淺析熱泵型新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計及實驗

張原原

摘要：現(xiàn)階段在整個汽車行業(yè)，新能源汽車是發(fā)展的大趨勢，關(guān)于新能源汽車的開發(fā)與研究也充滿多樣化。在汽車中，空調(diào)系統(tǒng)是第二大耗能設(shè)備，所以大力發(fā)展新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)，將會大力推動新能源汽車的推廣和發(fā)展。本文主要針對新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的動力電源、冬季取暖耗能大及運行工況復(fù)雜等方面入手，從業(yè)研發(fā)設(shè)計出熱泵性新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：熱泵系統(tǒng)；新能源汽車；實驗研究

中圖分類號：K254 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-3178（2018）20-0370-01

1 研究的背景及目的意義

燃油汽車能給人們?nèi)粘Ｉ顜砗艽蟊憷矌砹撕艽蟮沫h(huán)境污染和能源消耗。所以，具備能源利用率高及污染少等各方面優(yōu)勢的電動汽車，逐漸成為了新型的綠色出行交通工具。雖然新能源汽車優(yōu)點很多，但在推廣和應(yīng)用時還存在不少問題。電動汽車在冬季取暖方式上與普通汽車存在很大區(qū)別。普通汽車是將發(fā)動機運行而散發(fā)的熱量直接引進車內(nèi)，而電動汽車則是使用電能作為熱能的來源，所以不能使用和普通汽車一樣的取暖系統(tǒng)。電動汽車一般采用PTC電加熱器供暖，然而這些設(shè)備效率低，消耗電量很大。因此，電動汽車使用熱泵空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度，具有能效高的巨大優(yōu)勢，在滿足車內(nèi)相同負(fù)荷的情況下，能以相對較低的耗能來滿足車內(nèi)設(shè)置的溫度要求，而且還可實現(xiàn)制熱和制冷的雙重功能。

2 新能源電動汽車空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)燃油汽車空調(diào)結(jié)構(gòu)主要有：壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、儲液罐、控制系統(tǒng)和送風(fēng)及其管路系統(tǒng)組成。空調(diào)壓縮機主要動力來源于發(fā)動機，空調(diào)主要能耗是壓縮機和冷凝器。大家熟知傳統(tǒng)汽車空調(diào)工作原理，這里不再介紹，這類空調(diào)共同特點是由發(fā)動機直接提供動力，消耗發(fā)動功率約為20%，且效率轉(zhuǎn)化值不足40%。如何降低能耗，提高效率一直是空調(diào)領(lǐng)域關(guān)注的焦點。新能源汽車空調(diào)在結(jié)構(gòu)上大體與傳統(tǒng)汽車近似，電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)主要由：電動壓縮機、電動壓縮機控制器、冷凝器、管路系統(tǒng)（液體管、壓縮機排氣管、壓縮機吸氣管）、室內(nèi)溫度傳感器、室外溫度傳感器、陽光傳感器、空調(diào)主機（蒸發(fā)器、加熱器、溫度風(fēng)門執(zhí)行器、模式風(fēng)門執(zhí)行器、內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門、鼓風(fēng)器、蒸發(fā)器溫度傳感器）、膨脹閥、空調(diào)控制器等零部件構(gòu)成。但是電動汽車空調(diào)系統(tǒng)不但要滿足汽車制冷需要，還要制熱。目前電動汽車空調(diào)制熱主要采用PTC加熱和電熱管加熱的兩種模式，由于系能源電動汽車動力取自電動機，能量來源與動力電池，所以多數(shù)國內(nèi)車企在使用電動壓縮機直接利用蓄電池供電帶動其工作，雖然電動壓縮機比就流行使用無刷永磁直流電動機，電子控制單元等是其結(jié)構(gòu)簡單，體積小、制冷效率高，但是仍然影響電動汽車的續(xù)航里程，而且制熱的效率也不高。鑒于目前新能源汽車空調(diào)現(xiàn)狀，其明顯的缺陷制約著我國新能源電動汽車的普及。特別是北方地區(qū)，冬季車內(nèi)制熱可損失大約50%的續(xù)航里程。如果我國要在全國范圍內(nèi)推廣新能源電動汽車一些關(guān)鍵技術(shù)還亟需解決。

3 熱泵型汽車空調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)理論研究

熱泵型汽車空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用在新能源汽車上，能滿足對車內(nèi)制熱和制冷的兩用需求。比較普通汽車的空調(diào)系統(tǒng)，熱泵型空調(diào)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上增加了1個四通換向閥的關(guān)鍵部件，從而滿足在不需要另外的冬季取暖裝置時，實現(xiàn)夏季制冷與冬季制熱的系統(tǒng)切換。熱泵型汽車空調(diào)系統(tǒng)在夏天制冷時，將制冷劑通過壓縮機壓縮成高溫高壓的蒸汽，然后再由四通換向閥與車外環(huán)境通過冷凝器總成進行熱交換，從而冷凝成高壓的制冷劑過冷液體，再經(jīng)由膨脹閥節(jié)流流進車內(nèi)的蒸發(fā)器總成。低溫低壓的制冷劑在蒸發(fā)器總成中，與車內(nèi)環(huán)境進行熱交換，把車內(nèi)的熱量吸收，再回到壓縮機，從而達到給車內(nèi)降溫的效果。這樣的制冷系統(tǒng)雖然也應(yīng)用于普通汽車空調(diào)，但在冬季制熱取暖時，熱泵型汽車空調(diào)系統(tǒng)會通過切換四通換向閥，而將冷凝器總成與蒸發(fā)器總成進行熱力交換，從而提高車內(nèi)的溫度。然后再經(jīng)膨脹閥節(jié)流進入車外蒸發(fā)器總成來吸收熱量，最后進入壓縮機形成了一個完整的循環(huán)。要實現(xiàn)這種從低溫物體將熱量傳至高溫物體的過程，就必須通過消耗其他的能量來使其做逆循環(huán)運動。熱泵型新能源汽車空調(diào)在冬季運行時，因為蒸發(fā)溫度較低，車外換熱器表面溫度降低，會出現(xiàn)結(jié)霜問題，降低換熱器和空調(diào)系統(tǒng)的效率，所以應(yīng)該及時除去車外換熱器的霜層。但熱泵型汽車空調(diào)在冬季除霜時，不適合采用普遍的逆循環(huán)除霜的方法，應(yīng)該采用熱氣旁通除霜法，主要有以下幾種方式：壓縮機排氣旁通到蒸發(fā)器；儲液器旁通到吸氣口；壓縮機排氣旁通到吸氣口。

4 系統(tǒng)零部件的選型

通過熱力計算分析系統(tǒng)的壓縮機耗功等性能參數(shù)，考慮熱泵型汽車空調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜多樣的實際運行狀況，選取合適的渦旋式壓縮機。考慮到冬季除霜這一重要問題，管翅式換熱器比平流式換熱器更占優(yōu)勢。由于熱泵型新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的特殊性，需要考慮其制冷和制熱雙方面需求，所以具有雙向性能的儲液器和氣液分離器更為合適。

5 實驗與分析

新能源汽車熱泵型空調(diào)系統(tǒng)實驗是根據(jù)《汽車用空調(diào)器（GB/T21361-2008）》所要求，用進出口焓差法來測試的，需在標(biāo)準(zhǔn)焓差實驗室中進行。針對熱泵型汽車空調(diào)在冬季寒冷的環(huán)境下，車外換熱器容易出現(xiàn)結(jié)霜情況，在進行實驗測試中，發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)蒸發(fā)器結(jié)霜時，一些關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢和表面結(jié)霜狀態(tài)有關(guān)。從中可以看出蒸發(fā)器結(jié)霜，首先發(fā)生在蒸發(fā)器中間部位，然后隨之運行時間的增加，再逐漸蔓延到四周及其回路之間。而且由于蒸發(fā)器回路的位置不一樣，就導(dǎo)致上層的回路結(jié)霜狀態(tài)較輕，而處于回路下端的蒸發(fā)器表面結(jié)霜現(xiàn)象較嚴(yán)重。所以在換熱器設(shè)計時，應(yīng)該考慮到這方面的問題，有助于提高換熱器的換熱量。

6 結(jié)語

新能源汽車作為現(xiàn)階段整個汽車行業(yè)發(fā)展的大趨勢，對其開發(fā)和研究的領(lǐng)域充滿多樣化；空調(diào)系統(tǒng)作為汽車中的第二大耗能設(shè)備，新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的大力發(fā)展必將對新能源汽車的發(fā)展和推廣起到重要的推動作用。本文對新能源汽車開發(fā)的新型制冷、制熱模式，并圍繞除霜問題開展了深入研究，從而為以后的熱泵型空調(diào)系統(tǒng)的性能提升，打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

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