新能源汽車熱泵空調(diào)技術(shù)研究與應(yīng)用探討

葉黎敏

摘要：汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚慕煌üぞ?，隨著各種環(huán)境相關(guān)政策的推出以及工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，新能源汽車呈現(xiàn)出逐步替代傳統(tǒng)燃油車的發(fā)展趨勢(shì)。相比傳統(tǒng)燃油車，新能源汽車具有零排放、無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)，但是技術(shù)有待進(jìn)步完善，比如空調(diào)技術(shù)。為彌補(bǔ)這一不足達(dá)到更佳的適用性，出現(xiàn)了熱泵空調(diào)技術(shù)，并已經(jīng)成為新能源汽車領(lǐng)域的重點(diǎn)技術(shù)。有研究顯示，在熱泵空調(diào)技術(shù)的幫助下，不僅能夠解決新能源汽車?yán)m(xù)航里程短的問(wèn)題，還能讓空調(diào)系統(tǒng)更為節(jié)能、高效。為此，重點(diǎn)圍繞熱泵空調(diào)技術(shù)在新能源汽車中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;熱泵空調(diào)技術(shù);實(shí)際應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U463.9收稿日期：2022—04—22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.006

汽車由多個(gè)系統(tǒng)組成，空調(diào)系統(tǒng)便是其中之一，傳統(tǒng)燃油車中的空調(diào)主要通過(guò)壓縮機(jī)來(lái)達(dá)到制冷的目的，但這一技術(shù)較為老舊，不再能夠適用于更為先進(jìn)的新能源汽車，且此傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)能耗高。新能源汽車中的熱泵空調(diào)技術(shù)采用電動(dòng)壓縮機(jī)，與傳統(tǒng)皮帶空調(diào)壓縮機(jī)相比，制冷基本相同，但在制熱上有較大區(qū)別，主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液熱量為加熱器芯提供熱量，該模式主要用于混合動(dòng)力汽車;另一種是采用PTC加熱器直接加熱冷卻液或空氣，該方式主要應(yīng)用于純電動(dòng)汽車。相比之下，熱泵空調(diào)技術(shù)具有高效節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢(shì)，并已經(jīng)成為未來(lái)新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的主流趨勢(shì)。

1 新能源汽車空調(diào)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在當(dāng)前時(shí)代背景下，新能源汽車的市場(chǎng)占比在逐年增加，傳統(tǒng)燃油車內(nèi)燃機(jī)因工作時(shí)會(huì)排放尾氣，對(duì)空氣污染較為嚴(yán)重，使得溫室效應(yīng)愈加明顯，而新能源汽車的應(yīng)用則有效解決了這一問(wèn)題，使得汽車能夠真正達(dá)到無(wú)污染、零排放的目的，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境"。

對(duì)于汽車來(lái)說(shuō)，空調(diào)系統(tǒng)能夠有效保障汽車內(nèi)部舒適性，可以根據(jù)需求制冷或制熱適當(dāng)調(diào)整溫度。但是新能源汽車中的空調(diào)系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)會(huì)消耗大量能源，尤其是純電動(dòng)汽車應(yīng)用空調(diào)系統(tǒng)后會(huì)使得續(xù)航能力明顯下降，在冬季該問(wèn)題更加明顯，因此成為當(dāng)下新能源汽車領(lǐng)域亟需解決的問(wèn)題2。目前，新能源汽車正在逐步加強(qiáng)對(duì)一些新型空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用，熱泵空調(diào)技術(shù)便是其中比較有代表性的一種。

2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作模式

目前在新能源汽車中，熱泵空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用較多，在實(shí)際應(yīng)用中，主要通過(guò)冷凝器和四通換向閥改變熱量的轉(zhuǎn)移方向來(lái)達(dá)到制冷或制熱的目的。如今，大多數(shù)汽車廠家在對(duì)熱泵空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用中，會(huì)對(duì)四通換向閥進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，堅(jiān)持朝著簡(jiǎn)單、可靠的方向發(fā)展。大眾汽車中的e—Golf是當(dāng)下較為先進(jìn)的一款新能源汽車，其空調(diào)系統(tǒng)包括膨脹閥、室內(nèi)外換熱器、電動(dòng)壓縮器、氣液分離器等部分，實(shí)際應(yīng)用時(shí)通過(guò)切斷閥控制熱量的阻斷或傳輸達(dá)到制熱或制冷目的。例如制冷時(shí)，膨脹閥EV1將會(huì)停止工作，壓縮機(jī)將空氣加壓，隨后經(jīng)過(guò)冷凝器、膨脹閥EV2、蒸發(fā)器，最終在蒸發(fā)器排出后冷卻達(dá)成制冷效果。

熱泵空調(diào)技術(shù)制熱時(shí)，壓縮機(jī)需要直接吸收并壓縮空氣，該過(guò)程中驅(qū)動(dòng)制冷劑，制冷劑在進(jìn)入空氣中達(dá)到受熱的效果，隨后切斷閥SV4、SV1關(guān)閉。在膨脹閥EV1工作過(guò)程中，空調(diào)系統(tǒng)壓力下降，在蒸發(fā)器作用下制冷劑發(fā)揮作用，空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)形成冷熱差，最終達(dá)到取暖的作用。其實(shí)，熱泵空調(diào)技術(shù)的制熱過(guò)程便是獲取外部空氣熱量達(dá)到車內(nèi)供暖的目的。

3 熱泵空調(diào)技術(shù)分析

新能源汽車所有系統(tǒng)的運(yùn)行均要傾向于節(jié)能、高效，以便于提升續(xù)航里程。目前，幾乎所有電動(dòng)汽車在冬季均存在續(xù)航里程明顯下降的問(wèn)題，這不僅與室外溫度較低有關(guān)，還與電動(dòng)汽車熱泵效率下降有關(guān)。因此如何提升汽車的熱管理、提升熱泵空調(diào)制熱能力等，是當(dāng)下新能源汽車需要重點(diǎn)研究的問(wèn)題。

3.1低溫環(huán)境下提高熱效率

不同于傳統(tǒng)皮帶驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)，熱泵空調(diào)在應(yīng)用時(shí)能夠達(dá)到更高的能效，且能效比更高，對(duì)能量的需求相對(duì)較低，從實(shí)際應(yīng)用看，外部溫度在—5～15℃范圍內(nèi)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能夠發(fā)揮最大效率。同時(shí)，若室外溫度持續(xù)降低，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的整體工作效率也會(huì)隨之下降，制熱效果降低，這也是當(dāng)下空調(diào)系統(tǒng)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。為解決低溫情況下熱泵空調(diào)系統(tǒng)能效降低的問(wèn)題，還需應(yīng)用PTC輔助加熱，PTC即熱溫度系數(shù)熱敏電阻，在需要加熱時(shí)，因電壓增大，電阻也會(huì)隨之增加并放出熱量，進(jìn)而達(dá)到加熱的效果。不僅如此，還能夠通過(guò)減小壓縮比、增大散熱量等多個(gè)方面輔助加熱。

3.2熱管理

熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以通過(guò)熱管理幫助改善熱泵空調(diào)系統(tǒng)的低溫工作性能。相比過(guò)去，近年來(lái)新能源汽車企業(yè)非常重視對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)低溫工況不佳問(wèn)題的優(yōu)化改進(jìn)，并增加了對(duì)各種輔助熱管理技術(shù)的應(yīng)用，如熱回收、蓄熱、采暖等，形成了具有較強(qiáng)綜合性能的熱管理系統(tǒng)。同時(shí)，汽車中的電控技術(shù)發(fā)展迅速，通過(guò)熱管理系統(tǒng)對(duì)一些熱元件進(jìn)行科學(xué)、高效的管理，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高壓蓄電池等。不僅如此，熱管理還能夠應(yīng)用廢熱，因?yàn)殡妱?dòng)汽車在高速行駛時(shí)電池的能耗大，熱量增加，因此在該過(guò)程中便可以通過(guò)熱管理系統(tǒng)收集電池所產(chǎn)生的廢熱，雖然并不能將其作為制熱的主要熱源，但也能夠起到較大的輔助制熱效果。

3.3壓縮機(jī)控制技術(shù)

隨著各種先進(jìn)技術(shù)在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用，人們對(duì)汽車的舒適性要求越來(lái)越高，空調(diào)系統(tǒng)作為汽車中的重要組成部分之一，與整車舒適性密切相關(guān)。目前，熱泵空調(diào)中主要采用高壓電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)，工作原理與傳統(tǒng)壓縮機(jī)相似，但是卻具有更輕、更平穩(wěn)、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能效高的特點(diǎn)，成為新能源汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)的首選3。壓縮機(jī)在應(yīng)用中可以在其中間腔內(nèi)補(bǔ)充一定量的中壓氣體，如此一來(lái)能使排氣溫度降低，并提高制熱能力，這便是補(bǔ)氣增焓技術(shù)，該技術(shù)是高壓渦旋壓縮機(jī)中的重要應(yīng)用技術(shù)之一。從相關(guān)研究結(jié)果來(lái)看，該技術(shù)使得制熱能力低下、能耗較高的問(wèn)題得到了良好解決，并且較大增加準(zhǔn)雙級(jí)壓縮機(jī)的排氣量?？偠灾瑝嚎s機(jī)控制技術(shù)提高了新能源汽車的空調(diào)系統(tǒng)整體能效比，有效提高了制熱能力。

3.4除霜問(wèn)題

結(jié)霜是每一位車主頭痛的問(wèn)題，因車內(nèi)外溫度差異較大，便容易出現(xiàn)擋風(fēng)玻璃結(jié)霜情況。不僅如此，在冬季新能源汽車的車外換熱器也會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜、結(jié)冰等問(wèn)題，這會(huì)影響換熱器的正常工作流程，進(jìn)而導(dǎo)致制熱能力下降，并進(jìn)入惡性循環(huán)。就實(shí)際情況來(lái)看，當(dāng)前用于解決熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)霜的方法有逆循環(huán)法、熱氣旁通法。

逆循環(huán)法是將換熱器當(dāng)做冷凝器，隨著溫度的增高會(huì)融化換熱器周圍的霜，但在應(yīng)用該方法時(shí)，大部分霜被化融，但仍舊有一部分霜會(huì)結(jié)冰，因此逆循環(huán)法僅能夠暫時(shí)緩解結(jié)霜，并不能達(dá)到完全解決的目的。熱氣旁通法相比逆循環(huán)法更有效果，制熱時(shí)將壓縮機(jī)中一部分熱氣通過(guò)蒸發(fā)器入樓排出，以此通過(guò)熱氣達(dá)到融霜的效果，不僅如此，相比逆循環(huán)法的局限性，熱氣旁通法還能夠精準(zhǔn)控制，使得換熱器的除霜也能夠達(dá)到高效、節(jié)能的效果。

4 部分傳感器及執(zhí)行器選型

4.1電磁閥SOV

新能源汽車的熱泵空調(diào)系統(tǒng)由非常多的元器件組成，電磁閥便是其中比較有代表性的元器件，一般會(huì)應(yīng)用線圈中通過(guò)電流產(chǎn)生的電磁吸力作為電磁閥的主要?jiǎng)恿Γ源藖?lái)控制閥的開啟與關(guān)閉。在當(dāng)前熱泵空調(diào)系統(tǒng)的電磁閥選型中，多應(yīng)用DC9～16V，單向介質(zhì)流動(dòng)方向。

4.2電子膨脹閥EXV

目前熱泵空調(diào)系統(tǒng)有著更高的能效比，能耗更低，空調(diào)效果更佳，這得益于更為精準(zhǔn)、精確的控制元件，電子膨脹閥便是能夠幫助達(dá)到精準(zhǔn)精確控制的重要元件。電子膨脹閥EXV是當(dāng)下熱泵空調(diào)系統(tǒng)中較為常用的一種，介質(zhì)的具體流動(dòng)方向?yàn)殡p向。

4.3PT傳感器

壓力傳感器能夠及時(shí)獲取空調(diào)系統(tǒng)中的壓力數(shù)據(jù)，并將壓力數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)向執(zhí)行器發(fā)送控制信號(hào)。在其實(shí)際工作中，主要以R134a、R410a等作為工作介質(zhì)，能夠在—30～130℃范圍內(nèi)正常工作。

5 熱泵空調(diào)的實(shí)際應(yīng)用

熱泵空調(diào)技術(shù)從推出以來(lái)便受到了新能源汽車領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，經(jīng)過(guò)不斷的研究及應(yīng)用證實(shí)其具有較高的能效比，對(duì)降低能耗、提升汽車空調(diào)性能有積極作用。如今，許多汽車應(yīng)用了熱泵空調(diào)技術(shù)，如特斯拉Model Y、寶馬i3、奧迪R8、大眾e-Golf等。

隨著熱泵空調(diào)技術(shù)的進(jìn)步，熱泵空調(diào)技術(shù)不僅可以應(yīng)用于純電動(dòng)汽車，也可以應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車。榮威作為我國(guó)知名汽車品牌，其在應(yīng)用熱泵空調(diào)技術(shù)方面取得了新的突破，純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程得到了明顯增加，續(xù)航里程增加了15%～30%。格力在空調(diào)技術(shù)的研發(fā)中也起到了“領(lǐng)頭羊”的作用，經(jīng)過(guò)對(duì)熱泵空調(diào)技術(shù)的攻堅(jiān)，2018年已經(jīng)解決了低溫環(huán)境下空調(diào)能耗下降的問(wèn)題，且將其技術(shù)應(yīng)用到了純電動(dòng)汽車中，研究結(jié)果顯示空調(diào)耗電量降低了60%。綜上所述，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，熱泵空調(diào)技術(shù)更為先進(jìn)化、高效化，相信在未來(lái)新能源汽車均會(huì)搭載熱泵空調(diào)技術(shù)6。

6 熱泵空調(diào)面臨的挑戰(zhàn)

新能源汽車作為汽車的重要發(fā)展趨勢(shì)，正在逐步占領(lǐng)市場(chǎng)，熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為新能源汽車電氣系統(tǒng)中的重要組成部分，對(duì)提升汽車的整體舒適性有積極作用。就目前來(lái)看，熱泵空調(diào)技術(shù)雖然在新能源汽車的發(fā)展中有良好發(fā)展趨勢(shì)，但是也面臨著一定的挑戰(zhàn)。

a.政策挑戰(zhàn)。如今，新能源汽車的發(fā)展要遵循相關(guān)政策規(guī)定，而政策的制定需要根據(jù)相關(guān)國(guó)際大環(huán)境、國(guó)家戰(zhàn)略等多個(gè)方面全面考慮。據(jù)調(diào)查，歐美各國(guó)對(duì)熱泵空調(diào)給予25%的補(bǔ)貼，我國(guó)在該方面也有相應(yīng)的補(bǔ)貼，使得熱泵空調(diào)能夠在新能源汽車中廣泛應(yīng)用?？偟膩?lái)看，政策上的挑戰(zhàn)依然存在，補(bǔ)貼并不能夠作為汽車熱泵空調(diào)技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)力。

b.大多數(shù)消費(fèi)者在購(gòu)買新能源汽車時(shí)，對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)不多，甚至從未聽說(shuō)，由此導(dǎo)致對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)不接受、不愿意購(gòu)買的問(wèn)題，因此需要廠家、銷售部門加強(qiáng)對(duì)熱泵空調(diào)技術(shù)的宣傳，以便讓更多的消費(fèi)者能夠加深對(duì)熱泵空調(diào)技術(shù)的認(rèn)識(shí)。

c.就當(dāng)下實(shí)際情況來(lái)看，熱泵空調(diào)技術(shù)雖然被許多新能源汽車廠家所掌握，但在該方面并無(wú)一套完整的管理體系，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范管理，因此整體來(lái)看新能源汽車中的熱泵空調(diào)技術(shù)雖然有良好發(fā)展趨勢(shì)，但是缺乏完善的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范體系，這是其未來(lái)發(fā)展所面臨的主要挑戰(zhàn)。

d.電池造價(jià)高。相比傳統(tǒng)燃油車，純電動(dòng)汽車具有更強(qiáng)的動(dòng)力，但是相比發(fā)動(dòng)機(jī)，電池的造價(jià)比較高，汽車行駛過(guò)程中，所有電氣設(shè)備均要依靠電池供給能源?？照{(diào)系統(tǒng)作為汽車的輔助功能，在其發(fā)展中也會(huì)面臨電池造價(jià)高、壽命較短的挑戰(zhàn)。電池電量充足時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)可以正常應(yīng)用，但在電量非常低時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的整體效用便會(huì)大幅度下降，轉(zhuǎn)而更加傾向于動(dòng)力輸出，因此在未來(lái)發(fā)展中，應(yīng)重視對(duì)電池的優(yōu)化改進(jìn)，更進(jìn)一步提升電池能量密度，提升電池壽命，從而幫助提高空調(diào)系統(tǒng)的整體應(yīng)用效果。

7 結(jié)語(yǔ)

新能源汽車的推出極大地促進(jìn)了環(huán)保、低碳理念的貫徹落實(shí)，空調(diào)系統(tǒng)作為汽車的重要組成部分，對(duì)保障汽車駕乘的舒適性十分關(guān)鍵。本文重點(diǎn)分析了熱泵空調(diào)技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用，并闡述了當(dāng)下新能源汽車空調(diào)技術(shù)的現(xiàn)狀、熱泵空調(diào)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及其主要技術(shù)，最后指出了新能源汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)，希望在未來(lái)熱泵空調(diào)技術(shù)通過(guò)改進(jìn)能夠在新能源汽車領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃世佩.某型純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)集成式熱管理系統(tǒng)構(gòu)建及研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2021.

[2]李贊.低溫下某型純電動(dòng)乘用車熱管理系統(tǒng)控制策略研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2021.

[3]賈末.基于改進(jìn)模糊PID算法的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制研究[D].重慶：重慶郵電大學(xué)，2020.

[4]楊少柏，李尾，鐘昌，等.新能源汽車熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[門]汽車科技，2020（4）：62—68.

[5]趙彥景.純電動(dòng)汽車空調(diào)低溫工況下制熱控制策略的研究與實(shí)現(xiàn)[D].重慶：重慶郵電大學(xué)，2020.

[6]趙沖.基于制冷系統(tǒng)的新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硌芯縖D].淄博：山東理工大學(xué)，2020.