新能源汽车热泵空调技术研究与应用

魏秋兰，王红，刘涛

（陕西交通职业技术学院汽车工程学院，陕西 西安 710018）

引言

新能源电动汽车发展迅速，仅2019年，全国新能源汽车累计产销量分别达到124.2万辆和120.6万辆。但是目前面临的突出问题主要有：续航里程短的问题；充电时间长，充电设施供应不足，电池能量密度小和回收处理难，问题的解决方案主要集中在能量热效率和热管理，空调系统的节能高效成为关键考虑因素[1]。

新能源汽车空调与传统汽车空调的区别是采用电动压缩机取代了传统皮带驱动的空调压缩机。制冷工作原理基本相同，取暖通常采用电加热方式，主要分为两种：一种是混合动力模式时利用发动机冷却液作为热源，为加热器芯提供热量[1]；另一种是纯电动模式下通过PTC加热器直接加热空气或加热冷却液再间接加热空气，但是这些方式不仅能耗高而且制热效率低。热泵型空调技术可以解决电动汽车取暖能耗高及对发动机余热的依赖[2]。热泵空调系统以电动空调压缩机，利用制冷循环可逆转的特点，集制冷与制热为一体，具有通用性好、对整车结构改变小、结构紧凑、高效节能、环保等优点，成为了国内外专家研究的热点和将来电动汽车空调发展趋势[3]。本文针对新能源汽车热泵空调系统控制技术发展和应用方面进行探讨和研究。

1 热泵空调系统工作模式

热泵空调采用四通换向阀使蒸发器与冷凝器功能互相对换，改变热量的转移方向，从而达到夏天制冷和冬天制热的效果[4]。车用热泵空调系统在四通换向阀基础上做了改进：工作可靠，结构简单。以大众e-Golf车型为例，工作原理如图1所示，主要由电动压缩机、室内外换热器、膨胀阀、切断阀和气液分离器等组成，使用切断阀可以改变热量转移方向，将热泵空调的蒸发器和冷凝器功能互相对换。制冷时，膨胀阀EV1关闭，由压缩机排出的高压蒸气，先经热冷凝器，再经切断阀SV1进入冷凝器，制冷剂蒸气被冷凝成液体，经膨胀阀EV2进入蒸发器，并在蒸发器中吸热，将室内空气冷却，蒸发后的制冷剂蒸汽，经切断阀SV4和气液分离器后被压缩机吸入，这样周而复始，实现制冷循环。

图1 车用热泵空调系统原理图

取暖时，仅通过使用外部空气的热量为车辆内部供暖，电动空调压缩机压缩驱动制冷剂。气态制冷剂高温时所受压力较高。在热冷凝器中，制冷剂将热量传到空气中并开始冷凝。空气受热后，作为热源流入车内，切断阀 SV1和 SV4关闭。膨胀阀EV1使压力降低，液态制冷剂的温度也相应下降，这时蒸发器用作冷凝器，流入的制冷剂冷凝、开始释放热量，这时预热空气进一步流向热冷凝器，膨胀阀EV3关闭，膨胀阀EV2进一步使制冷剂压力降低，此时制冷剂温度低于环境温度，进而在冷凝器中蒸发，制冷剂蒸发时，会吸收外部较暖空气热量，使其温度降低，气态制冷剂流经切断阀SV5，沿空调压缩机方向流出冷凝器。

2 热泵空调技术研究

热泵空调系统中的电力驱动，会影响电动汽车的行驶里程，而且低温下热泵系统效率严重下降和车外换热器容易结霜。因此，现阶段研究主要集中在低温环境中如何提高热泵空调制热能力、热管理系统研究、最佳的制冷工质选择、压缩机的控制、换热器除霜问题等方面。

2.1 低温环境下提高热效率

热泵空调系统具有能效比高的特点，但工作温度范围受到制冷工质和空调系统结构的影响，发挥最大效率时的室外温度范围是 -5 °C 到 15 °C之间，随着环境温度的降低，制热能力衰减严重，在极端寒冷条件下，能效比下降明显，需借助于高压PTC进行辅助加热[5]。解决低温工况制热能力衰减的主要应对措施有[6]：补气曾晗技术，提高制冷剂流量，增大散热量；双级压缩中间冷却技术，减小压缩比，降低排气温度；优化车外换热器，改变可变进气格栅等。

2.2 热管理研究

为弥补热泵空调低温工况性能的不足，同时为了节约能耗，大部分电动汽车都有一套综合的热管理系统：涵盖采暖，制冷，蓄热，热回收等技术。所有具有利用价值的热元件如高压蓄电池、驱动电机、电子功率装置、车载充电机都将在这套系统的科学管理下工作。研究表明[7]：纯电动汽车在车速变化时，电池散热量迅速增加，即废热增加；当废热回收热泵系统在2 ℃的工况下运行时，换热量最大可增加至3 797 W，能效比范围为1.82～2.43，增加的废热能满足制热要求；当温度降到-7 ℃ 时，换热量最大可增至2 407 W，能效比范围为1.56～2.63，回风温度可达13.2 ℃，但仍需提供额外热源才能满足制热要求。

2.3 制冷工质的选择

表1 几种常见制冷剂的主要性能比较

2016年11月蒙特利尔议定书第28次缔约方大会中，汽车空调制冷剂R134a被列入《基加利修正案》限控清单；R134a在全球范围内各国逐步禁用R134a作为汽车空调制冷剂[8]。R410因温室效应较高，没有被大量使用。与R1234yf相比，CO2更适合作为热泵系统的制冷剂，其在极低温（-3～20 ℃）仍有较高的 COP（能效比）。CO2具有良好的热物理性能，并且CO2使全球变暖的潜在能力（GWP）是R134a的千分之一[9]。-20 ℃的低温环境下，CO2热泵电动车的采暖能力显著大于PTC电动车，与传统燃油车相近；在-5 ℃的环境下，相比 PTC电动车，CO2热泵系统电动车在正常模式下的续航里程可增加23.6%[10]。

2.4 压缩机控制技术

压缩机是空调系统的核心部件，在已上市的搭载有热泵空调系统的电动汽车上采用高压电动涡旋压缩机，具有结构简单、噪音低、体积小、重量轻、运行平稳、效率高等优点[11]。在压缩机中间腔补充中压气体，增加排气量，降低排气温度，能够提高制热能力，所以采用补气增焓技术的涡旋压缩机可以有效改善低温环境下单级涡旋压缩机的排气温度过高和制热能力低下的问题[12-13]，研究表明，在外界温度-7 ℃时，准双级压缩机比单级压缩机排气温度降低了10 ℃[3,12]；随着外界温度升高，压缩机排气质量流量逐渐增大，相比单级压缩机，准双级压缩机排气量增大12.9%～17.4%，制热能力提升效果明显[3,12]。

2.5 除霜问题研究

在制热模式下，车外换热器被当作蒸发器使用，其表面温度低于0℃时会引起换热器表面结霜或者结冰，从而使换热性能急剧下降，为此，可考虑给换热器表面进行除霜，除霜方法主要有逆循环法和热气旁通法[14]。逆循环法除霜[15]是通过改变四通换向阀的方向，切换至短暂的制冷模式，车外换热器作为冷凝器使用，从而融化掉其表面的霜，但未被蒸发的水还是容易导致二次结冰，也会降低系统的性能。热气旁通法除霜[16]通常是指将压缩机排气旁通到蒸发器入口处，利用压缩机排出的高温高压制冷剂的潜热来融霜。除霜还可以采用更精准的热开发控制、更节能更精准的硅电子膨胀阀，高效的过冷式平行流冷凝器，改善微通道蒸发器结构，使制冷剂蒸发更均匀[17]。

3 热泵空调的应用

热泵空调系统已在电动汽车上逐渐得到应用和推广，大众的e-Golf和新上的ID4、奥迪R8和Q7e-tron、宝马i3、雷诺Zoe、标致2008、捷豹i-Pace均已量产装车，特斯拉于2020年量产的 Model Y同样已搭载热泵空调，国内主要在长安CS75 PHEV、一汽奔腾B30EV、上汽荣威Ei5和荣威Marvel X都应用了热泵空调系统，而且覆盖纯电和混动车型[5]。据报道[18]，荣威在旗下车型上搭载的全工况热泵空调系统在-7℃的环境前提下高效的热泵将会相较于其他空调系统节能37.5%。在同样供暖条件下搭载热泵空调的电动车将会比传统系统的电动车续航里程增加15%～30%。

国内主机厂从2000年开始热泵系统地研究和应用，2018年，格力也发布了旗下车载热泵空调产品，搭载双级增晗技术[18]，并且已经解决超低温环境下制热量不足的问题，并在-30～54 ℃大温度区间可靠运行，而格力更表示搭载该空调系统的车型在测试中空调耗电量降低60%，整车续航里程提升13%。

4 热泵空调故障诊断研究

车用热泵空调系统中常见的故障为：压缩机内泄漏故障；冷凝器侧空气流量不足故障，即冷凝器管路出现问题，会导致空气侧流量降低；蒸发器侧空气流量不足故障，即蒸发器管路出现问题，会导致空气侧流量降低；液体管路阻塞故障，即液体管路变形或干燥器过滤器结垢；制冷剂充注量不足或充注量过多。故障原因主要集中在压缩机、制冷剂循环系统、电气控制系统等方面，由于压缩机由高压电动机驱动，所以在高压系统的电路检查与处理时，必需由经过车辆高压系统操作培训的专业维修人员来操作，操作时要做好安全防护措施，严格按照安全维修操作规程对高压系统断电后方可进行[19-20]。鼓风机与风门电机电路的控制传统电路基本一样，热泵空调系统故障诊断思路与传统汽车空调差异不大，可用故障诊断仪读取故障码对相应模块进行检查。

5 结语

本文主要研究了车用热泵空调的工作模式、探讨了技术研究进展和典型应用。现阶段车用热泵空调在低温环境下的制热效率有了大幅提高，综合了高压蓄电池、驱动电机、功率电子装置能量的热管理系统效果不断完善，CO2成为制冷工质选择方向，电动压缩机的控制愈来愈可靠精确，换热器除霜问题基本得到解决，需要注意的是，车用热泵空调是汽车空调的发展方向，在故障诊断还需深入研究。