將其作為氣液分離器的主要布置區(qū)域。其中，進(jìn)出的氣口需要具備防錯(cuò)功能，與周邊相對(duì)靜止件的距離應(yīng)大于5 mm。

3.1.3 室外換熱器

在布置室外換熱器的過程中，距周緣零件之間的間隔應(yīng)大于10 mm，與兩邊車體支座的間隔應(yīng)大于5 mm。對(duì)于前端組件，通過固定室外換熱器的4個(gè)點(diǎn)，保障安裝空間設(shè)置合理且操作便利，在布置管路接口時(shí)，處于換熱器的右側(cè)[4]。

3.1.4 空調(diào)管路

對(duì)于空調(diào)管路的布置，一般處于隱蔽性的空間，利用各類零部件對(duì)其進(jìn)行遮擋，通過增強(qiáng)固定性，使其整體保持豎直平整。管路的轉(zhuǎn)彎角度需要超過90°，在設(shè)計(jì)彎管時(shí)，其最小的直線長度應(yīng)超過15 mm。在軟管和硬管的銜接位置，接頭的長度需要大于35 mm，軟管、硬管與運(yùn)動(dòng)件的距離需要超過25 mm。其中，與靜止件的間隙設(shè)計(jì)，軟管與硬管分別需要大于10 mm、5 mm。

在固定硬管時(shí)，兩個(gè)點(diǎn)位的間隙應(yīng)保持在100～400 mm的區(qū)間范圍內(nèi)，滿足固定牢靠的基本要求。管路可以出現(xiàn)微量位移，但其中的軟管應(yīng)避免直接與金屬部件連接，且軟管中應(yīng)避免增加固定點(diǎn)。在連接管路時(shí)，軟管的兩端位置需要呈現(xiàn)出自然狀態(tài)，減少扭曲問題。

3.2 主流技術(shù)方案

對(duì)于新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)，利用熱泵系統(tǒng)，將低品位熱源的熱量強(qiáng)制傳遞到高位熱源上。采用四通換向閥時(shí)，可將兩個(gè)蒸發(fā)器與冷凝器的作用互換，促使熱傳遞的方向發(fā)生變化，從而達(dá)到冬季供暖、夏季制冷的目的。

目前新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)一般分成三種類型：a.基于現(xiàn)有的制冷劑R134a所設(shè)計(jì)的熱泵系統(tǒng)；b.基于制冷劑二氧化碳的熱泵技術(shù)；c.太陽能熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

3.3 典型技術(shù)方案

3.3.1 蒸汽壓縮式制冷+PTC電加熱供暖系統(tǒng)

在新能源電動(dòng)汽車夏季制冷過程中，在電機(jī)的帶動(dòng)下，帶動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)工作，從而實(shí)現(xiàn)制冷。在冬天供暖期間， PTC可以在電池中耗盡電力時(shí)被加熱，此類方式屬于電動(dòng)汽車中常用的加熱方法。

通過對(duì)PTC加熱器進(jìn)行分類，主要有利用加熱液體進(jìn)行采暖和利用加熱空氣進(jìn)行取暖兩種方式。采用蒸汽壓縮式制冷+PTC電加熱采暖系統(tǒng)，具有較高的可靠性，能夠滿足汽車內(nèi)部溫度調(diào)節(jié)的需要。但對(duì)于能源的總體利用率并不高，隨著成本投入的不斷加大，當(dāng)總體熱效率相對(duì)較低時(shí)，容易在車輛的持續(xù)航行過程中，降低大約1/3的里程。

3.3.2 利用余熱供暖系統(tǒng)

在新能源電動(dòng)汽車運(yùn)行期間，借助多個(gè)元件產(chǎn)生的熱量，比如變頻器、電機(jī)、電池等，能夠?qū)圀w內(nèi)部進(jìn)行加熱，此類模型的輸出溫度維持在50 ℃左右。在一般的制熱狀態(tài)下，完全能滿足一般車輛的使用要求。如果是在冬天，氣溫不斷下降，此類系統(tǒng)就無法為汽車提供足夠的熱能。所以此類方案在制熱過程中，僅能夠發(fā)揮輔助的作用。圖2所示為電動(dòng)汽車的能量流。

3.3.3 半導(dǎo)體式制冷制熱空調(diào)系統(tǒng)

在運(yùn)用半導(dǎo)體式制冷/制熱空調(diào)系統(tǒng)的過程中，對(duì)于所構(gòu)成的P-N結(jié)，需要使用特種形式的半導(dǎo)體材料，在形成熱電偶對(duì)之后，促進(jìn)珀?duì)柼?yīng)的產(chǎn)生。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，不需要任何制冷劑，并且不存在污染源，能夠減少噪音、振動(dòng)方面的問題。與此同時(shí)，系統(tǒng)能夠發(fā)揮制熱、制冷等多重作用，在遙控、遠(yuǎn)程操控過程中比較便利，可以借助計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行操作，總體的制熱時(shí)間相對(duì)較快，在90～130 ℃的溫度范圍之內(nèi)均能夠?qū)崿F(xiàn)變化。

3.3.4 熱泵空調(diào)系統(tǒng)

在熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，一般需要借助電動(dòng)機(jī)帶來驅(qū)動(dòng)作用，為空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力?；谥评溲h(huán)的可逆轉(zhuǎn)性的特點(diǎn)，是制冷和制熱具有一體化的特征，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較緊湊，能夠發(fā)揮環(huán)保優(yōu)勢，總體運(yùn)行具有高效性，所以在新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)研究過程中成為熱點(diǎn)。

4 結(jié)語

在低溫環(huán)境條件下，新能源電動(dòng)汽車的續(xù)航里程受到很大影響。通過對(duì)該類系統(tǒng)的了解，基于系統(tǒng)在低溫環(huán)境下呈現(xiàn)出的優(yōu)良性能，分析技術(shù)成本等多方面的局限，利用多種技術(shù)方案指導(dǎo)新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用，持續(xù)優(yōu)化，借助其優(yōu)質(zhì)系統(tǒng)性能，使系統(tǒng)的應(yīng)用范圍得以拓展。新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)利用回收余熱的方式，使整車的能量消耗得以降低，可以將其作為輔助加熱手段進(jìn)行使用。傳統(tǒng)的制冷劑R134a可以促進(jìn)制熱效果明顯提升，而在自然制冷劑CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)的作用下，不僅可以發(fā)揮環(huán)保功能，當(dāng)處于低溫環(huán)境條件時(shí)，還能夠促進(jìn)制熱能力的提升，形成穩(wěn)定的制熱效果。因此，在低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)是做主流。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪琳琳，焦鵬飛，王偉，等新能源電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)研究[J].汽車工程，2020（12）：8-9.

[2]李海軍，李旭閣，周光輝，等純電動(dòng)汽車超低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)特性模擬研究[J]低溫與超導(dǎo)，2022（5）：19-21

[3]殷海艷電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究與分析[D]南京：南京師范大學(xué)，2022

[4]朱永存，張志顯分析電動(dòng)汽車低溫?zé)岜眯涂照{(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J]數(shù)字化用戶，2022（18）：141-142

作者簡介：

韓賢貴，男，1981年生，講師，研究方向?yàn)榕照{(diào)工程設(shè)計(jì)。