新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

曹汝恒，劉松，張書義，曹建明

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

?

新能源汽車

新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

曹汝恒，劉松，張書義，曹建明

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

基于新能源汽車的快速發(fā)展情況，介紹新能源汽車的分類，歸納汽車空調(diào)的功能和要求，以及新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的分類及發(fā)展趨勢。

新能源汽車；空調(diào)系統(tǒng)；發(fā)展趨勢

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.037

CLC NO.: U463.61 Document Code: B Article ID: 1671-7988 (2016)06-106-03

引言

目前，全球能源和環(huán)境系統(tǒng)面臨巨大的挑戰(zhàn)，世界各國都在大力發(fā)展新能源汽車，我國更是將其列入到七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之中，出臺了許多對新能源汽車研究開發(fā)和使用的鼓勵(lì)政策。在十二五期間?中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)完成了產(chǎn)業(yè)化起步階段的任務(wù)，剛剛通過的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》，把新能源汽車推廣列入國家的重要計(jì)劃之中，要求提高電動汽車產(chǎn)業(yè)化水平。這表明在“十三五”期間，新能源汽車發(fā)展在整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中將處在十分重要的地位，明確了新能源汽車在國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中的戰(zhàn)略定位。隨著新能源汽車的飛速發(fā)展，新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展也是日新月異，新技術(shù)層出不窮。

1、新能源汽車的分類

新能源汽車是指采用除汽油、柴油發(fā)動機(jī)之外所有其它非常規(guī)的車用燃料作為動力來源的能源汽車。汽車上能夠?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的裝置裝置有熱機(jī)、電機(jī)和燃料電池三種，主要是純電動汽車（BEV，包括太陽能汽車）、燃料電池電動汽車（FCEV）、混合動力汽車（HEV)。

（1）純電動汽車（BEV，包括太陽能汽車）

純電動汽車是一種采用單一蓄電池作為儲能動力源的汽車，它利用蓄電池作為儲能動力源，通過電池向電動機(jī)提供電能，驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而推動汽車行駛。

（2）燃料電池電動汽車（FCEV）

燃料電池電動車主要以氫氣作為能源，通過燃料電池機(jī)組或者燃料電池發(fā)動機(jī)這一能量轉(zhuǎn)換裝置，把氫氣和氧氣以電化方式由化學(xué)能量轉(zhuǎn)化為電能從而通過電機(jī)驅(qū)動車輛。這類車輛需要配備高電壓電池系統(tǒng)。

（3）混合動力汽車（HEV)

混合動力汽車（HEV)是指采用傳統(tǒng)燃料，同時(shí)配以電動機(jī)或發(fā)動機(jī)來改善低速動力輸出和燃油消耗的車型。混合動力汽車按照燃料種類的不同，又可以分為汽油混合動力汽車和柴油混合動力汽車兩種。

2、汽車空調(diào)的功能和要求

現(xiàn)代汽車空調(diào)主要有四種功能，其中任何一種功能都是為了是乘客感到舒適。

（1）空調(diào)系統(tǒng)的采暖和制冷功能，對車室內(nèi)空氣或由外部進(jìn)入車室內(nèi)的新鮮空氣進(jìn)行加熱或冷卻，把車廂內(nèi)溫度控制到保證乘員舒適的水平；

（2）空調(diào)系統(tǒng)的過濾空氣和通風(fēng)換氣功能，可以排除空氣中的灰塵和花粉，又可以吸入新風(fēng)，保證車內(nèi)空氣的清新度；

（3）空調(diào)系統(tǒng)的濕度自動控制功能，干燥空氣吸收人體汗液，使車內(nèi)相對濕度保持在 50%~70%，給乘員舒適的環(huán)境；

（4）空調(diào)系統(tǒng)的除霧除霜功能，通過空調(diào)出風(fēng)清除前擋風(fēng)玻璃因車內(nèi)溫差大而產(chǎn)生的霧或霜，為駕駛員提供清晰的視野，保證安全駕駛。

對于汽車空調(diào)的要求是能在各種氣候和行駛條件下將車內(nèi)的環(huán)境調(diào)整到對人體最適宜的狀態(tài)，為乘車人員提供舒適的乘車環(huán)境，降低駕駛員的疲勞強(qiáng)度，提高行車安全。新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)在滿足以上常規(guī)動力空調(diào)具備的必須的功能和要求之外，還要進(jìn)一步的開發(fā)新技術(shù)，解決由于新能源汽車的能源發(fā)生變化而對空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

3、新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的分類及發(fā)展趨勢

3.1新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的分類

傳統(tǒng)燃油汽車空調(diào)的制熱裝置就是一個(gè)與發(fā)動機(jī)冷卻水道相連的暖風(fēng)散熱器，通過發(fā)動機(jī)水泵抽吸發(fā)動機(jī)的冷卻水在暖風(fēng)散熱器內(nèi)流動，加熱經(jīng)過的空氣并吹入駕駛室。汽車空調(diào)的制冷裝置主要是由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥和鼓風(fēng)機(jī)等組成，各部件之間通過空調(diào)管路連接成一個(gè)密閉的系統(tǒng)，制冷劑在壓縮機(jī)作用下以不同狀態(tài)在這個(gè)空間內(nèi)循環(huán)流動達(dá)到制冷效果。

由于新能源汽車使用能源的變化必然會對空調(diào)系統(tǒng)造成影響，而且其冷熱源與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)也有很大的不同，那么能源使用效率會降低。因此新能源汽車空調(diào)的的研發(fā)目標(biāo)是利用新技術(shù)盡可能提高能源利用效率，以盡可能少的能源消耗來實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的功能。

3.1.1純電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)

對于純電動汽車沒有發(fā)動機(jī)作為空調(diào)壓縮機(jī)的動力源，也不能利用發(fā)動機(jī)余熱作為汽車空調(diào)冬天制熱用的熱源，因此空調(diào)系統(tǒng)的冷源、熱源和其他能源都來自高壓電池。

空調(diào)系統(tǒng)的制冷功能可以用電動壓縮機(jī)作為動力源來實(shí)現(xiàn)，但為了使電動壓縮機(jī)更好工作還要研發(fā)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速控制技術(shù)以提高能源利用效率。

如何制熱是純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)最大的問題，電動汽車無法燃燒燃料產(chǎn)生熱能，電動機(jī)散發(fā)的熱量小，品味低，回收利用難，因此只能通過高壓電池進(jìn)行加熱。目前高壓電加熱的方法有兩種，一種是利用高壓電直接加熱空氣，這種方法結(jié)構(gòu)簡單、熱效率高，但具有一定的安全隱患；另一種方法是利用高壓電加熱冷卻液，再通過冷卻液加熱空氣。這樣做可以沿用傳統(tǒng)能源汽車上的暖風(fēng)散熱器但系統(tǒng)比較復(fù)雜，熱效率較低。

3.1.2燃料電池電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)

燃料電池電動汽車是以燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化成的電能為動力。由于燃料電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率低，余熱排放量大，所以燃料電池汽車能耗大。汽車空調(diào)的制冷系統(tǒng)也占一大部分能耗，因此可以用余熱吸收式制冷系統(tǒng)。但由于余熱吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)的熱力系數(shù)還偏低，運(yùn)行過程中會出現(xiàn)傳熱性能變差，制冷量下降等問題，所以還需要做進(jìn)一步的技術(shù)性研究。

燃料電池電動汽車的采暖系統(tǒng)可以利用燃料電池的余熱加熱冷卻液，吸冷卻液進(jìn)入暖風(fēng)器，把經(jīng)過暖風(fēng)器加熱的空氣吹入車內(nèi)。

3.1.3混合動力汽車的空調(diào)系統(tǒng)

混合動力汽車就是在純電動汽車上加裝一套內(nèi)燃機(jī)，其能源配備結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)汽車相比變化不大，由發(fā)動機(jī)和電動馬達(dá)共同或各自單獨(dú)驅(qū)動行駛汽車，它的空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車空調(diào)的系統(tǒng)基本上沒太大變化，當(dāng)驅(qū)動壓縮機(jī)工作的動力來源不同時(shí)要改變相應(yīng)的配置以保證空調(diào)功能的正常。

當(dāng)發(fā)動機(jī)、電動馬達(dá)都參與動力驅(qū)動時(shí)，車上要配置高壓電池，這樣就有可能用電力驅(qū)動壓縮機(jī)制冷，當(dāng)發(fā)動機(jī)停機(jī)時(shí)也就可用電動壓縮機(jī)制冷。但受電池電壓和容量的限制，電動壓縮機(jī)的功率不可能很大，因此在發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)還需要使用發(fā)動機(jī)帶動壓縮機(jī)。所以理想狀態(tài)下，使用機(jī)械、電力雙模壓縮機(jī)制冷。

當(dāng)汽車處于純電動行駛模式時(shí)，為了支撐大功率電機(jī)的運(yùn)行，就要配備高電壓大容量電池，使用高電壓電動壓縮機(jī)進(jìn)行制冷，解決純電動行駛模式下的制冷問題；制熱問題也需要解決，通常制熱需要更高的功率，所以采用獨(dú)立的燃燒加熱器加熱冷卻液的方案。當(dāng)發(fā)動機(jī)停止運(yùn)行時(shí)啟動燃燒加熱器加熱冷卻液，冷卻液就可以通過暖風(fēng)散熱器加熱車內(nèi)空氣。

3.2新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

新能源汽車作為節(jié)能減排和新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的重要內(nèi)容，發(fā)展趨勢是加大使用高品位能源的比重，能源使用效率也要越來越高，新能源汽車的空調(diào)系統(tǒng)作為汽車能源消耗的主要部分也必須要符合這一發(fā)展趨勢。

制冷系統(tǒng)和制采暖系統(tǒng)是空調(diào)系統(tǒng)的兩大耗能部分，制冷系統(tǒng)的主要能源消耗集中在壓縮機(jī)上，他一般需要消耗機(jī)械能或者電能等高品位的能源；制熱系統(tǒng)的能源消耗量更大一些，但其可以利用余熱等低品位的能源。因此應(yīng)根據(jù)整車的能源配置情況合理選擇空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)方案。

新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的明顯優(yōu)勢就是高效節(jié)能，這也是空調(diào)系統(tǒng)研發(fā)的核心問題，要進(jìn)一步研究新技術(shù)提升這種優(yōu)勢。

對于制冷系統(tǒng)，利用新技術(shù)來提高COP值，如高效率低溫差熱交換器技術(shù)研究（包括蒸發(fā)器和冷凝器）、能量回收型的節(jié)流膨脹裝置研究和高效率壓縮機(jī)技術(shù)研究等。

圖1　電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

對于采暖系統(tǒng)，希望能夠盡量回收余熱，在余熱不能滿足需求時(shí)應(yīng)盡量減少對高品位能源的消耗。如可以研究熱泵制熱技術(shù)，該技術(shù)理論上能達(dá)到3以上的制熱能效比。電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)就是這種發(fā)展趨勢，在其熱泵空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道中，采用了車內(nèi)冷凝器和蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu),其工作原理如圖1所示。制冷工況循環(huán)為：由壓縮機(jī)經(jīng)四通閥至車外冷凝器，再經(jīng)電子膨脹閥 1、車內(nèi)蒸發(fā)器制冷后回到壓縮機(jī)。制熱及除霜工況循環(huán)為：由壓縮機(jī)經(jīng)四通閥至車內(nèi)冷凝器，再經(jīng)電子膨脹閥2節(jié)流、車外冷凝器蒸發(fā)換熱后通過電磁閥回到壓縮機(jī)。

4、結(jié)論

綜上所述，不同的新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)解決方案也不同，但所有技術(shù)方案都是依據(jù)針能源結(jié)構(gòu)的不同研發(fā)的，目的是為了解決能源結(jié)構(gòu)的不同而產(chǎn)生的問題，以保證空調(diào)系統(tǒng)功能的正常實(shí)現(xiàn)。這些技術(shù)方案的共同特點(diǎn)是高效率低能耗，但其中還有很多問題需要進(jìn)一步研發(fā)新技術(shù)來解決。隨著新能源汽車的迅速發(fā)展，新能源汽車空調(diào)技術(shù)也相應(yīng)的會快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域的高度突破。

[1] 陳青泉,孫逢春,祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2002.

[2] 邊耀章.汽車新能源技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3] 劉延林.新能源汽車發(fā)展趨勢的研究與探討[J].沿海企業(yè)與科技，2008（5）：34-38.

[4] 世界及中國新能源汽車現(xiàn)狀及發(fā)展前景深度分析報(bào)告2011.

[5] 王濤,張友芹.論我國節(jié)能與新能源汽車的發(fā)展戰(zhàn)略[J].汽車工業(yè)研究,2008(6):34-37.

[6] 章桐,賈永軒.電動汽車技術(shù)革命[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[7] 賀啟濱,楊靜,朱彤.利用燃料電池客車廢熱的吸收式制冷空調(diào)可行性分析.汽車工程,2007.(29)11:1005-1007.

[8] 謝卓，陳江平，陳芝久.電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的分析[J].汽車工程，2006(8):763-765.

Status of new energy automotive air conditioning system and development trend

Caoru Heng, Liu Song, Zhang Shuyi, Cao Jianming
( Chang'an University School of automobile, Shannxi Xi'an 710064 )

Based on the rapid development of new energy vehicles, introducting the classification of new energy vehicles, summarizing the functions and requirements of automotive air conditioning, as well as the classification and development trend of new energy automotive air conditioning systems.

new energy vehicles; air conditioning; development trend

曹汝恒，碩士研究生，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)動力機(jī)械及工程專業(yè)。

U463.61

B

1671-7988 （2016）06-106-03