新能源電動汽車低溫熱泵型空調系統(tǒng)研究*

汪琳琳，焦鵬飛，王 偉，伊虎城，牟連嵩，劉雙喜，許 翔

(1. 天津大學機械工程學院，天津 300072；2. 中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司，天津 300300；3. 中汽研(常州)汽車工程研究院有限公司，常州 213164)

前言

隨著大氣污染日益加重和電動化技術快速發(fā)展，新能源汽車取代傳統(tǒng)燃油汽車已是大勢所趨。在國內，大部分量產新能源電動汽車冬季仍采用高耗能電加熱器供暖技術，嚴重影響汽車的經濟性和續(xù)航里程。在低溫－10 ℃時，采用電加熱器(positive temperature coefficient，PTC)采暖能使電動汽車的續(xù)航里程下降50%以上，而利用熱泵空調系統(tǒng)采暖可以使續(xù)航里程改善35%以上[1]。因此，采用熱泵空調系統(tǒng)采暖可以有效提高電動汽車采暖的高能效比，有效延長續(xù)航里程，是重要的降低電動汽車能耗的技術手段。

表1 是目前國內外量產電動汽車采用熱泵空調系統(tǒng)的車型。國內外已量產搭載熱泵空調系統(tǒng)的新能源電動汽車中，目前幾乎所有都使用傳統(tǒng)制冷劑R134a。并且，在這些量產車型中有一半以上限制了熱泵空調系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度不能低于－10 ℃，這是制冷劑物性和系統(tǒng)架構原因所導致的限制。在冬季更加寒冷的北方地區(qū)，單使用熱泵空調系統(tǒng)不能滿足采暖的需求并會影響乘員的熱舒適性。

表1 國內外采用熱泵空調系統(tǒng)電動汽車車型

提高熱泵空調系統(tǒng)在冬季采暖的能效，減少因開啟熱泵空調系統(tǒng)導致電動汽車續(xù)航里程的下降，是目前推廣新能源電動汽車廣泛應用需要解決的關鍵技術問題之一。為解決熱泵空調系統(tǒng)在低溫環(huán)境下有效采暖并提高乘員艙的熱舒適性，本文中對熱泵空調系統(tǒng)的利用提出了3 種解決方案并進行了分析。一是回收電池與電驅的余熱；二是蒸汽噴射熱泵空調系統(tǒng)；三是利用 CO2制冷劑的熱泵空調系統(tǒng)。各方案都有其各自的特點和使用限制，應根據實際情況逐步過渡采用不同方式推廣熱泵空調系統(tǒng)應用，提升關鍵技術的同時，提高電動汽車的續(xù)航里程。

1 我國關于電動汽車的相關政策與評價標準和分析

1.1 相關政策與評價標準

國家的相關扶持政策是新能源汽車產業(yè)化進程的直接助推器。為應對氣候變化、推動綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措，2012年國務院發(fā)布實施《節(jié)能與新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012－2020)》，將純電動汽車確定為新能源汽車發(fā)展和汽車產業(yè)轉型的重要戰(zhàn)略路線，新能源汽車產業(yè)發(fā)展取得了舉世矚目的成就，成為引領世界汽車產業(yè)轉型的重要力量。2019年我國汽車銷量2 576.9 萬輛，其中新能源汽車銷量120.6 萬輛，滲透率為4.7%。為推動新能源汽車產業(yè)高質量發(fā)展，加快建設汽車強國，工信部于2019年12月發(fā)布了《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021－2035年)》征求意見稿，意見稿明確到2025年，新能源汽車新車銷量占比達25%左右。因此，需進一步強化部門協(xié)同，完善支持政策，積極穩(wěn)定和擴大新能源汽車消費，堅定不移地推動產業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

制定新能源電動汽車的國家標準對于規(guī)范生產、提高質量和增強消費者信息至關重要，是新能源電動汽車推廣應用的基礎。表2 是我國純電動汽車國家標準總匯，包括在2020年5月最新發(fā)布的關于電動汽車安全要求的標準。

表2 我國純電動汽車國家標準總匯

1.2 EV-TEST(電動汽車測評)

為引導我國汽車企業(yè)生產節(jié)能環(huán)保的新能源純電動汽車，并方便消費者挑選合適的電動汽車，中國汽車技術研究中心結合電動汽車標準與技術，在2017 版的基礎上發(fā)布了 2019 版《EV－TEST (電動汽車測評)管理規(guī)則》[2]。從EV－TEST 指標體系中可以看出續(xù)航與電耗在各測評項目中的權重占比較大，以常規(guī)車為例占總指標的30%。其中高低溫續(xù)航里程合計權重占比11%。電動汽車在高低溫行駛過程中，由于電池衰減和電池熱管理，加上制冷與采暖功能的利用，使電動汽車的續(xù)航里程有所下降。因此，在高低溫環(huán)境時，對乘員艙采暖、制冷以及對電池進行溫度管理的電量消耗對電動汽車的續(xù)航與電耗評價的高低尤為重要，在評價體系中作為重要指標進行考核。

表3 和表4 分別是高溫/低溫續(xù)駛里程評分表，以高溫/低溫續(xù)駛里程相對常溫續(xù)駛里程下降率為評分依據。其中，制冷與采暖性能，根據規(guī)定也計入評分，最高扣除20 分。

在高溫情況下，空調開啟制冷功能對乘員艙進行降溫的同時，需要根據電池的溫度對電池進行有效散熱保證乘車安全。目前國內大部分配有空調系統(tǒng)的電動汽車都利用空調系統(tǒng)對電池進行間接冷卻的方法有效散熱。因此，空調系統(tǒng)的效率在很大程度上決定了電動汽車在高溫續(xù)航里程的下降率，是評價電動汽車能耗的重要系統(tǒng)。

表3 高溫續(xù)駛里程評分表[2]

在低溫情況下，續(xù)航里程下降率的評分要求比高溫情況低。一是因為電池容量在低溫環(huán)境下會嚴重衰減，二是因為乘員艙采暖需要消耗電能。目前，量產電動汽車在低溫環(huán)境下對乘員艙采暖的同時都會對電池進行加熱，利用PTC 電加熱器或熱泵系統(tǒng)加熱的方式。利用PTC 加熱的效率較低，制熱能效系數(coefficient of performance，COP)一般約為0.9，使電動汽車續(xù)航里程下降率較大。而利用熱泵空調系統(tǒng)在低溫環(huán)境下制熱COP 一般大于1.5，節(jié)能效果明顯優(yōu)于PTC，可有效減少電動汽車續(xù)航里程的下降率。因此，根據評分規(guī)則，平衡電動汽車續(xù)航里程下降率與達到乘員艙的目標溫度的時間，利用熱泵空調系統(tǒng)與PTC 電加熱器相結合，有效控制優(yōu)化PTC 開啟時間，對提升電動汽車的性能非常重要。

表4 低溫續(xù)駛里程評分表[2]

2 制冷劑R1234yf 熱泵空調系統(tǒng)性能試驗研究

溫室效應使地球表面的溫度上升，引起全球性氣候反常，氟利昂等制冷劑的使用對此有著重要的影響。而汽車空調系統(tǒng)一直是泄漏到大氣中制冷劑的主要來源之一。目前汽車空調研究主要集中在以R134a、R1234yf 和R744(CO2)為制冷劑的空調系統(tǒng)。R134a 是全世界的汽車空調供應商采用的主要制冷劑，其全球變暖潛質GWP 高達1 420，在歐盟地區(qū)已嚴禁使用，隨著《蒙特利爾議定書》基加利修正案的簽訂和生效，R134a 在我國也將被逐步淘汰。R1234yf 作為替代制冷劑之一，其GWP 為4，物性與R134a 相近，在汽車空調上只需對零部件與系統(tǒng)進行適當優(yōu)化便可直接替代R134a 使用。通過理論與試驗研究對制冷劑R1234yf 與R134a 熱泵系統(tǒng)性能進行了對比分析[3－5]。結果表明，R1234yf 熱泵系統(tǒng)的制熱 COP 和制熱量比 R134a 系統(tǒng)低10%以內。

本文中利用直接式熱泵空調系統(tǒng)通過試驗對制冷劑R134a 與R1234yf 的臺架性能進行了對比分析。圖1 是乘用車用直接式熱泵空調系統(tǒng)循環(huán)圖。壓縮機出口的高溫高壓氣體經過室內冷凝器與空氣換熱后經過電子膨脹閥節(jié)流，在室外換熱器中吸熱后進入氣液分離器后回到壓縮機。電池溫度管理通過熱泵系統(tǒng)冷卻和PTC 加熱進行。

圖1 直接式熱泵空調系統(tǒng)循環(huán)

圖2 和圖3 分別是制冷劑 R134a 與 R1234yf 的熱泵系統(tǒng)在冬季工況下的制熱量與制熱COP 的對比。試驗主要考察了電動汽車在低溫冷起動時和在部分新風負荷工況時的熱泵系統(tǒng)性能。試驗結果表明，在相同試驗條件和設備的情況下，制冷劑R1234yf 的制熱量比R134a 低約5%左右，而制冷劑R1234yf 的制熱COP 比R134a 低約10%左右。

圖2 R134a 與R1234yf 熱泵系統(tǒng)的制熱量

圖3 R134a 與R1234yf 熱泵系統(tǒng)的制熱COP

3 電動汽車低溫熱泵空調系統(tǒng)方案

3.1 余熱回收

利用汽車行駛過程中電池、電機和發(fā)熱元件產生的熱量，可以將熱泵空調系統(tǒng)通過優(yōu)化控制策略與精確的控制實現不同零部件之間熱量的轉移。在低溫冷起動時，乘員艙中對熱負荷的需求較大，而電動汽車的驅動系統(tǒng)和電池在達到一定溫度時有散熱需求。利用回收電驅動系統(tǒng)和電池回路的余熱，提高熱泵空調系統(tǒng)能效的同時，優(yōu)化整車的能量消耗。

圖4 是奧迪 Q7 e－tron 的熱管理架構圖[6]，在冬季，純電驅動模式中可回收電驅系統(tǒng)和電池回路的余熱作為熱泵空調系統(tǒng)的熱源。圖5 是在環(huán)境溫度5 ℃時利用電機余熱作為熱泵空調系統(tǒng)熱源時整車的能量流圖[6]。可以看出，將1.7 kW 的電機驅動余熱作為熱泵空調系統(tǒng)的低溫熱源，電動壓縮機和風扇電機等消耗2.5 kW 的能量，可給乘員艙提供3.4 kW 的熱量。但是隨著環(huán)境溫度的降低，電機與電池的發(fā)熱量將會減少，余熱回收的能量有限。

圖4 奧迪Q7 e－tron 熱管理架構圖[6]

圖5 余熱利用時整車能量流圖[6]

Promme 在環(huán)境溫度－10 ℃時，利用電池余熱作為熱泵系統(tǒng)的輔助熱源提高制熱效率[7]。試驗結果顯示，熱泵系統(tǒng)的制熱量是2.5 kW，其中有0.5 kW來自電池余熱，約占總制熱量的20%。閆福瓏[8]搭建了CO2純電動汽車熱泵空調系統(tǒng)性能仿真模型，并利用了電機冷卻熱水作為熱泵系統(tǒng)的輔助熱源，試驗結果表明，電機冷卻效率提高的同時，熱泵空調系統(tǒng)的制熱COP 也有提高，最大提高約40%。

但是，余熱回收的方式受環(huán)境溫度影響較大且回收熱量有限，因此可作為輔助加熱手段為熱泵空調系統(tǒng)提供部分有效熱量。

3.2 蒸汽噴射熱泵系統(tǒng)

周光輝等[9]搭建了R134a 純電動汽車帶蒸汽噴射裝置的低溫熱泵空調系統(tǒng)。環(huán)境溫度－15 ℃時，制熱量約2.5 kW，制熱 COP 約1.6。趙家威等[10]搭建了R134a 電動汽車二級壓縮噴射熱泵空調系統(tǒng)，系統(tǒng)節(jié)能可達10%～15%，整車續(xù)航里程提高約10 km。許樹學等[11－12]搭建了帶閃蒸罐的蒸汽噴射低溫熱泵系統(tǒng)實驗臺，－25 ℃補氣后 R134a 的制熱量提高 8.6%，R1234yf 提高 17.4%，R134a 的制熱COP 提高5.5%，R1234yf 提高12.9%，試驗結果說明，蒸汽噴射對制熱量和制熱COP 的提升，R1234yf優(yōu)于R134a。

本文中利用制冷劑R1234yf，考察了在低溫冷起動時蒸汽噴射熱泵空調系統(tǒng)臺架的性能。圖6 是乘用車用蒸汽噴射熱泵空調系統(tǒng)循環(huán)圖。室內冷凝器高壓低溫制冷劑經過經濟器，與經濟器另一側的低溫中壓制冷劑進行換熱。經濟器一側的高壓低溫制冷劑進一步冷卻后經過電子膨脹閥節(jié)流降溫降壓后進入室外換熱器。經濟器另一側出口的低溫中壓氣態(tài)制冷劑進入壓縮機補氣。一方面通過經濟器換熱，制冷劑進一步過冷，降低高壓側壓力，降低壓縮機比，減少了耗功，提高制熱量，提高熱泵系統(tǒng)的制熱COP。另一方面蒸氣噴射增加了壓縮機的制冷劑流量，從而進一步增加了冷凝器的換熱量。

圖6 蒸汽噴射熱泵空調系統(tǒng)循環(huán)

圖7 為蒸汽噴射循環(huán)壓焓圖。蒸汽噴射熱泵空調系統(tǒng)計算公式如下。

圖7 蒸汽噴射循環(huán)壓焓圖

式中:m0為壓縮機噴氣口的質量流量；m1為蒸發(fā)器質量流量；m2為室外冷凝器質量流量。

圖 8 和圖 9 分別是環(huán)境溫度從－5 到－20 ℃、開蒸汽噴射與不開蒸汽噴射的系統(tǒng)在相同冷凝溫度和蒸發(fā)溫度下的系統(tǒng)制熱量和制熱COP(每組環(huán)境溫度的冷凝溫度不同)。由數據結果可以看出，開蒸汽噴射比不開蒸汽噴射時系統(tǒng)制熱COP 高約10%～30%，環(huán)境溫度越低，制熱COP 改善越明顯。這是由于在相同冷凝溫度和蒸發(fā)溫度下，開啟蒸汽噴射回路后，壓縮機耗功減小，系統(tǒng)效率增大。并且在相同冷凝溫度和蒸發(fā)溫度下，有蒸汽噴射比不開蒸汽噴射時換熱器進口焓值略增加，換熱量略高，但基本差別不大。

圖8 開與不開蒸汽噴射系統(tǒng)制熱量比較

圖9 開與不開蒸汽噴射系統(tǒng)的制熱COP 比較

圖10 是在汽車低溫冷起動條件下考察蒸汽噴射熱泵空調系統(tǒng)最大制熱性能的測試結果，并考察了系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下的最大冷凝溫度。實際中在單獨開啟熱泵系統(tǒng)不需要PTC 輔助加熱時，為保證乘員艙的熱舒適性，不僅需要滿足乘員艙所需熱負荷，熱泵系統(tǒng)的冷凝溫度也要至少大于45 ℃才能使出風口溫度不低于人體溫度。試驗結果證明，利用制冷劑R1234yf 的蒸汽噴射熱泵系統(tǒng)，在環(huán)境溫度－12 ℃以下的低溫冷起動時，制熱量和冷凝溫度較低，需要同時開啟PTC 來保證乘員艙的熱舒適性。隨著乘員艙和熱泵系統(tǒng)冷凝溫度的升高，出風口的出風溫度逐漸升高到設定溫度時可關閉PTC加熱器，節(jié)省系統(tǒng)耗電量。

圖10 蒸汽噴射熱泵空調系統(tǒng)最大制熱性能

3.3 乘用車用自然制冷劑CO2 熱泵空調系統(tǒng)

由于我國對能源利用效率與環(huán)境保護日益加強，未來自然制冷劑將成為重要選擇的方向。

CO2來源廣泛，價格低廉，溫室效應GWP 為1。使用CO2替代R134a 用于汽車空調是緩解溫室效應的可行措施，利用CO2作為汽車熱泵與空調的制冷劑是未來具有競爭力的選擇。

挪威、德國從1992年開始對CO2用于汽車空調的可能性進行了理論與實驗研究[13－15]。日本電裝于2002年將CO2汽車空調搭載在燃料電池混合動力商用車上進行了實驗研究，并改良了換熱器的管材和接頭[16]。我國于2000年以后，先后在上海交通大學、天津大學、西安交通大學等開始對CO2汽車空調制冷系統(tǒng)進行了理論與實驗研究[17－19]。

McEnaney 等[20]通過試驗對比了CO2與R134a作為制冷劑的汽車空調系統(tǒng)性能，CO2汽車空調采用了微通道蒸發(fā)器與氣體冷卻器，而R134a 系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的管翅式換熱器，在相同運行工況下，CO2和R134a 系統(tǒng)的性能相當。俞彬彬等[21]開發(fā)的帶有內部熱交換器的跨臨界CO2電動汽車空調系統(tǒng)在標準工況下與如今仍在普遍使用的傳統(tǒng)制冷劑R134a系統(tǒng)性能相當。

Kim 等[22]共同研究了應用在燃料電池汽車上的CO2熱泵汽車空調系統(tǒng)。將燃料電池的散熱片設置在室外換熱器的迎風側和背風側，試驗結果表明，利用燃料電池余熱集成在熱泵空調系統(tǒng)中可使系統(tǒng)的制熱量和制熱COP 分別提高54%和22%。

Steiner 等[23]對電動汽車CO2熱泵空調系統(tǒng)的除霜過程進行了理論和試驗分析，通過高低壓轉換閥實現熱泵系統(tǒng)的逆向循環(huán)用于除霜，結果表明，融霜在2 min 內完成，且節(jié)流閥開度對融霜有影響并存在最佳值。

以CO2為制冷劑的熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境－20 ℃下能夠快速與穩(wěn)定地為乘員艙提供熱量，給車內提供更高的供熱溫度，對復雜的汽車氣候控制系統(tǒng)具有較大的開發(fā)價值。Hammer 和Wertenbach[24]利用德國奧迪A4 汽車，比較了以發(fā)動機冷卻水作為熱源的標準暖風芯體加熱器和CO2熱泵系統(tǒng)，試驗結果表明，CO2熱泵系統(tǒng)明顯升溫更快，從－20 ～20 ℃的升溫時間幾乎減少了50%，表明了CO2作為制冷劑的熱泵系統(tǒng)在節(jié)能與熱舒適性上的優(yōu)勢。Tamura等[25]在R134a 空調系統(tǒng)的基礎上改造并設計了CO2熱泵汽車空調系統(tǒng)，系統(tǒng)利用冬季車內除濕時放出的熱量作為熱泵系統(tǒng)的熱源。

4 結論

純電動汽車在低溫環(huán)境下續(xù)航里程的減少是影響其發(fā)展的主要因素之一。本文中分析了3 種用于純電動汽車低溫環(huán)境熱泵空調系統(tǒng)的解決方案。

(1)利用余熱回收方式需優(yōu)化整車能量消耗，熱管理系統(tǒng)復雜，集成度較高，且由于隨環(huán)境溫度降低回收熱量有限，僅可作為輔助加熱手段。

(2)利用傳統(tǒng)制冷劑R134a 蒸汽噴射系統(tǒng)可作為低溫熱泵系統(tǒng)的解決方案之一。新型制冷劑R1234yf 的蒸汽噴射系統(tǒng)的制熱效果提升較明顯，亦可作為制冷劑替代的過渡階段。

(3)自然制冷劑CO2熱泵空調系統(tǒng)，不僅是環(huán)保制冷劑，由于其在低溫環(huán)境下制熱的能力較高且穩(wěn)定，是未來純電動汽車低溫熱泵空調系統(tǒng)的最佳解決方案。