宝马i3纯电动车空调热泵解析

◆文/北京 冯永忠 康永禄

宝马i3纯电动车空调热泵解析

◆文/北京 冯永忠 康永禄

为了解决拥挤的交通环境和获得更低的排放，宝马推出了i品牌，这是宝马的第四个品牌，其主要代表着新能源汽车。宝马i3是宝马首款专为城市打造的纯电动量产车型，其不仅拥有更环保、更具科技感的特色，而且其价格也并非遥不可及。而本文将就该车的空调热泵作详细介绍。

一、带热泵的加热回路

宝马i3纯电动车的热泵换热器安装在冷却液泵和电加热器之间，由于使用热泵，电加热器的电能消耗明显减少。在进行效率比较时，清晰地显示了热泵节约的能量，为了获得5kW的输出热量，由于电阻损失，电加热器需要消耗5.5kW的电能。而带热泵的系统只需要2.5kW的电能。EKK(电动空调压缩机)使用这些电能压缩制冷剂，在热泵换热器产生所需的输出热量，如图1所示。

图1 热泵和电加热器效率比较

冷却液回路只是增加了热泵换热器，即使使用热泵，也必须配置电加热器，以保证系统发生故障时，仍能够达到乘客舱所需的温度，其示意图如图2所示。为了防止回路堵塞或损坏，必须使用宝马i3新型专用冷却液。

二、热泵系统

在宝马i3纯电动版上，电机和动力电控装置产生的可用废热很少。即使在宝马i3增程式纯电动车上，也不使用增程式发动机上产生的废热，为了减轻重量，该款增程式纯电动车上不配置热泵。

图2 带热泵的乘客舱加热系统示意图

由于配置了热泵，使用电加热器的纯电动版其行驶里程并不明显减少。乘客舱所需的热量由带热泵的暖风空调系统提供。热泵的工作原理与暖风空调系统相反，高温高压的制冷剂流过冷凝器时，释放的热能直接排入大气。而流过热泵热交换器时，制冷剂释放的热能用于加热乘客舱，其原理图如图3所示，带热泵的空调制冷剂管路如图4所示。

图3 热泵原理图

图4 带热泵的空调制冷剂管路图

三、热泵系统主要元件

1.热泵控制器

局域网总线作为热泵控制器和IHKA(自动恒温空调)控制单元进行通信的数据线。热泵控制器模拟通道评估制冷剂温度传感器和制冷剂压力-温度传感器信号，并控制制冷剂截止阀和制冷剂电控膨胀阀(EXV)等执行器。热泵控制器负责把模拟信号转换成数字信号，反之亦然。

在暖风空调系统中，热泵是唯一由车身域控制器供电的元件。而且是以脉宽调节信号的形式，通过热泵控制器进行控制。连接局域网的IHKA控制单元设定中央控制，热泵控制器根据传感器数值执行指令，热泵控制器系统图如图5所示。

2.制冷剂温度传感器和压力-温度传感器

带热泵的空调制冷剂管路上有3个温度传感器，2个压力-温度传感器，用于把制冷剂温度和压力值传递给热泵控制器，其前后安装位置如图6和图7所示。

3.制冷剂截止阀

管路上共有4个制冷剂截止阀，阀门用于控制制冷剂回路，开关阀门可以引起制冷剂在冷凝器和蒸发器中的不同流向，使热泵有制冷、加热和混合3种不同的运转模式。由于空调压缩机的润滑和压缩，制冷剂不能在EKK和储液干燥器的制冷剂管路中反向流动。

按照IHKA发来的指令，热泵控制器打开或关闭制冷剂截止阀。制冷剂截止阀只能全开或全关，其中3个阀门在断电时打开，另一个阀门在断电时关闭。在热泵的加热模式下，关闭的阀门打开，使制冷剂从冷凝器通过储液干燥器流回EKK。

图5 热泵控制器系统图

图6 前端的安装位置示意图

图7 后端的安装位置示意图

所有制冷剂截止阀都位于车辆的前端，如图8所示。序号1所示的制冷剂截止阀有2个，一个安装在EKK和热泵换热器之间，另一个安装在EKK和冷凝器之间。序号2所示的制冷剂截止阀也有2个，一个安装在蒸发器和储液干燥器之间，另一个安装在冷凝器和储液干燥器之间，这个阀门在断电时关闭。

图8 制冷剂截止阀

4.电控膨胀阀(EXV)

由于使用了热泵，高电压蓄电池冷却回路中的热控膨胀阀(TXV)和组合的膨胀截止阀(ETXV)被3个电控膨胀阀(EXV)取代。这3个阀使用步进电机在0～100%之间控制制冷剂管路，如图9所示。3种不同类型的电控膨胀阀如图10所示。

5.储液干燥器

带热泵的储液干燥器(图11)要满足空调压缩机的进气要求，同时储存润滑用冷冻机油。作为储存罐，储液干燥器能够补偿压缩机长期运转缓慢减少的制冷剂，保证热泵回路的正常工作。空调的储液干燥器集成在冷凝器上，不能单独更换。

图9 电控膨胀阀

图10 电控膨胀阀的类型

图11 储液干燥器

6.热泵换热器

热泵换热器将高温高压制冷剂的热量传递给暖风加热管路流动的冷却液，如图12所示。

图12 热泵换热器

四、热泵的工作模式

汽车上安装的热泵有制冷、加热、混合3种工作模式。该热泵系统使用1kW的电能可以获得2kW的热量或3kW的冷气。在所有工作模式，热泵的感知温度范围是-10℃～40℃。带热泵的空调制冷剂量是970g，不带热泵的空调制冷剂量是750g，制冷剂的质量对空调系统的正常运转非常重要。

1.制冷模式

热泵在制冷模式时，制冷剂回路选用的设备与空调的标准设备完全相同。关闭制冷剂截止阀18和20，打开制冷剂截止阀17和21，示意图如图13所示。

2.加热模式

热泵在加热模式时，关闭制冷剂截止阀17和21，打开制冷剂截止阀18和20,制冷剂流过热泵换热器。热量不再从冷凝器排入大气，而是传递到暖风加热回路的冷却液。热泵换热器出口的电控膨胀阀产生压力，足够的热量传递到这里。为了再次关闭回路，空调蒸发器也使用电控膨胀阀产生制冷剂压力。激活用于制冷的蒸发器电控膨胀阀，以便再次增加蒸发器制冷剂压力，也可以使用产生的热量。散热后的制冷剂反向流过冷凝器，通过打开的制冷剂截止阀和储液干燥器流回EKK，示意图如图14所示。

3.混合模式

热泵在混合模式时，打开制冷剂截止阀17、20和21，关闭制冷剂截止阀18，制冷剂不能反向流动。高温高压制冷剂分流，一方面经冷凝器散热后，冷却高电压蓄电池，并通过冷却蒸发器实现乘客舱除湿，另一路高温高压制冷剂在热泵换热器散热。当车外光线强时，不必从空调出风口吹冷气，这是带热泵空调系统的另一个优点。如果要加热脚部空间，使用热泵换热器，不必浪费电能，示意图如图15所示。

图13 制冷模式示意图

图14 加热模式示意图

图15 混合模式示意图