电动汽车空调系统研究进展

佟丽蕊，张振迎，王兴国

(河北联合大学 建筑工程学院，唐山 063009)

电动汽车空调系统研究进展

佟丽蕊1，张振迎2，王兴国3

(河北联合大学 建筑工程学院，唐山 063009)

[摘要]对电动汽车空调系统在国内外的研究进展进行了分析，目前其主要发展方向为四种：电动热泵式空调系统、电动压缩式制冷-电加热采暖空调系统、余热空调及复合热泵空调系统以及储能式空调系统。分析了各种空调系统的特点及应用条件，指出了当前电动汽车空调系统研究的重点与难点。

[关键词]电动汽车；空调系统；热泵；制冷；难点

1前言

近年来，我国越来越多的地区受到雾霾天气的困扰，对居民身体健康造成了严重的危害。而造成雾霾天气形成的主要原因之一便是大量燃油汽车尾气的排放。因此，电动汽车的研发已成为未来汽车发展的主要方向之一。

电动汽车的动力源为汽车自带的蓄电池输出的电功率，蓄电池的容量是有限的，电动汽车的空调系统功耗约占汽车总辅助系统功耗的60%～75%[1]，对电动汽车续驶里程影响很大。此外，电动汽车空调必须解决制冷、制热两大问题，且在制热模式时为防止挡风玻璃结霜会引入一定量的低温空气,通风热损失可达汽车热负荷的70%[2]左右，使得冬季空调系统的能耗对电动汽车的续行里程影响更大。所以，拥有一套高效节能的空调系统对电动汽车开拓市场具有重要的意义。对于传统燃油汽车空调系统而言，制冷主要采用发动机驱动压缩机制冷，制热主要来自发动机余热。而对于电动汽车中的纯电动汽车以及燃料电池汽车来说，没有发动机作为空调压缩机的动力源，不能利用其余热，因此无法直接采用传统汽车空调系统的解决方案；对于混合动力汽车，发动机的控制方式多样，空调压缩机也不能采用发动机直接驱动的方案。

开发高效的电动汽车空调系统对于突破电动汽车发展的瓶颈和节能环保都具有重要意义。

2国内外研究现状和发展趋势

2.1　驱动热泵式空调系统

该方案的原理为，电池组的直流电经逆变器为空调压缩机的驱动电机供电，空调电机带动压缩机旋转，从而形成蒸气压缩循环，产生制冷/制热效果。

马国远等[3]设计了一套电动汽车热泵空调系统，并配套开发了双工作腔滑片压缩机，直流无刷电动机和逆变器控制系统。该系统工作原理如图1所示，压缩机由直流无刷电机通过皮带驱动,系统的制热/制冷运行方式的转换由四通换向阀完成。与传统的燃油汽车空调系统相比，该系统的低速性能略差,但它却具有较好的高速性能。此外，采用R12为制冷剂,已不能满足环保法规的要求。

图1　电动汽车热泵空调系统原理图[3]

对于热泵空调系统，系统从融霜模式转为制热模式时,风道内换热器上的冷凝水会迅速蒸发,雾化在挡风玻璃上,对行车造成一定的危险[4]。为解决该问题，日本电装(DENSO)公司开发了一套R134a电动汽车热泵型空调系统[5]，系统如图2所示，在风道内同时设置了车内冷凝器和车内蒸发器。当系统以融霜模式运行时,R134a经过车内外的3个换热器，空气通过车内蒸发器除湿冷却,再通过车内冷凝器加热后送入车内,解决了结霜对驾驶安全性的影响。该公司在2003年又开发了一套CO2热泵空调系统[6]，系统也采用了在风道内同时设置冷凝器和蒸发器的方案，并加装了可节能的内部热交换器，系统如图3所示。

图2　日本电装电动汽车热泵空调系统[5]

图3　CO2热泵空调系统[6]

李丽等[7]在2013年设计了一套适用于电动汽车的蒸汽压缩式冷暖双模式热泵空调系统，系统的制热/制冷转换也是由四通换向阀完成，以R134a作为运行工质。实验分别对处在1.6℃，5.5℃，6.6℃环境温度下系统的制热模式进行实验，结果表明，车室内分别在10min，6min，4min达到较为舒适的18℃，足以满足日常需求。此外，外界环境对热泵空调的性能影响较大，随着车室外环境温度的降低，系统压力降低，压缩机排气温度降低，单位时间内制热量减少。

2.2　电动压缩式制冷-电加热采暖空调系统

由于电动汽车空调系统没有可利用的发动机余热，其制热可通过PTC和电热管加热实现。制冷采用直流电机驱动的蒸气压缩式。此方案的缺点在于加热模式对蓄电池的消耗较大，在寒冷气候条件下，PTC加热器的使用可使电动汽车的续驶里程缩短约30%到65%[8]，极大地影响电动汽车的续驶里程，增加电动汽车的生产成本。

PTC加热器包括PTC空气加热器和PTC液体加热器两种。由于PTC液体加热器可布置在机舱内，对现有汽车的空调系统可直接沿用,在电动汽车采暖系统上应用更广泛。其中，日本三菱汽车公司(MMC)开发的“i-MIEV”电动汽车[9]，就采用了电驱动的压缩式制冷和PTC液体加热器制热的方案。该PTC液体加热器具有三维冷却剂流动通道，使得冷却剂在PTC加热器中的热传导更有效，具体结构如图4所示。该系统下一步所要研究的内容主要包含两部分：通过降低空调能耗，提高电动汽车行驶里程；通过减小PTC加热器的尺寸和质量，改善其功耗，进一步提高空调系统的控制和效率。

图4　三维冷却剂流动通道的PTC加热器(横截面)[9]

罗玉林等[10]在2013年对东风汽车公司某型号电动车进行了除霜除雾仿真分析，并设计研发了与之相匹配的PTC液体加热器采暖系统，如图5所示。在PTC液体加热器的进出口分别设有温度传感器,采暖系统通过温度传感器反馈的数值对PTC液体加热器的功率进行合理调节，有利于电动汽车续驶里程的最大化。该试验在除霜环境温度为-l8 ℃，除雾环境温度为-3℃的条件下进行。结果表明，风窗玻璃除霜约20min完成，除雾约10min完成，满足相应法规要求。

图5　PTC液体加热器采暖系统工作原理[10]

第三代丰田普瑞斯汽车空调的制冷系统采用了压缩/喷射空调器[11]ECS(Ejector Cycle System喷射循环系统)。系统制热由PTC加热器完成。系统制冷时，蒸发器由迎风侧散热器和顺风侧散热器组成，喷射器位于迎风侧散热器的制冷剂储液槽内，原理如图6所示。通过集成喷射器到蒸发器中来降低喷射器的体积，如图7所示。喷射器一方面可以回收制冷循环系统中因产生涡流而损失的能量，将其转换成压缩机的有用功；另一方面可以使蒸发器顺风侧中的制冷剂压力低于迎风侧制冷剂压力，减少蒸发器因温差而造成的传热损失。该系统与传统的空调相比,最高能降低压缩机25%的能耗。

图6　压缩/喷射制冷循环系统[11]

图7　喷射器-蒸发器集成图

近年来，随着人们环保意识的不断增强，自然工质CO2被认为是替代传统制冷剂的最佳选择，其优势在于：臭氧消耗潜值(ODP)为零、温室效应潜值(GWP)为1，蒸发潜热大且对环境无害,单位容积制冷量较高。Lee等[12]在2012年对应用于燃料电池电动汽车的R744(CO2)空调系统的制冷性能进行了实验研究。该系统由逆变器驱动压缩机，当压缩机转速为4000r/min，气体冷却器入口温度为35℃，入口压力从92bar上升到102bar时，系统制冷COP上升30.3%达2.5，制冷量上升36.8%达6.4 kW。当室外温度高于35℃，压缩机转速4500r/min，该系统制冷量大于5 kW，足以满足使用需要。在任意实验压缩机转速下，分别以R744和R134a为制冷剂的电动汽车空调系统相比较，前者的制冷COP平均比后者提高24.3%。实验证实，该电动压缩机制冷系统应用于电动汽车是完全可行的。

2.3　余热空调及复合热泵空调系统

对于燃料电池汽车，燃料电池的发热量很大，由化学能转化的电能和热能大约各占1/2[13]，如果能有效地利用这部分余热，不但可以提高电池本身的效率，还可用于驱动车上空调系统来达到车室内对温湿度的要求。贺启滨等[14]在2007年对利用燃料电池废热的吸收式制冷空调系统的可行性进行了分析，系统如图8所示。燃料电池热管理系统的主换热器与吸收式制冷系统的发生器直接相通,消除了二次换热引起的能量耗损。主换热器上部接有旁通支路,当燃料电池的热量大于所需值时,可由此支路经系统的辅助换热器排出。辅助换热器、吸收器、冷凝器由一套冷却系统通至车外的换热器冷却。他们以60座大客车为例进行实验计算，认为吸收式制冷用于燃料电池客车是完全可行的。该系统具有节能环保、无振动、噪声低、操作简便等优点。然而，该系统也存在一定的不足，其设备比常规压缩式制冷的设备体积大，系统本身存在机组密封和防腐蚀问题。又由于燃料电池需要在较稳定的温度环境下工作，对燃料电池的热管理系统要求较高。

图8　利用燃料电池废热的吸收式空调系统[14]

燃料电池组产热量很大，为了维持系统的正常运转，这些热量必须及时发散出去，使燃料电池处在一个相对较稳定的环境温度中。2009年，Kima和 Wona等[15]在此方面进行了一定的研究，他们利用车上配套的CO2空调系统来对燃料电池组进行冷却，系统如图9所示。当电池组生成热量较少时，旁通阀1打开，制冷剂在电池组回路中循环；在恒温器的作用下，热量一旦达到要求值，旁通阀1关闭，热量通过散热器释放到车室外。通常情况下，旁通阀2是关闭的，车室内制冷时，室内风扇运行。然而，当有类似于爬坡或是突然加速等情况发生时，旁通阀2打开，同时关闭车室内制冷风扇，此时，电池组大量的热通过CO2空调系统来冷却，一旦过多的热量被成功转移，旁通阀2会自动关闭，回到之前的循环状态。该系统的优点在于既能及时将电池组的热量转移，又能减小空调系统的耗能。实验表明，当散热器冷却剂入口温度和流量分别为65℃和80L/min，室外空气入口流速为5m/s时，该系统的散热量比传统的有机舱冷却和无机舱冷却的散热器系统分别提高了36%和7%。直接利用燃料电池余热在寒冷天气下为车室加热，也是可行的，2014年，Santos等[16]设计了一套利用12kW的燃料电池的余热为电动汽车加热的系统。改进前的系统，燃料电池余热发散到室外，造成了可用能源的浪费；改进后的系统，可使汽车在最佳工况下提高17%的行驶里程，约21公里。该实验随后的研究主要集中在如何提高系统的效率，以及如何提高散热器与车室之间的热交换上。

图9　利用CO2空调系统对反应堆进行冷却的系统[15]

2012年，Javani等[17]分别以混合动力汽车和电动汽车为实验对象，对利用系统余热的电动汽车空调系统进行了研究。该实验分别通过喷射式制冷系统和吸收式制冷系统对来自电池组的废热和在内燃机模式下来自废气的废热进行利用，这些废热被输送到喷射式制冷系统的热水箱和吸收式制冷系统的发生器中。结果表明，在混合动力汽车中，来自系统回收的废热，在喷射式制冷系统中，可生成7.32 kW的冷量，循环性能系数为0.48，第二定律效率为0.15；在吸收式制冷系统中，可生成7.92 kW的冷量，循环性能系数为0.52，第二定律效率为0.21。在纯电动汽车中，由于没有了来自废气的废热，系统的制冷能力下降很多，不足以满足需求。此外，在该实验条件下，采用吸收式制冷回收废热的系统，与喷射式制冷系统相比，其制冷量和COP更高。

太阳能辅助电动汽车空调系统也是目前研究的重要方向，该系统一般将太阳电池布满车顶，一方面为电动汽车空调系统提供部分能量，另一方面，布置在车顶的电池板能有效地阻止透过车顶的太阳辐射热，将电动汽车所需冷量的峰值减少约40%[18]。2001年，马国远等[19]设计研制了一套太阳能辅助电动汽车热泵空调系统，所产生的电能使电动汽车空调系统制冷量增加的情况见表1。第三代丰田普瑞斯汽车空调采用了太阳能通风系统[11]，该系统依靠太阳能电池组件吸收光能产生电能(最大输出功率可高达为53W)，为太阳能通风和鼓风机电机提供电力，无需消耗发动机能量。

表1太阳能辅助电动汽车空调系统所产生的效益

压缩机转速(r/min)制冷量增加量(W)相对增加量(%)600203271000282182000356930003516

电动汽车热泵空调系统在室外温度较低时的制热性能较差，所以可采用增加辅助加热装置的操作提高其制热性能。2013年，Lee等[8]对应用于电动汽车上的复合热泵空调系统进行了研究。系统利用电动装置废热制热，空气源制冷，并在不同的实验条件下对系统的制热和制冷性能进行了分析。实验工况下，任意压缩机频率所对应的系统制冷量均超过23 kW，足以满足电动汽车的要求；随着室外温度和压缩机频率的上升，系统制热量增大，制热COP减小，但制热COP均大于2.1。2014年，Ahn等[20]设计了一套R134a空气-废热双热源的热泵空调系统，并对其进行了优化设计。双热源系统装置示意图如图10所示，其中包括：室外热交换器(ODHX)，室内热交换器(IDHX)，废热交换器(WHX)，两个电动膨胀阀(EEVs)等。从IDHX冷凝的制冷剂被分成了两部分，分别流入WHX和ODHX加热。通过实验数据分析得出：双热源系统的制热量和COP要比单热源系统高。然而，当室外温度降到-10℃时，双热源系统的制热量和COP非常接近于仅使用废热源的系统，这是由于，当外界温度较低时，外部热交换器从空气源中吸收的热量几乎可以忽略不计。为了改善这一情况，在上述基础上又设计出了仅空气源和仅废热源的交替单模式操作系统，这样就能在较低的室外温度下更有效地利用空气源。例如，当室外温度为-10℃，废热量为1.5 kW时，交替单模式操作系统比双热源系统的制热量和COP分别高出了10.5%和4.3%。

图10　双热源热泵空调系统[20]

2.4　冷热联合储能式电动汽车空调系统

冷热联合储能式电动汽车空调系统可通过车载蓄能器储存一定的冷量或热量，满足汽车行驶时所需的空调负荷。按蓄冷方式的不同可分为：载冷剂循环式冰蓄冷和制冷剂直接蒸发式冰蓄冷;按融冰方式的不同可分为：外融冰和内融冰。

2011年，吴玮等[21]对储能式电动汽车空调系统进行了设计分析，他们以某款电动汽车为例进行了比较计算，结果得出：采用冷热联合储能式，在相同动力性能下，节约成本约20%；在相同的成本下，提高续航能力约30%。

3结论

本文对电动汽车空调系统的研究现状进行了分析，目前主要有电驱动热泵式空调系统、电动压缩式制冷-电加热采暖空调系统、余热空调及复合热泵空调系统、冷热联合储能式电动汽车空调系统四种方向。可以看出，如何制热和节能是目前电动汽车空调研究的难点。电动空调系统在系统匹配时应注意其对整车性能的影响,特别是对续驶里程和车速的影响,系统各部件的选择也要本着节能的目的。

目前已经成熟应用的为电动压缩式制冷+电加热采暖空调系统，该系统对整车结构改变较小且操作容易，但是蓄电池的消耗较大；电驱动热泵式空调系统对于不同类型电动汽车通用性较好，并且对整车结构改变较小，通过采用电动压缩机取代机械式压缩机即可,为一种较好的方案，但冬季低温下热泵制热量及效率衰减和融霜为此系统应用的难点。余热空调及复合热泵空调系统节能性好，必将成为将来的发展方向，但此系统体积大，构造复杂，对燃料电池汽车整车以及电池管理系统要求较高，需定期除垢。并且其仅仅匹配在余热热源比较稳定的燃料电池电动汽车上才具有可行性。冷热联合储能式电动汽车空调系统利用冰蓄冷和水蓄热技术达到储能目的，为电动汽车提供冷量和热量，提高了电动汽车续程能力；也可以通过减少动力电池的装配降低整车成本。该系统的缺点在于增加的储能设备加大了汽车的自重。

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Advances of electric vehicle air-conditioning systems

TONG Lirui1,ZHANG Zhenying2,WANG Xingguo3

(College of Civil Engineering,Hebei United University,Tangshan 063009)

Abstract：The advances of electric vehicle air-conditioning systems are presented.The solutions mainly include four aspects:the electric heat pump air conditioning system,the electric compression refrigeration-electric heating air conditioning system,the waste heat or hybrid source heat pump systems and the energy storage air conditioning system.The characteristics and particular applications of each system are introduced.Furthermore,the stresses and barriers of the electric vehicle air-conditioning system are pointed out.

Key words:Electric vehicle;Air conditioning system;Heat pump;Refrigeration;Barrier.

[中图分类号]TU831[文献标示码]B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.013

文章编号：ISSN1005-9180(2015)01-061-07

作者简介：佟丽蕊(1989-)，女，硕士研究生，研究方向：制冷空调设备节能。Email:tongliruijianhuan@163.com

基金项目：唐山市科技计划项目(13130299b)；河北省自然科学基金(E2014209044)

收稿日期：2014-10-31