新能源汽車空調熱泵技術應用探討

摘 要：新能源汽車與國家節(jié)能減排的指導戰(zhàn)略一致，在能源日益緊張的今天，即可解決民眾出行對交通工具的需求，同時可減少車輛運行中對資源的消耗，也不會出現(xiàn)嚴重的環(huán)境污染問題，所以在未來有較大的發(fā)展?jié)摿?。制冷與制熱是汽車空調的主要功能，傳統(tǒng)燃油車的制冷制熱技術已可非常成熟地利用燃油資源。然而，以往燃油車因技術的限制，雖然可進行制冷與制熱的操作，但是存在較大的問題，比如能源利用率低，與我國能源戰(zhàn)略的初衷相悖。新能源汽車具有無污染、零排放等優(yōu)點，新能源汽車空調熱泵技術的運用，可顯著提高新能源汽車的綜合性能，所以該技術在新能源汽車領域備受關注。本文對新能源熱泵空調系統(tǒng)的工作模式及熱泵空調技術應用狀況進行探討分析，梳理空調熱泵的應用內(nèi)容，探討其在未來面臨的發(fā)展機遇及面臨的挑戰(zhàn)。

關鍵詞：新能源 汽車空調 熱泵技術 應用

新能源汽車因使用成本低、靜謐、科技感強、環(huán)保等多種優(yōu)點，所以在我國擁有較大的發(fā)展趨勢。汽車的組成系統(tǒng)較多，其空調系統(tǒng)是汽車上必不可少的組成部分，傳統(tǒng)燃油車和新能源汽車都有空調裝置，但傳統(tǒng)燃油車空調在制冷與制熱的效率、環(huán)保及能耗方面無法與新能源汽車進行比較。新能源純電動汽車的空調熱泵技術基于工作原理，在傳統(tǒng)燃油車基礎上，對其壓縮機進行變動，采用電動壓縮機作為制冷與制熱等功能的動力源裝置。采用電動壓縮機的空調熱泵系統(tǒng)在制冷時，與傳統(tǒng)燃油汽車的制冷的差異不大，但是制熱時制熱方式出現(xiàn)巨幅變動。新能源汽車在制熱時，熱泵空調技術在汽車空調系統(tǒng)中的運用，使得空調系統(tǒng)結構緊湊、能源利用效率提高，這將會成為新能源汽車空調系統(tǒng)較為顯著的優(yōu)勢，因此探索研究熱泵技術的應用及改進對新能源汽車的發(fā)展有較大推動作用。

1 熱泵空調系統(tǒng)的工作模式

熱泵空調技術在新能源領域中的使用頻次變高，經(jīng)過長時間的發(fā)展，該項技術經(jīng)過優(yōu)化，在具體場域中的運用能力更強。熱泵空調技術可通過四通換向閥、冷凝器等裝置的運用，讓熱量轉移的方向發(fā)生變化，用以達到制熱或制冷的目的。熱泵空調技術在汽車領域中已經(jīng)成為一項常用的技術，出于對汽車功能的優(yōu)化，所以對熱泵空調技術的創(chuàng)新也在持續(xù)跟進，研究的重點放在四通換向閥的優(yōu)化，引導研究活動向可靠、簡單的方向發(fā)展[1]。國產(chǎn)汽車在新能源領域已經(jīng)發(fā)展較長的時間，可引導四通換向閥向可靠、簡單的方向進一步發(fā)展。目前新能源汽車在制冷與制熱方面，選擇采用切斷閥和換向閥來控制制冷劑流向的方法[2]。比如，在系統(tǒng)進行制冷時，氣態(tài)制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮成高壓氣體排出后，流向四通換向閥，然后進入車外冷凝器被冷卻凝結成液態(tài)，然后經(jīng)過干燥器干燥過濾和膨脹閥節(jié)流降壓后，進入車內(nèi)蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)吸收蒸發(fā)器其周圍空氣的熱能，從而使得車內(nèi)空氣溫度降低。最后制冷劑經(jīng)四通換向閥流向氣液分離器后回到壓縮機，然后進入下一循環(huán)，以實現(xiàn)循環(huán)制冷（如圖中藍色箭頭流向）。制熱時，氣態(tài)制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮形成高壓排出后，流過四通換向閥后，進入室內(nèi)換熱器（冷凝器）散熱，將熱量釋放到室內(nèi)空氣中，使車內(nèi)空氣溫度上升。然后，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑經(jīng)過干燥器和膨脹閥之后，進入室外換熱器，吸收外界換熱器周圍空氣的熱進行氣化，再經(jīng)過四通換向閥和液氣分離器后，再次回到空調壓縮機，完成制熱循環(huán)（如圖中紅色箭頭流向），如此反復循環(huán)給車內(nèi)制熱。如圖1所示。

從熱泵空調技術制熱的工作過程來看，可將該過程理解為將汽車外部空氣的熱能轉移到車內(nèi)，以提高車內(nèi)空氣的溫度，最終實現(xiàn)有效的供暖[3]。

2 熱泵空調技術分析

2.1 熱管理系統(tǒng)優(yōu)化

熱泵空調系統(tǒng)在北方外界溫度較低時，其制熱工作性能較差，會嚴重影響到空調的性能，不僅會耗損不少能源，且也不能獲得預期的制熱效果。因此，熱泵空調系統(tǒng)在較低溫環(huán)境使用時需要考慮通過熱管理進行改善，以解決汽車空調系統(tǒng)低溫時工作不理想的問題。熱泵空調系統(tǒng)運行時需要考慮采用增加如采暖、蓄熱、熱回收等多種實際可用的輔助熱管理技術，讓熱泵空調系統(tǒng)相關的管理體系具有極強的綜合實用性。熱管理系統(tǒng)在汽車行業(yè)迅猛發(fā)展的今天，可基于現(xiàn)有的電控技術成果，為熱管理較多工作的落實提供條件，對高壓動力電池包、驅動電機等發(fā)熱元件的熱能作出高效、科學的管理[4]。熱管理系統(tǒng)可實現(xiàn)對廢熱的合理運用，要著重推進對管理系統(tǒng)的更新創(chuàng)新的研發(fā)工作。新能源汽車的動力電池在車輛高速行駛時其電池能量損耗較大，且同時會出現(xiàn)熱量驟升的現(xiàn)象。因此，熱管理系統(tǒng)在汽車高速行駛期間進行廢熱的回收，可有效地作用低溫條件下制熱的一個重要熱源，能有效地輔助制熱[5]。

2.2 低溫環(huán)境下提高熱效率

熱泵空調技術的運用，針對傳統(tǒng)空調而言會對能源的操控效果更佳，同時沒有對能量提出過高的要求?；趯嶋H狀況，熱泵空調系統(tǒng)受環(huán)境溫度影響很大，當外部環(huán)境溫度處于-5～15℃區(qū)間時，熱泵空調系統(tǒng)的效率將會達到峰值[6]。當室外溫度還持續(xù)降低時，熱泵空調系統(tǒng)將不會發(fā)揮作用，整體工作效率也會隨之變低。如果不能在空調系統(tǒng)運行時給出合理的控制策略，熱泵空調系統(tǒng)工作效率低的問題將得不到解決。因熱泵空調系統(tǒng)在低溫環(huán)境下能效較低，出于該問題處理的需求，可選擇采用PTC作為輔助加熱方式。當在極低溫條件下需要加熱時，應該增加電壓，電阻也會因相關環(huán)境改變出現(xiàn)變化，在此期間還會釋放不少的熱量，從而獲得加熱的效果[7]。

2.3 壓縮機控制技術

隨著汽車業(yè)不斷地向前發(fā)展和技術不斷更新，出現(xiàn)較多新的車型，并配有智能化的設備，為駕駛者提供更舒適的體驗。在此趨勢持續(xù)發(fā)展的過程中，人們對汽車的駕駛和乘坐舒適性的要求也不斷提高，所以需要對新能源汽車舒適性進行更深入的研究。汽車空調系統(tǒng)是汽車組成中最重要的組成系統(tǒng)之一，一旦缺乏對此方面的管理會降低整體舒適度[8]。高壓電動渦旋壓縮機在熱泵空調系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，特別是在舒適性方面，其工作原理與傳統(tǒng)壓縮機十分相似，但有著傳統(tǒng)壓縮機無法比擬的優(yōu)點，如其體積小、平穩(wěn)、重量小、能效高、結構簡單等，所以在新能源汽車中得到廣泛的運用，在汽車熱泵空調系統(tǒng)壓縮機挑選時，它一直居于第一位。車輛在以往的使用中能源消耗相對嚴重，出于國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略導向，將熱泵空調系統(tǒng)運用到汽車中，較易實現(xiàn)對高壓渦旋壓縮機結構的優(yōu)化，可有效解決系統(tǒng)能耗高、制熱能力弱等問題。壓縮機是汽車空調系統(tǒng)中異常重要的元件，因熱泵空調系統(tǒng)對壓縮機的改善，可顯著提升準雙級壓縮機的排量。新能源汽車空調系統(tǒng)壓縮機此類似控制技術的運用，可較大程度地提升熱泵空調系統(tǒng)的制熱能力[9]。

2.4 除霜問題

結霜主要在溫度出現(xiàn)巨大變化下出現(xiàn)，將會導致駕駛者的視線受阻，所以成為駕駛人員十分頭痛的問題。新能源汽車車輛，也會在車內(nèi)外溫度差異過大的情況下，在擋風玻璃處出現(xiàn)結霜的問題，結冰、結霜等問題，這會嚴重影響到換熱器工作的表現(xiàn)，導致系統(tǒng)流程化作業(yè)不能有效地進行下去。與此同時，對車輛的制熱能力也會形成影響，導致其出現(xiàn)斷崖式的下降，還會因此帶來一系列的問題，陷入惡性循環(huán)。目前，熱氣旁通法、逆循環(huán)法等均為熱泵空調系統(tǒng)解決擋風玻璃結冰與結霜問題的有效手段。將蒸發(fā)器作為冷凝器，在溫度持續(xù)上升的過程中，蒸發(fā)器周圍的霜與冰會逐漸融化，此方法稱為逆循環(huán)法。此方法可消除結霜與結冰的問題，但是效果并不持久。熱氣旁通法則將壓縮機部分熱氣經(jīng)由蒸發(fā)器排出，實現(xiàn)熱量的轉移，同時借助熱量融化擋風玻璃處的霜。蒸發(fā)器在除霜的操作中，可在霜冰位置鎖定后實現(xiàn)精準操控，進一步提高換熱器除霜的效果。

3 熱泵空調的應用

新能源汽車在熱泵空調技術出現(xiàn)的不久便加以運用，密切關注熱泵空調技術的運用情況，并根據(jù)實際需求對技術的運用方式進行創(chuàng)新，以提高熱泵空調技術成果在新能源汽車中的使用價值。經(jīng)過新能源汽車行業(yè)對熱泵空調技術的數(shù)次優(yōu)化與更新，已有效提高了新能源汽車空調的綜合使用性能，合理地降低汽車能源的損耗量。目前，大眾旗下的很多電車、特斯拉旗下很多車型均使用熱泵空調技術，優(yōu)化車輛的空調系統(tǒng)功能，提升整車用電綜合效率。熱泵空調技術可改變傳統(tǒng)汽車空調制熱的方式，在混合動力汽車、純電動汽車中均可使用。我國自主品牌榮威已經(jīng)發(fā)展一段時間，基于對車輛在制冷與制熱等操作能耗的控制需求，已將熱泵空調技術應用到車輛中，還積極地推進技術研發(fā)活動。根據(jù)榮威發(fā)布的研究報告，使用熱泵空調技術的純電動汽車續(xù)航里程較之前增加15%～30%，進一步提升了其品牌汽車的實用性及市場競爭力。熱泵空調技術也被格力所研究，在空調技術研發(fā)中組織技術團隊，將其領頭人的作用發(fā)揮出來。通過對熱泵空調技術的研發(fā)，解決制冷與制熱領域的不少問題，如通過技術優(yōu)化解決了汽車在低溫環(huán)境下空調能耗下降的問題。在純電動汽車領域使用熱泵空調技術，減少空調對能源的損耗量，將空調損耗的電量降至60%。[10]

4 熱泵空調技術發(fā)展期間遇到的挑戰(zhàn)

新能源汽車在汽車領域屬于新的發(fā)展趨勢，在其逐漸占領市場的情況下，熱泵空調系統(tǒng)在新能源汽車的運用中，需要根據(jù)對系統(tǒng)制冷與制熱等方面的要求，對現(xiàn)有的熱泵空調技術進行優(yōu)化，讓其可在應用環(huán)節(jié)發(fā)揮更大的價值。熱泵空調系統(tǒng)在汽車中的運用，可提高汽車整體的舒適性與穩(wěn)定性。新能源汽車中熱泵空調技術的運用，在新能源汽車中有較大的發(fā)展趨勢。

4.1 政策挑戰(zhàn)

新能源汽車發(fā)展要從長遠的利益考慮，必須遵循相關政府政策要求，綜合考慮國家戰(zhàn)略、國際大環(huán)境等多個方面進行分析研究，確定新能源汽車的發(fā)展策略。據(jù)了解，歐美各國對熱泵空調技術的研發(fā)與應用等方面均提供政策支持，如給予25%的經(jīng)費補貼?？萍荚谖磥頍o疑是推動社會與行業(yè)的巨大推動力，我國非常重視技術的創(chuàng)新與發(fā)展，對熱泵空調技術也較為重視，同時各地均提供政策方面的補貼，這為空調熱泵技術在新能源汽車領域的深入運用發(fā)展提供了優(yōu)越條件。不少新能源汽車行業(yè)在熱泵空調技術的研究中，享有政府資金方面的支持，所以對該項技術的研發(fā)有較大的熱情。然而，熱泵空調技術研發(fā)仍可能會在發(fā)展中遇到阻礙，其中也有政策方面設置的障礙，因為政策補貼給予不足，所以無法成為熱泵空調技術向前發(fā)展的巨大動力。

4.2 電池造價高

相比傳統(tǒng)燃油車，純電動汽車具有強大的動力，但其動力電池造價比較高。當動力電池電量充足時，空調系統(tǒng)可正常使用，但當動力電池電量非常低時，空調系統(tǒng)會因保證行駛動力優(yōu)先而降低空調功率或停止空調系統(tǒng)的運行，這使得車輛的整體效用變差。電池在新能源汽車中是相對重要的存在，因此需要不斷改進電池，將電池能量密度向上提升到更高水平，同時還圍繞電池壽命進行深入研究，盡可能在確保電池的安全性時提高電池的使用壽命。當然動力電池能量密度越高，續(xù)航里程越長，空調系統(tǒng)能高效使用的時間就越長，但造價成本也就更高。

4.3 消費者對新能源汽車認識不足

新能源的發(fā)展勢頭越來越猛，對新能源汽車的宣傳也越來越多，引起了不少消費者的關注。但是在關注新能源汽車的人群中，對新能源汽車所用技術十分了解的主體還是少數(shù)，大部分人只知道汽車的使用功能，而不了解熱泵空調技術在汽車空調系統(tǒng)中的使用情況，對該項技術也沒有正確的認識。新能源汽車在技術的研發(fā)中，將技術研發(fā)的成本算在車價中，部分群體不認可熱泵空調技術在制冷與制熱等方面的價值，所以不愿意購買含有熱泵技術運用而售價相對較高的新能源汽車。消費者對新能源汽車的認識不高，可能僅購買低端車型，這不利于新能源汽車企業(yè)對空調技術的自主研發(fā)，自然會影響到技術的研發(fā)速度。因此，銷售部門、廠家等部門需要多組織宣傳活動，以熱泵空調技術作為主題，盡可能讓更多群體認識熱泵空調技術，消費者也應自主提升對空調熱泵技術及節(jié)能的認知。

5 結語

新能源汽車將節(jié)能、低碳、環(huán)保作為發(fā)展理念，空調系統(tǒng)作為改善車內(nèi)舒適性環(huán)境的必要裝備，可根據(jù)車內(nèi)人員對車內(nèi)溫度與濕度的需求，有效地對車內(nèi)空氣的溫度、空氣流通速度和潔凈度等要素進行調節(jié)控制。熱泵空調技術地新能源汽車領域中的運用，可在較大程度上提高原有汽車空調系統(tǒng)在制冷與制熱方面的能力和效率，同時因技術的進步可減少使用期間能源損耗量，節(jié)能性特征異常突出。此外，顯著優(yōu)化熱泵空調系統(tǒng)的功能，將成為新能源汽車在未來發(fā)展著重研究的領域。研發(fā)者需整理熱泵空調技術在新能源汽車中的運用研究成果，實現(xiàn)對熱泵空調技術的深入分析，給出一套完整的技術方案，讓其在新能源汽車領域有更大的價值，顯著提升汽車空調系統(tǒng)整體功能水平，可為人們提供更出色的服務能力。

基金項目：廣西職業(yè)教育教學改革項目（GXGZJG2019B120）--基于VR技術的高職新能源汽車技術課程3D互動式混合教學模式的研究與實踐；廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目（2020KY29011）--純電動汽車空調熱泵性能改進的研究與實踐。

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