電動汽車空調(diào)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

李冬青 張永學

（1.焦作交通中等職業(yè)學校，焦作 454200；2.鄭州交通學院，鄭州 450062）

電動汽車作為目前新能源汽車的主要類型，已公認為是汽車的發(fā)展方向。盡管目前電動汽車的動力性、經(jīng)濟性和舒適性與傳統(tǒng)燃油汽車還存在一定的差距，但無論是政府、科研機構(gòu)，還是汽車制造商都在致力于電動汽車與傳統(tǒng)汽車相比性能上的突破。作為汽車舒適性之一的空調(diào)性能已成為現(xiàn)代汽車消費者的基本要求。然而，由于電動汽車的動力源與傳統(tǒng)燃油汽車有著本質(zhì)的不同，其空調(diào)系統(tǒng)也有著較大的差別。

汽車空調(diào)作用有三個，一是調(diào)節(jié)乘艙內(nèi)的空氣溫度，二是吸入新鮮空氣，保持乘艙內(nèi)的空氣流動和清潔度；三是實現(xiàn)擋風玻璃的去霜功能，保持駕駛員有一個良好的視野。傳統(tǒng)燃油汽車空調(diào)裝置實現(xiàn)上述功能，是依靠來自于發(fā)動機曲軸的動力，驅(qū)動壓縮機和水泵（發(fā)動機余熱）進行工作，而電動汽車就不能依靠機械動力實現(xiàn)上述功能。

1 目前電動汽車空調(diào)設(shè)計現(xiàn)狀

1.BSG電動汽車空調(diào)系統(tǒng)：BSG電動汽車，也就是輕度混合電動汽車，其電機不直接參與動力驅(qū)動，僅僅是作為快速啟動發(fā)動機時的扭力來源。因此，對于BSG電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油發(fā)動機的空調(diào)系統(tǒng)基本一樣，制冷裝置的壓縮機的動力來源于發(fā)動機曲軸上的機械動力，取暖仍然是利用發(fā)動機的余熱，只是機械水泵換成電動水泵。

2.ISG電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)：ISG電動汽車，即中度混合電動汽車，其電機參與動力驅(qū)動，但還不具備純電動汽車的行駛模式。由于ISG電動汽車配有小容量的高壓電池，其空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油汽車相比有一定的變化。其制冷系統(tǒng)多采用雙模系統(tǒng)，即發(fā)動機運行時，空調(diào)壓縮機動力來自于發(fā)動機，發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)時，壓縮機由電機驅(qū)動。其取暖方式與ISG相同。

3.PHEV電動汽車空調(diào)系統(tǒng)：PHEV電動汽車，即插電式混合動力汽車，不僅配有大容量的高壓電池，還可以利用外部電源進行充電。其電機不僅參與發(fā)動機的動力驅(qū)動，還可以以純電動模式進行動力驅(qū)動。因此，其空調(diào)系統(tǒng)與ISG相比，又有了進一步的改進。其制冷裝置的壓縮機不是依靠發(fā)動機或驅(qū)動電機提供動力的機械是壓縮機，而是電動壓縮機。其優(yōu)點是重量輕、體積小、噪聲低、制冷效率高，而且控制精度高，已成為電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。其取暖裝置分別采用發(fā)動機余熱+電動水泵+空氣PTC輔助加熱和發(fā)動機余熱+電動水泵+獨立的燃料加熱器兩種方式。

4.EV電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)：EV電動汽車，即純電動汽車，沒有發(fā)動機，所有動力來源只能是蓄電池。其制冷系統(tǒng)與PHEV基本相同，但取暖裝置只能依靠于高壓大容量電池。目前有兩種方式：高壓PTC水加熱器+電動水泵和高壓PTC空氣加熱器。

5.FCEV電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)：FCEV電動汽車，即燃料電動汽車，就是將燃料的化學能轉(zhuǎn)化成電能（即燃料電池），作為汽車的運行動力。由于燃料電池在能量轉(zhuǎn)化過程中，只能部分轉(zhuǎn)化成電能，而其余部分則轉(zhuǎn)化成熱能。因此，其取暖裝置可以利用燃料電池工作時產(chǎn)生的余熱+電動水泵的方式來提高艙室的溫度。其制冷裝置依靠于電動壓縮機的方式工作。

2 電動汽車空調(diào)的發(fā)展趨勢

電動汽車的發(fā)展方向必將是由混合動力向純電動汽車和燃料電動汽車方向發(fā)展，其空調(diào)動力來源也是由機械動力轉(zhuǎn)為電源動力。但對于電動汽車有限的電能源而言，如何降低最大輔助耗能的空調(diào)能源消耗，提高制冷（熱）效率，無疑對于延長電動汽車的行駛里程有著重要的意義。國內(nèi)外高校和企業(yè)在研究電動汽車的同時，也相應(yīng)地開展了空調(diào)系統(tǒng)的配套研究。由于傳統(tǒng)的燃油汽車車艙內(nèi)冬季采暖一般采用發(fā)動機的余熱，而電動汽車尤其是純電動汽車冬季取暖不可能再依靠發(fā)動機余熱，這就需要一種既能制冷又能制熱的車用空調(diào)。就目前國內(nèi)外的研究動向，電動汽車的空調(diào)傾向于熱泵技術(shù)空調(diào)。熱泵技術(shù)是一項節(jié)能技術(shù)，它在家用空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用已較為成熟，市場上大約40%左右的家用空調(diào)運用熱泵技術(shù)。對汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究目前僅僅局限于實驗室。目前汽車熱泵空調(diào)采用的技術(shù)路線主要包括R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)、CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)、太陽能輔助熱泵空調(diào)系統(tǒng)和電加熱器混合調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)。

1.R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)：R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)是日本電裝公司開發(fā)的電動汽車空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以空氣為熱源，在車艙內(nèi)同時安裝有蒸發(fā)器和冷凝器，通過四通閥等關(guān)鍵部件的控制，可以實現(xiàn)制冷劑車艙內(nèi)外雙向流動，達到制冷、取暖、除濕、除霜的功能，其原理如圖1。該空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)試驗測試，在制冷和制熱運行工況下具有較好的性能：當環(huán)境溫度為40℃，車室溫度為27℃，相對濕度為50%時，系統(tǒng)的制冷效能比（EER）達2.9；環(huán)境溫度為-10℃，車室溫度為25℃時，系統(tǒng)制熱性能系數(shù)（COPh）達2.3。目前，該空調(diào)系統(tǒng)還停留在實驗室研究階段，其主要應(yīng)用瓶頸在于壓縮機要求是高效能的純電動壓縮機。另外，由于該系統(tǒng)采用的制冷劑R134ad的GWP(全球變暖潛能)值較高（1300），這與歐盟制定的“自2017年1月1日起，在歐洲境內(nèi)生產(chǎn)和銷售的所有新車，禁止使用GWP＞150的制冷劑?！毕鄾_突，因此需要進一步研究和改進。

圖1 R134a熱泵空調(diào)原理圖

2. CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)：CO2作為一種自然制冷劑在100年前曾經(jīng)廣泛應(yīng)用，只是到了上世紀30年代，有了“較合理”的氟利昂制冷劑所代替。目前，隨著人們環(huán)保意識的增強和空調(diào)標準的提高，尤其是對制冷劑的GWP值要求的降低，CO2（GWP值為1）作為一種來源廣泛、價格低廉、無毒、安全的天然氣體重新列入空調(diào)制冷劑的方向。自從1992年挪威工業(yè)大學的Lorentzen教授提出了二氧化碳跨臨界循環(huán)理論，制造了第一套二氧化碳空調(diào)系統(tǒng)，并得出了與R134a系統(tǒng)相近的性能測試結(jié)果之后，二氧化碳再次引起人們的興趣。在CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)方面，國外許多著名的企業(yè)如日本的Denso（電裝），美國的Visteon（偉世通），法國的Valeo（法雷奧）等公司均已研制出二氧化碳汽車空調(diào)樣機。日本電裝公司還專門為電動汽車開發(fā)了一套CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)也采用了在風道內(nèi)設(shè)置2個換熱器的方案，與R134a系統(tǒng)（圖1）不同的是CO2系統(tǒng)各部件的承壓均超過10MPa，且制冷模式運行時，制冷劑同時流經(jīng)內(nèi)部冷凝器和外部冷凝器。2003年，上海交通大學聯(lián)合Santana（桑塔納）公司研制出我國第一套CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)，通過實驗發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)與國外同期研制的樣機性能差不多。但相比傳統(tǒng)的R134a系統(tǒng)而言，CO2系統(tǒng)排氣壓力高、成本高且壓縮機較為笨重，因而目前對CO2應(yīng)用于汽車空調(diào)系統(tǒng)還僅僅停留在實驗室研究階段。

3.電加熱輔助熱泵空調(diào)系統(tǒng)：電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在室外環(huán)境溫度極低的情況下，制熱性能會大大降低，往往無法滿足車內(nèi)的熱負荷需求，而采用電加熱輔助的空調(diào)系統(tǒng)則克服了熱泵系統(tǒng)的以上缺點。三菱汽車2009年7月上市的電動汽車“i-MiEV”采用了電加熱器作為空調(diào)的制暖熱源。加熱器由可用電發(fā)熱的PTC（Positive Temperature Coefficient）加熱器元件、將加熱器元件的熱量傳送至散熱劑（冷卻水）的散熱扇、散熱劑流路和控制底板等組成（圖2）。該電加熱器配置在駕駛席和副駕駛席之間的地板下方，通過在其內(nèi)部的加熱原件兩側(cè)通入冷卻水，提高了制暖性能。

圖2 i-MiEV電動汽車電加熱器

4.太陽能輔助空調(diào)系統(tǒng)：早在1989年，Ingersoll就發(fā)現(xiàn)將太陽能電池布置在車頂，在為汽車空調(diào)系統(tǒng)提供部分能量的同時也大大降低了車廂內(nèi)的峰值冷負荷。由于汽車空調(diào)在制冷時需要幾千瓦的功率，而目前在轎車頂部安裝不足2m2太陽能電池一小時只能產(chǎn)生200-300W的能量，要完全依靠太陽能電池來驅(qū)動壓縮機目前還不可能。但是可以驅(qū)動風扇電機，尤其是在夏季陽光下泊車時，在減少車艙內(nèi)因太陽照射升溫的同時，可以驅(qū)動風扇，加強車艙內(nèi)的空氣流通，能在乘車人進入車內(nèi)時有一個較好的環(huán)境。

5.冷熱電聯(lián)合儲能電動汽車空調(diào)系統(tǒng)：本技術(shù)以水為介質(zhì)，通過蓄冷/蓄熱供應(yīng)電動汽車的空調(diào)/暖氣，代替現(xiàn)有的電驅(qū)動空調(diào)和電加熱器，由此大幅度提高電動汽車的續(xù)程能力，同時大幅度降低儲能設(shè)備的成本。夏季，汽車充電時，制冷系統(tǒng)啟動，為蓄能器制冰蓄冷。冬季，汽車充電時，通過電加熱系統(tǒng)（PTC），為蓄能器蓄熱。該空調(diào)系統(tǒng)的最大優(yōu)點是減少了對有限能源的依賴，從而延長了電動汽車的行駛里程。不足之處就是增加了汽車的重量和蓄冷/蓄熱設(shè)施。

3 結(jié)論

空調(diào)作為電動汽車最大輔助系統(tǒng)，隨著動力源的變化，其工作形式也必將發(fā)生質(zhì)的變化。目前國內(nèi)外對電動汽車空調(diào)、尤其是純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的研究大多是停留在實驗室研究階段，雖然提出許多設(shè)計方案（除了上述五種方案外，還有座椅空調(diào)系統(tǒng)），但最根本的一點就是提高空調(diào)制冷/制熱效率，減少有限電能消耗，保證汽車有效的持續(xù)里程。

[1] 謝卓，陳江平，陳芝久．電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計分析[J]．汽車工程，2006（8）

[2] 曹中義．電動汽車空調(diào)系統(tǒng)解決方案[J]．汽車電器，2008（3）

[3] 歐陽光．熱泵型電動汽車空調(diào)系統(tǒng)性能試驗研究[D]．華南理工大學，2011