电动汽车空调系统的发展_关晓 (1).pdf

164 AUTO TIMEAUTO PARTS|汽车零部件1前言为响应碳达峰碳中和，保护环境的政策，对于汽车行业首要做的就是严格控制化石能源消费，推广节能低碳型交通工具，加快发展新能源车。低碳零碳技术是当前企业新的竞争力，作为汽车行业实现低碳零碳最好的出路是发展电动汽车。中国新能源汽车行业进几年得到了快速的发展。行业普遍预测 2022 年国内新能源汽车销量将超过 650 万辆，2023 年新能源汽车销售可达到 800 万-1000 辆。在电动汽车发展的同时，其配套的空调系统也发了很大的变化，传统的汽油车空调制冷与制热都不离开发动机，而在纯电动汽车由于没有了发动机提供动力和热源，使得纯电动汽车在发展的过程中，对其配套的汽车空调系统的发展也是不容忽视的1。对于电动汽车的发展，空调系统主要出现了压缩机制冷+PTC 制热的系统、热泵空调系统。其中电动压缩机制冷+PTC制热的系统是主流的形式。2电动压缩机制冷+PTC 制热的系统2.1电动压缩机制冷图 1 为电动汽车空调制冷系统原理图，制冷时，高温高压气体从压缩机排出，进入冷凝器，在冷凝器中冷却成高压中温的液体制冷剂，进入膨胀阀进行节流降压成气液两相混合物，进入蒸发器与空调进入热交换，吸收热量后液体汽化，经压缩机吸气管被压缩机吸入压缩成高温高压气体后再排出，如此循环。电动汽车空调与传统汽油车空调的原理一样，只是在压缩机驱动方面不一样而导致系统组成结构不同。传统汽油车空调的压缩机由于有发动机提供动力而选用机械式的压缩机，而电动汽车由于没有了发动机，所以在电动汽车空调上选用由动力电池提供动力的电动压缩机。但是对于电动汽车其续航里程受到整车动力电池的限制，而电动压缩机又是能耗较大的零部件，为了尽量减少空调制冷系统对整车续航里程的影响，可在电动压缩机的选用，性能匹配、控制策略的合理性上进行优化1。电动汽车空调系统的发展关晓 福建船政交通职业学院福建省福州市350000摘 要：低碳零碳技术是当前企业新的竞争力，作为汽车行业实现低碳零碳最好的出路是发展电动汽车。对于电动汽车，备受关注的是电池续航里程，而作为汽车上不可缺少的空调系统，会减少一部分电池续航里程。出于节能环保，降低对续航里程的影响，主要介绍电动汽车空调系统在发展中出现的，电动压缩机制冷+PTC 制热的系统、节能的热泵系统及制冷剂的应用。关键词：电动汽车制冷PTC 制热热泵系统制冷剂Development of Air Conditioning Systems for Electric VehiclesGuan XiaoAbstract：Low-carbon and zero-carbon technology is the new competitiveness of current enterprises,and the best way for the automotive industry to achieve low-carbon and zero-carbon is to develop electric vehicles.For electric vehicles,the battery range is of great concern.As an indispensable air conditioning system on the car,it will reduce some of the battery range.In order to save energy and environmental protection and reduce the impact on cruising range,the article mainly introduces the application of electric compressor refrigeration+PTC heating system,energy-saving heat pump system and refrigerant in the development of electric vehicle air conditioning system.Key words：electric vehicles,refrigeration,PTC heating,heat pump system,refrigerants图1电动汽车空调制冷系统原理图电动压缩机膨胀阀进风口出风口鼓风机冷凝器蒸发器暖芯AUTO TIME 165 AUTO PARTS|汽车零部件 时代汽车 2.2电动汽车空调制热系统电动汽车制热系统与传统汽油车完全不同，传统汽油车制热只需利用发动机冷却后的余热即可满足车内温度的要求。对于电动汽车，取消了发动机，没有了热源，电动汽车的制热就需要有其他热源提供热量。对于电动压缩机制冷+PTC 制热的系统组合，制热主要采用 PTC 风暖制热系统、PTC 水暖制热系统。2.2.1PTC 风暖制热系统PTC 风 暖 加 热 是 用 PTC 取 代 原 有HVAC 的加热暖芯，利用电能转转换的热量直接俄与可以空气进行热交换。系统的特点：制热效果快、结构简单，引擎舱不需要增加其他附加设备，但是 HVAC 需要配合 PTC 加热器改动，而且 PTC 加热器直接置于车内，对安全性要求较高。2.2.2PTC 水暖制热系统图 2 为电动汽车水暖空调系统加热系统原理图，制热时，冷却液在水暖 PTC 中加热后，由水泵提供动力，将冷却液送到加热暖芯中与空气进行热交换，提高车内温度，与空气进行热交换后的冷却液流入水箱，再进入水暖 PTC 中继续加热，如此循环。此加热系统的特点:空调箱体不需重新开发、需增加水暖 PTC 加热器、水箱、电子水泵、连接管路及相应的控制设备、加热速度慢、效率低（需二次热交换）、相对 PTC 风暖加热器安全性较好1。图2电动汽车水暖空调系统加热系统原理图水暖PTC加热器膨胀水箱电动水泵进风口出风口鼓风机传感器蒸发器暖芯风暖 PTC 和水暖 PTC，都是需要消耗电池的电能转化为热能，而转化的效率一般情况下是小于 1 的。而且在低温情况下，效率更低，使得制热效果大打折扣，为了满足车内温度的要求，需要加大功率，因此这两种加热方式都会对电动车的续航里程造成很大的影响。根据实验研究的结果表明:在 AC 系统满负荷运转下，制冷和制热时电动汽车续航里程分别降低了 16.7%和 50%2。为了更好的解决 PTC 这一问题，各大汽车厂商开始加大研究节能型的热泵空调系统。据研究，热泵空调相对 PTC 加热系统可以使行驶里程增加 25%31%。3热泵空调系统热泵技术是通过改变系统中制冷剂的流动方向，实现制冷与制热。根据热泵的性能系数可知，冬季制热时 COP 是恒大于1 的，所以，热泵的热力学经济性比消耗电能的 PTC 系统要好很多1。电动汽车热泵空调系统常见的形式有直接热泵系统、间接热泵系统、增焓补气热泵系统。3.1直接热泵系统热泵空调系统主要通过四通换向阀改变系统中制冷剂的流动方向，实现制冷制热的功能，其应用在家用空调上技术比较成熟，但是在汽车上应用时，四通换向阀依旧沿用家用空调中的铜制材料，其与汽车上的铝制管路焊接时存在焊接性能差、可靠性低的情况，使得传统的热泵系统不适宜用在汽车空调系统上，所以现阶段的主要做法是在四通换向阀基础上做了一些改进，采用了三换热器系统3。直接热泵系统，简单来说就是制冷剂直接与车内空气进行热交换，具有换热效率高的特点。图 3 为奔腾 B30 EV 的空调系统图，空调系统采用了热泵+风暖 PTC的方案。制冷时，膨胀阀 1 关闭，压缩机排气经两通阀进入车外冷凝器冷凝冷却成高压中温的液体，经三通阀进入回热器过冷后，再经膨胀阀 2 节流降压后进入蒸发器，在蒸发器中与空气进行热交换，吸收空气中的热量，使室内温度降低。蒸发后的气液两相混合物进入回热器后再进入气液分离器分离液体，气体经吸气管被压缩机吸入在压缩机中压缩成高温高压的气体再次循环。此时需注意关闭车内冷凝器风门，空气不流经车内冷凝器。制冷时还可根据需要对电池进行冷却。制热时，膨胀阀 2 和两通阀关闭，压缩机排气进入车内冷凝器与车内空气进行热交换后经膨胀阀 1节流降压后再进入车外冷凝器吸热蒸发，再经三通阀进入气液分离器进行气液分离，低温低压的气体再经压缩机压缩成高温高压气体再次进行循环。在此系统中，布置了三换热器，车外布置单个车外冷凝器，夏天制冷时用做冷凝器，冬季制热时用做蒸发器，车内布置双换热器分别是制冷用蒸发器和制热用车内冷凝器，此时的车内冷凝器取代了传统汽油车是加热暖芯，在设计开发时需重新设计 HVAC 总成。对于R134a 热泵系统在低温时满足不了车内温度要求，因此环境温度比较低时需热泵与辅助风暖 PTC 进行采暖。图3奔腾B30 EV空调系统图制冷回路制热回路PTC车内冷凝器蒸发器鼓风机电池循环中间换热器膨胀阀（带截止功能）气液分离器膨胀阀2车外冷凝器电动压缩机膨胀阀 1两通阀回热器三通阀3.2间接热泵系统间接式热泵系统与直接式热泵系统不同的是，在间接式系统中取消了车内冷凝器，采用原有的加热暖芯，同时在发动机舱增加了一个间接换热器。简单理解就是制冷剂与中间换热器的冷却液换热后，冷却液再与室内的空气进行热交换，所以它属于二次换热。图 4 所示为 BMWI3 间接式热泵系统，制冷时与常规的制冷循环一样，此时电磁阀 1、电磁阀 4、膨胀阀 1、膨胀阀 2 打开，电磁阀 2、电磁阀 3、膨胀阀 3 关闭。制热时，电磁阀 2、电磁阀 3、166 AUTO TIMEAUTO PARTS|汽车零部件电磁阀 4、膨胀阀 1、膨胀阀 3 打开，电磁阀 1、膨胀阀 2 关闭，制冷剂的流程为，压缩机的排气经电磁阀 2 进入间接换热器与冷却液进行热交换，降温后在出口经过膨胀阀 3 节流降压，进入蒸发器在出口再经膨胀阀 1 节流降压，进入车外冷凝器吸收车外空气的热量蒸发成气液两相的制冷剂，电磁阀 3 打开，进入气液分离器分离液体后在进入压缩机压缩成高温高压的气体，如此循环。冷却液在间接换热器中吸收压缩机排出的高温高压气体制冷剂后，温度升高经过 PTC 加热器再进入加热暖芯加热车内空气，是车内空气温度上升。热泵循环时，通过控制四个电磁和 3 个膨胀阀可以实现车内制冷、制热以及电池的冷却和预热。直接热泵系统中加热暖芯可以沿用汽车的结构，因此 HVAC 不需要重新开发设计，但是它属于二次换热存在一定的热量损失，所以想要达到与直接热泵系统同样的车内温度需要给间接换热器提供更高的温度，这样就需要提高压缩机的排气温度，排气温度升高会给压缩机带来不好的影响。3.3增焓补气热泵系统热泵空调系统具有节能效果好的特点，但受到室外温度的限制，随着室外温度的降低，制热能力衰减严重，特别是在极端寒冷条件下，能效比明显下降，需借助于高压 PTC 进行辅助加热。为了解决低温工况制热能力衰减的常见方法就是：补气增焓技术，提高压缩机的吸气量，增大散热量4。补气增焓技术常见的方法又有闪发器补气增焓和经济器补气增焓。闪发器补气增焓系统中，压缩机的高温高压排气进入冷凝器进行冷凝冷却成液态制冷剂，经膨胀阀节流降压成中压气液两相混合物，流入闪发器，在闪发器中进行气液分离，气体被压缩机的补充吸气口吸入，液体经主路的膨胀阀 2 再次节流降压后进入蒸发器吸热蒸发。经济器补气增焓系统中压缩机的高温高压排气进入冷凝器进行冷凝冷却成液态制冷剂后分主路和辅路进入经济器，大部分经主路液体直接进入经济器与部分经辅路膨胀阀节流后的制冷进行热交换，低温的制冷吸热蒸发被压缩机补充吸气口吸入，被过冷的液体再经主路的膨胀阀节流降压后进入蒸发器吸热蒸发。从这两种系统中可以看出，从经济器和闪发器补充的气体是中压的饱和气体温度较低，进入压缩机可以改善压缩条件，其次中压气体被补充吸入之后增加了压缩机的吸气量，从而可以提高制热量，可以相当于一个双级压缩系统的运行效果，因此，增焓系统的效果明显要优于非增焓系统。4制冷剂的发展制冷剂是通过在系统中循环，将热量与环境进行交换的工质。制冷剂所具有的制冷能力不同会导致系统的制冷制热效果产生差异。随着人们环保意识的增强和对空调系统性能的要求，自 1830 年开始至今，制冷剂也经历了几次发展，目前在电动汽车空调系统开发比较多的是 R134a，R1234yf、CO2。4.1R134a 制冷剂R134a 由于其具有优秀的物理特性而成为 R12 的替代品，普遍用于汽油车和电动车的空调系统中。R134a 具有良好的制图4所示为BMWI3间接式热泵系统车外冷凝器电磁阀 1电磁阀 2电磁阀 3电磁阀 4蒸发器膨胀阀 1膨胀阀 2膨胀阀 3电池冷却器制热回路加热暖芯加热暖芯出口水泵PTC 出口PTC 进口间接换热器气液分离器电动压缩机PTC 加热器水箱图5补气增焓系统原理图电动压缩机电动压缩机冷凝器冷凝器膨胀阀 1膨胀阀 1膨胀阀 2膨胀阀 2闪蒸器经济器闪发器补气增焓系统经济器补气增焓系统蒸发器蒸发器AUTO TIME 167 AUTO PARTS|汽车零部件 时代汽车 冷性能，与金属和非金属相容，化学和热稳定性好，不易燃、不爆炸、无毒、无刺激性和无腐蚀性，因此具有良好的安全性能。R134 分子式中不含氯原子，对大气臭氧层没有破坏能力，但 R134a 的温室效应高达 1300，会引起大气环境产生温室效应，不符合发展电动汽车的环保理念，最终将会被取代。自 2006 年，欧盟议会正式通过了淘汰含氟气体的法规，规定自 2011 年起新开发车型停止使用 R134a，2017 年起新生产车辆停止使用 R134a5。美国环保署通过重大新替代品政策计划对制冷剂的使用进行管理，明确 2021 年禁用 R134a。中国也将在不久禁用 R134a。R134a 冬季制热时环境温度低，效果比较差，这也使其在热泵系统中受到限制。4.2R1234yf 制冷剂R1234yf 制冷剂是由美国杜邦公司和霍尼韦尔公司联合研发的能替代 R134a 的新一代环保制冷剂。R1234yf 分子式中不含氯原子，OPD 指数为 0，GWP 为 4，远低于 R134a。R1234yf 与 R134a 在热物理性质上非常相似，通过国内外相关汽车空调制冷剂的研究总结也可以发现，制冷剂R1234yf在制冷性能上基本可以代替制冷剂R134a。而且在更换制冷剂时，在硬件上不需要做太多的改动，不会因为变换制冷剂而造成车辆制造成本的上升。但是 R1234yf制冷剂无闪点，自燃点为 405，属于具有弱可燃性的制冷剂。因此，R1234yf 的安全问题直接影响了其在汽车空调上的应用。同时，R1234yf 与 R134a 都存在环境温度低时，制热能力不足的问题，需要高压 PTC 辅助加热，而且受限于美国公司的专利保护,R1234yf 高昂的价格也是目前限制其在国内广泛普及的主要问题。4.3CO2(R744)制冷剂CO2是一种天然制冷剂，早在 19 世纪，就被当作制冷剂进行应用，由于当时的生产技术水平比较落后，无法生产出高效的冷却器，所以限制了 CO2的应用6。CO2作为制冷剂具有以下的优势：无毒、不可燃，ODP=0，GWP=1，对大气臭氧层没有破坏作用，不会造成全球的温室效应；单位容积制冷量大，制冷部件结构尺寸紧凑;传热、流动性能好；价格便宜，但是 CO2制冷剂也存在临界温度低、临界压力高的缺点，所以二氧化碳制冷系统的运行压力都比其他制冷剂的空调系统高。因此使用二氧化碳制冷剂需要空调系统零部件具备较强的耐压性和安全性，提升了空调系统及部件的制作难度和成本。出于环保的理念以及 CO2在低环境温度下制热性能优异以及产品技术的提升，CO2又成为了当前热泵空调领域的研究热点，并且部分车型已逐步配备二氧化碳热泵空调。大众 ID4 CROZZ 搭载二氧化碳热泵空调，续航里程最高提升 30%。相比其他制冷剂的热泵空调系统在-15时，会存在较大的问题，而二氧化碳热泵空调可以在-30持续工作。其在低温下制热性能的优势，CO2热泵空调可以显著提升电动车冬季的续航里程，因此 CO2可能会成为各大主机厂优先使用的制冷剂。5总结电动汽车的发展，空调系统主要出现了压缩机制冷+PTC 制热的系统，热泵空调系统，由于压缩机制冷+PTC制热的系统，耗电量大，对续航影响大，冬天制热效率低，因此更节能的热泵空调系统得到了应用，热泵空调系统又分直接热泵系统，间接热泵系统、补气增焓热泵系统。直接热泵系统具有换热效率高，车内冷凝器取代了传统汽油车是加热暖芯，在设计开发时需重新设计 HVAC 总成。直接热泵系统属于二次换热，存在热量损失大，但加热暖芯可以沿用汽油车的，因此 HVAC 不需要重新开发设计。补气增焓系统补充的气体是中压的饱和气体温度较低，进入压缩机可以改善压缩条件，其次中压气体被补充吸入之后增加了压缩机的吸气量，从而可以提高制热量，可以相当于一个双级压缩系统的运行效果。对于当前应用的制冷剂，R1234yf 与 R134a 都存在低温环境下制热能力不足的问题，CO2可能会成为各大主机厂优先使用的制冷剂。参考文献:1关晓,商庆彬.纯电动汽车空调系统简介J.中国科技投资,2017(33):263-264.2 郑思宇,魏名山,宋盼盼.电动汽车热泵空调发展概述 J.重庆理工大学学报(自然科学),2018,32(08):14-23.3 赵 宇,嵇 天 炜,瞿 晓 华,穆 景 阳.电 动汽 车 热 泵 空 调 系 统 综 述 J.制 冷 与 空调,2020,20(07):72-81.4 魏秋兰,王红,刘涛.新能源汽车热泵空 调 技 术 研 究 与 应 用 J.汽 车 实 用 技术,2021,46(13):13-15+22.5 张凯,欧阳洪生,张董鑫,管祥添,管仲达,李伟,吴茜,郭智恺.电动汽车热泵空调冷媒研究进展J.浙江化工,2021,52(07):6-12.6 彭旭.纯电动汽车用跨临界 CO2热泵空调系统仿真优化及实验研究 D.郑州大学,2020.作者简介关晓：（1988.10），女，汉族，湖南人，硕士研究生，教师，讲师。