李 赟

(山西交通職業(yè)技術學院，山西 太原 030031)

熱泵(Heat Pump)是一種將低位熱源的熱能轉移到高位熱源的裝置，也是全世界倍受關注的新能源技術。它不同于人們所熟悉的可以提高位能的機械設備“泵”；熱泵通常是先從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，經(jīng)過電力做功，然后再向人們提供可被利用的高品位熱能。

電驅動汽車產(chǎn)生的余熱要比內燃機汽車少得多,熱泵的應用實現(xiàn)了利用電動傳動系元件的余熱對車內空間進行加熱。通過擴展制冷劑及冷卻液回路，可以回收余熱用于加熱，這樣可使電動加熱運行模式的效率得到顯著提升。熱泵會將電動傳動系元件散失的熱量收集起來，然后使流經(jīng)熱交換器的冷卻液達到更高的溫度水平。

熱泵優(yōu)點在于溫度預調節(jié)利用電動空調壓縮機和高電壓加熱裝置(PTC)，在夏季行駛前可以對車內空間提前制冷，冬季提前加熱，熱泵無需輔助加熱就可以維持在22 ℃左右的舒適溫度。熱泵的另一個優(yōu)點是，可以避免車窗在潮濕氣候條件下蒙上水霧,通過它可首先對吸入的空氣進行冷卻并除濕，接著通過熱泵重新高效地加熱。電動車輛的傳統(tǒng)加熱系統(tǒng)為此需要消耗兩次能量。

1 熱泵的工作原理

熱泵系統(tǒng)的工作原理與制冷系統(tǒng)的工作原理是一致的。兩者的主要部件及組成是一樣的：壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器。

在夏季空調降溫時，按制冷工況運行，由壓縮機排出的高壓蒸汽，經(jīng)換向閥進入冷凝器，制冷劑蒸汽被冷凝成液體，經(jīng)節(jié)流裝置進入蒸發(fā)器，并在蒸發(fā)器中吸熱，將室內空氣冷卻，蒸發(fā)后的制冷劑蒸汽，經(jīng)換向閥后被壓縮機吸入，這樣周而復始，實現(xiàn)制冷循環(huán)。

在冬季取暖時，熱泵工作，于是由壓縮機排出的高壓制冷劑蒸汽，經(jīng)換向閥后流入室內蒸發(fā)器，制冷劑蒸汽冷凝時放出的潛熱，將室內空氣加熱，達到室內取暖目的，冷凝后的液態(tài)制冷劑，從反向流過節(jié)流裝置進入冷凝器，吸收外界熱量而蒸發(fā)，蒸發(fā)后的蒸汽經(jīng)過換向閥后被壓縮機吸入，完成制熱循環(huán)。這樣，將外界空氣(或循環(huán)水)中的熱量"泵"入溫度較高的室內，故稱為“熱泵”。

2 熱泵的熱管理系統(tǒng)

熱泵的熱管理系統(tǒng)屬高電壓系統(tǒng)部件，包括空調器制冷、熱泵、冷卻等功能。熱管理系統(tǒng)控制器讀取來自溫度和壓力傳感器的信號，控制泵和閥門?？刂破骺梢詤f(xié)調由熱泵新加入的部件的請求，協(xié)調子系統(tǒng)的請求，并嘗試調節(jié)最節(jié)能的工作點。高電壓加熱裝置(PTC)會加熱車內空間的暖風熱交換器中的冷卻液。這是在電動行駛和溫度預調節(jié)時進行的,只有當熱泵的加熱功率不足以加熱車內空間時，高電壓加熱裝置才會投入工作。

熱泵的熱管理系統(tǒng)的另一元件是電動空調壓縮機，它是種新開發(fā)汽車空調系統(tǒng)的核心部件。電動空調壓縮機以低壓吸入低溫氣態(tài)制冷劑。它在壓縮機中被壓縮，同時提高壓力，制冷劑的溫度上升。壓縮后的高溫氣態(tài)制冷劑從空調壓縮機流入閥體，然后根據(jù)運行狀態(tài)，制冷運行模式時，流向冷凝器；熱泵運行模式時，流向用于熱泵運行的熱交換器。電動空調壓縮機在必要時不僅負責車內的加熱和制冷，也負責混合動力蓄電池單元的加熱和冷卻。制冷劑斷流閥布置在一個緊湊的閥體內，通過LIN總線受控制器促動,閥門的開關位置決定了系統(tǒng)的運行。此外系統(tǒng)還包含電子膨脹閥(熱管理系統(tǒng)控制器通過LIN總線促動)，用于截流蒸發(fā)器的制冷劑斷流閥,止回閥可以保證制冷劑在不同運行模式下沿正確方向流動。

3 熱泵的熱管理系統(tǒng)的工作過程

混合動力蓄電池熱交換器是一臺板式熱交換器，制冷劑在其中被蒸發(fā)。該部件用于冷卻蓄電池回路，并在熱泵運行時吸收來自低溫回路的熱量。帶制冷劑收集器的，用于熱泵運行的熱交換器將來自制冷劑回路和冷卻回路的熱量傳遞給加熱回路。高溫氣態(tài)制冷劑在板式熱交換器中冷凝，同時將熱量散至加熱回路。制冷劑回路不同于傳統(tǒng)系統(tǒng)，它有另外的熱泵部件，制冷劑回路的兩個保養(yǎng)接口(高壓和低壓)分別位于低壓側空調壓縮機上游以及高壓側閥體下游。新的部件有帶閥門的閥體、用于熱泵運行模式的熱交換器、內部熱交換器、制冷劑膨脹閥及4個止回閥。

熱泵的3種運行狀態(tài)為加熱運行、制冷運行和用于空氣除濕的再加熱運行模式。

1)加熱運行模式：如圖1示，加熱車內空間時，電動空調壓縮機壓縮氣態(tài)制冷劑使其急劇升溫。用于熱泵運行的熱交換器是一款緊湊型的板式熱交換器，將高溫氣體的熱量傳遞至車內空間的加熱回路，在此過程中氣體冷卻并液化。液態(tài)制冷劑經(jīng)電動膨脹閥泄壓，接著在混合動力蓄電池熱交換器中蒸發(fā)。同時混合動力蓄電池熱交換器吸收電動傳動系低溫回路的熱量，后者溫度由此降低約3 ℃～5 ℃。通過這一過程，熱泵可將電動動力總成的廢熱用于加熱車內空間。

圖1 加熱運行模式運行狀態(tài)

2)制冷運行模式：如圖2所示，氣態(tài)制冷劑不像在加熱運行模式下一樣在用于熱泵運行的熱交換器內液化，而是在車輛前端的大冷凝器中液化。它通過熱膨脹閥膨脹、在空調器的蒸發(fā)器內蒸發(fā)并由此對車內空間進行制冷。

圖2 制冷運行模式運行狀態(tài)

3)再加熱運行模式：如圖3所示，在再加熱運行模式下，空氣首先冷卻，同時除濕，接著重新受熱，用于熱泵運行的熱交換器將制冷劑冷卻空氣時吸收的熱量提供給車內空間，必要時系統(tǒng)還可以通過混合動力蓄電池熱交換器獲取電動傳動系的余熱，通過這種運行模式避免車窗蒙上水霧。

圖3 再加熱運行模式運行狀態(tài)

車內空間加熱用于向車內提供熱量。它是冷卻液回路的組成部分。它與傳統(tǒng)車輛加熱回路的區(qū)別在于額外集成的高電壓加熱裝置(PTC)和用于熱泵運行的熱交換器。這些元件讓混合動力車輛即使在較低環(huán)境溫度也能夠運行，無任何舒適性影響。電動行駛時，車內空間加熱回路通過切換閥門而與內燃機的冷卻回路斷開，這樣可以將通過高電壓加熱裝置(PTC)和用于熱泵運行的熱交換器帶來的能量提供給車內空間。

4 結束語

熱泵可以節(jié)能，有利于能源的綜合利用，環(huán)境的保護；并且熱泵是冷熱結合，設備應用率高，節(jié)省初投資，同時它是電驅動，調控也比較方便，所以熱泵技術在電動力上的應用將成為趨勢。