摘 要：低碳零碳技術(shù)是當前企業(yè)新的競爭力，作為汽車行業(yè)實現(xiàn)低碳零碳最好的出路是發(fā)展電動汽車。對于電動汽車，備受關(guān)注的是電池續(xù)航里程，而作為汽車上不可缺少的空調(diào)系統(tǒng)，會減少一部分電池續(xù)航里程。出于節(jié)能環(huán)保，降低對續(xù)航里程的影響，主要介紹電動汽車空調(diào)系統(tǒng)在發(fā)展中出現(xiàn)的，電動壓縮機制冷+PTC制熱的系統(tǒng)、節(jié)能的熱泵系統(tǒng)及制冷劑的應用。

關(guān)鍵詞：電動汽車 制冷 PTC制熱 熱泵系統(tǒng) 制冷劑

1 前言

為響應碳達峰碳中和，保護環(huán)境的政策，對于汽車行業(yè)首要做的就是嚴格控制化石能源消費，推廣節(jié)能低碳型交通工具，加快發(fā)展新能源車。低碳零碳技術(shù)是當前企業(yè)新的競爭力，作為汽車行業(yè)實現(xiàn)低碳零碳最好的出路是發(fā)展電動汽車。中國新能源汽車行業(yè)進幾年得到了快速的發(fā)展。行業(yè)普遍預測2022年國內(nèi)新能源汽車銷量將超過650萬輛，2023年新能源汽車銷售可達到800萬-1000輛。在電動汽車發(fā)展的同時，其配套的空調(diào)系統(tǒng)也發(fā)了很大的變化，傳統(tǒng)的汽油車空調(diào)制冷與制熱都不離開發(fā)動機，而在純電動汽車由于沒有了發(fā)動機提供動力和熱源，使得純電動汽車在發(fā)展的過程中，對其配套的汽車空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展也是不容忽視的[1]。

對于電動汽車的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)主要出現(xiàn)了壓縮機制冷+PTC制熱的系統(tǒng)、熱泵空調(diào)系統(tǒng)。其中電動壓縮機制冷+PTC制熱的系統(tǒng)是主流的形式。

2 電動壓縮機制冷+PTC制熱的系統(tǒng)

2.1 電動壓縮機制冷

圖1為電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)原理圖，制冷時，高溫高壓氣體從壓縮機排出，進入冷凝器，在冷凝器中冷卻成高壓中溫的液體制冷劑，進入膨脹閥進行節(jié)流降壓成氣液兩相混合物，進入蒸發(fā)器與空調(diào)進入熱交換，吸收熱量后液體汽化，經(jīng)壓縮機吸氣管被壓縮機吸入壓縮成高溫高壓氣體后再排出，如此循環(huán)。電動汽車空調(diào)與傳統(tǒng)汽油車空調(diào)的原理一樣，只是在壓縮機驅(qū)動方面不一樣而導致系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)不同。傳統(tǒng)汽油車空調(diào)的壓縮機由于有發(fā)動機提供動力而選用機械式的壓縮機，而電動汽車由于沒有了發(fā)動機，所以在電動汽車空調(diào)上選用由動力電池提供動力的電動壓縮機。但是對于電動汽車其續(xù)航里程受到整車動力電池的限制，而電動壓縮機又是能耗較大的零部件，為了盡量減少空調(diào)制冷系統(tǒng)對整車續(xù)航里程的影響，可在電動壓縮機的選用，性能匹配、控制策略的合理性上進行優(yōu)化[1]。

2.2 電動汽車空調(diào)制熱系統(tǒng)

電動汽車制熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽油車完全不同，傳統(tǒng)汽油車制熱只需利用發(fā)動機冷卻后的余熱即可滿足車內(nèi)溫度的要求。對于電動汽車，取消了發(fā)動機，沒有了熱源，電動汽車的制熱就需要有其他熱源提供熱量。對于電動壓縮機制冷+PTC制熱的系統(tǒng)組合，制熱主要采用PTC風暖制熱系統(tǒng)、PTC水暖制熱系統(tǒng)。

2.2.1 PTC風暖制熱系統(tǒng)

PTC風暖加熱是用PTC取代原有HVAC的加熱暖芯，利用電能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的熱量直接俄與可以空氣進行熱交換。系統(tǒng)的特點：制熱效果快、結(jié)構(gòu)簡單，引擎艙不需要增加其他附加設(shè)備，但是HVAC需要配合PTC加熱器改動，而且PTC加熱器直接置于車內(nèi)，對安全性要求較高。

2.2.2 PTC水暖制熱系統(tǒng)

圖2為電動汽車水暖空調(diào)系統(tǒng)加熱系統(tǒng)原理圖，制熱時，冷卻液在水暖PTC中加熱后，由水泵提供動力，將冷卻液送到加熱暖芯中與空氣進行熱交換，提高車內(nèi)溫度，與空氣進行熱交換后的冷卻液流入水箱，再進入水暖PTC中繼續(xù)加熱，如此循環(huán)。此加熱系統(tǒng)的特點：空調(diào)箱體不需重新開發(fā)、需增加水暖PTC加熱器、水箱、電子水泵、連接管路及相應的控制設(shè)備、加熱速度慢、效率低（需二次熱交換）、相對PTC風暖加熱器安全性較好[1]。

風暖PTC和水暖PTC，都是需要消耗電池的電能轉(zhuǎn)化為熱能，而轉(zhuǎn)化的效率一般情況下是小于1的。而且在低溫情況下，效率更低，使得制熱效果大打折扣，為了滿足車內(nèi)溫度的要求，需要加大功率，因此這兩種加熱方式都會對電動車的續(xù)航里程造成很大的影響。根據(jù)實驗研究的結(jié)果表明：在AC系統(tǒng)滿負荷運轉(zhuǎn)下，制冷和制熱時電動汽車續(xù)航里程分別降低了16.7%和50%[2]。為了更好的解決PTC這一問題，各大汽車廠商開始加大研究節(jié)能型的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。據(jù)研究，熱泵空調(diào)相對PTC加熱系統(tǒng)可以使行駛里程增加25%～31%。

3 熱泵空調(diào)系統(tǒng)

熱泵技術(shù)是通過改變系統(tǒng)中制冷劑的流動方向，實現(xiàn)制冷與制熱。根據(jù)熱泵的性能系數(shù)可知，冬季制熱時COP是恒大于1的，所以，熱泵的熱力學經(jīng)濟性比消耗電能的PTC系統(tǒng)要好很多[1]。電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)常見的形式有直接熱泵系統(tǒng)、間接熱泵系統(tǒng)、增焓補氣熱泵系統(tǒng)。

3.1 直接熱泵系統(tǒng)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要通過四通換向閥改變系統(tǒng)中制冷劑的流動方向，實現(xiàn)制冷制熱的功能，其應用在家用空調(diào)上技術(shù)比較成熟，但是在汽車上應用時，四通換向閥依舊沿用家用空調(diào)中的銅制材料，其與汽車上的鋁制管路焊接時存在焊接性能差、可靠性低的情況，使得傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)不適宜用在汽車空調(diào)系統(tǒng)上，所以現(xiàn)階段的主要做法是在四通換向閥基礎(chǔ)上做了一些改進，采用了三換熱器系統(tǒng)[3]。

直接熱泵系統(tǒng)，簡單來說就是制冷劑直接與車內(nèi)空氣進行熱交換，具有換熱效率高的特點。圖3為奔騰B30 EV的空調(diào)系統(tǒng)圖，空調(diào)系統(tǒng)采用了熱泵+風暖PTC的方案。制冷時，膨脹閥1關(guān)閉，壓縮機排氣經(jīng)兩通閥進入車外冷凝器冷凝冷卻成高壓中溫的液體，經(jīng)三通閥進入回熱器過冷后，再經(jīng)膨脹閥2節(jié)流降壓后進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中與空氣進行熱交換，吸收空氣中的熱量，使室內(nèi)溫度降低。蒸發(fā)后的氣液兩相混合物進入回熱器后再進入氣液分離器分離液體，氣體經(jīng)吸氣管被壓縮機吸入在壓縮機中壓縮成高溫高壓的氣體再次循環(huán)。此時需注意關(guān)閉車內(nèi)冷凝器風門，空氣不流經(jīng)車內(nèi)冷凝器。制冷時還可根據(jù)需要對電池進行冷卻。制熱時，膨脹閥2和兩通閥關(guān)閉，壓縮機排氣進入車內(nèi)冷凝器與車內(nèi)空氣進行熱交換后經(jīng)膨脹閥1節(jié)流降壓后再進入車外冷凝器吸熱蒸發(fā)，再經(jīng)三通閥進入氣液分離器進行氣液分離，低溫低壓的氣體再經(jīng)壓縮機壓縮成高溫高壓氣體再次進行循環(huán)。在此系統(tǒng)中，布置了三換熱器，車外布置單個車外冷凝器，夏天制冷時用做冷凝器，冬季制熱時用做蒸發(fā)器，車內(nèi)布置雙換熱器分別是制冷用蒸發(fā)器和制熱用車內(nèi)冷凝器，此時的車內(nèi)冷凝器取代了傳統(tǒng)汽油車是加熱暖芯，在設(shè)計開發(fā)時需重新設(shè)計HVAC總成。對于R134a熱泵系統(tǒng)在低溫時滿足不了車內(nèi)溫度要求，因此環(huán)境溫度比較低時需熱泵與輔助風暖 PTC 進行采暖。

3.2 間接熱泵系統(tǒng)

間接式熱泵系統(tǒng)與直接式熱泵系統(tǒng)不同的是，在間接式系統(tǒng)中取消了車內(nèi)冷凝器，采用原有的加熱暖芯，同時在發(fā)動機艙增加了一個間接換熱器。簡單理解就是制冷劑與中間換熱器的冷卻液換熱后，冷卻液再與室內(nèi)的空氣進行熱交換，所以它屬于二次換熱。圖4所示為BMWI3間接式熱泵系統(tǒng)，制冷時與常規(guī)的制冷循環(huán)一樣，此時電磁閥1、電磁閥4、膨脹閥1、膨脹閥2打開，電磁閥2、電磁閥3、膨脹閥3關(guān)閉。制熱時，電磁閥2、電磁閥3、電磁閥4、膨脹閥1、膨脹閥3打開，電磁閥1、膨脹閥2關(guān)閉，制冷劑的流程為，壓縮機的排氣經(jīng)電磁閥2進入間接換熱器與冷卻液進行熱交換，降溫后在出口經(jīng)過膨脹閥3節(jié)流降壓，進入蒸發(fā)器在出口再經(jīng)膨脹閥1節(jié)流降壓，進入車外冷凝器吸收車外空氣的熱量蒸發(fā)成氣液兩相的制冷劑，電磁閥3打開，進入氣液分離器分離液體后在進入壓縮機壓縮成高溫高壓的氣體，如此循環(huán)。冷卻液在間接換熱器中吸收壓縮機排出的高溫高壓氣體制冷劑后，溫度升高經(jīng)過PTC加熱器再進入加熱暖芯加熱車內(nèi)空氣，是車內(nèi)空氣溫度上升。熱泵循環(huán)時，通過控制四個電磁和3個膨脹閥可以實現(xiàn)車內(nèi)制冷、制熱以及電池的冷卻和預熱。

直接熱泵系統(tǒng)中加熱暖芯可以沿用汽車的結(jié)構(gòu)，因此HVAC不需要重新開發(fā)設(shè)計，但是它屬于二次換熱存在一定的熱量損失，所以想要達到與直接熱泵系統(tǒng)同樣的車內(nèi)溫度需要給間接換熱器提供更高的溫度，這樣就需要提高壓縮機的排氣溫度，排氣溫度升高會給壓縮機帶來不好的影響。

3.3 增焓補氣熱泵系統(tǒng)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有節(jié)能效果好的特點，但受到室外溫度的限制，隨著室外溫度的降低，制熱能力衰減嚴重，特別是在極端寒冷條件下，能效比明顯下降，需借助于高壓 PTC 進行輔助加熱。為了解決低溫工況制熱能力衰減的常見方法就是：補氣增焓技術(shù)，提高壓縮機的吸氣量，增大散熱量[4]。

補氣增焓技術(shù)常見的方法又有閃發(fā)器補氣增焓和經(jīng)濟器補氣增焓。閃發(fā)器補氣增焓系統(tǒng)中，壓縮機的高溫高壓排氣進入冷凝器進行冷凝冷卻成液態(tài)制冷劑，經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓成中壓氣液兩相混合物，流入閃發(fā)器，在閃發(fā)器中進行氣液分離，氣體被壓縮機的補充吸氣口吸入，液體經(jīng)主路的膨脹閥2再次節(jié)流降壓后進入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)。經(jīng)濟器補氣增焓系統(tǒng)中壓縮機的高溫高壓排氣進入冷凝器進行冷凝冷卻成液態(tài)制冷劑后分主路和輔路進入經(jīng)濟器，大部分經(jīng)主路液體直接進入經(jīng)濟器與部分經(jīng)輔路膨脹閥節(jié)流后的制冷進行熱交換，低溫的制冷吸熱蒸發(fā)被壓縮機補充吸氣口吸入，被過冷的液體再經(jīng)主路的膨脹閥節(jié)流降壓后進入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)。

從這兩種系統(tǒng)中可以看出，從經(jīng)濟器和閃發(fā)器補充的氣體是中壓的飽和氣體溫度較低，進入壓縮機可以改善壓縮條件，其次中壓氣體被補充吸入之后增加了壓縮機的吸氣量，從而可以提高制熱量，可以相當于一個雙級壓縮系統(tǒng)的運行效果，因此，增焓系統(tǒng)的效果明顯要優(yōu)于非增焓系統(tǒng)。

4 制冷劑的發(fā)展

制冷劑是通過在系統(tǒng)中循環(huán)，將熱量與環(huán)境進行交換的工質(zhì)。制冷劑所具有的制冷能力不同會導致系統(tǒng)的制冷制熱效果產(chǎn)生差異。隨著人們環(huán)保意識的增強和對空調(diào)系統(tǒng)性能的要求，自1830年開始至今，制冷劑也經(jīng)歷了幾次發(fā)展，目前在電動汽車空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)比較多的是R134a，R1234yf、CO2。

4.1 R134a制冷劑

R134a 由于其具有優(yōu)秀的物理特性而成為R12的替代品，普遍用于汽油車和電動車的空調(diào)系統(tǒng)中。R134a具有良好的制冷性能，與金屬和非金屬相容，化學和熱穩(wěn)定性好，不易燃、不爆炸、無毒、無刺激性和無腐蝕性，因此具有良好的安全性能。R134分子式中不含氯原子，對大氣臭氧層沒有破壞能力，但R134a的溫室效應高達1300，會引起大氣環(huán)境產(chǎn)生溫室效應，不符合發(fā)展電動汽車的環(huán)保理念，最終將會被取代。自2006年，歐盟議會正式通過了淘汰含氟氣體的法規(guī)，規(guī)定自2011年起新開發(fā)車型停止使用R134a，2017年起新生產(chǎn)車輛停止使用R134a[5]。美國環(huán)保署通過重大新替代品政策計劃對制冷劑的使用進行管理，明確2021年禁用 R134a。中國也將在不久禁用R134a。R134a冬季制熱時環(huán)境溫度低，效果比較差，這也使其在熱泵系統(tǒng)中受到限制。

4.2 R1234yf制冷劑

R1234yf制冷劑是由美國杜邦公司和霍尼韋爾公司聯(lián)合研發(fā)的能替代R134a的新一代環(huán)保制冷劑。R1234yf分子式中不含氯原子，OPD指數(shù)為0，GWP為4，遠低于R134a。R1234yf與R134a在熱物理性質(zhì)上非常相似，通過國內(nèi)外相關(guān)汽車空調(diào)制冷劑的研究總結(jié)也可以發(fā)現(xiàn)，制冷劑R1234yf在制冷性能上基本可以代替制冷劑R134a。而且在更換制冷劑時，在硬件上不需要做太多的改動，不會因為變換制冷劑而造成車輛制造成本的上升。但是R1234yf制冷劑無閃點，自燃點為405℃，屬于具有弱可燃性的制冷劑。因此，R1234yf的安全問題直接影響了其在汽車空調(diào)上的應用。同時，R1234yf 與 R134a 都存在環(huán)境溫度低時，制熱能力不足的問題，需要高壓PTC輔助加熱，而且受限于美國公司的專利保護，R1234yf高昂的價格也是目前限制其在國內(nèi)廣泛普及的主要問題。

4.3 CO2 （ R744）制冷劑

CO2是一種天然制冷劑，早在19世紀，就被當作制冷劑進行應用，由于當時的生產(chǎn)技術(shù)水平比較落后，無法生產(chǎn)出高效的冷卻器，所以限制了CO2的應用[6]。CO2作為制冷劑具有以下的優(yōu)勢：無毒、不可燃，ODP=0，GWP=1，對大氣臭氧層沒有破壞作用，不會造成全球的溫室效應；單位容積制冷量大，制冷部件結(jié)構(gòu)尺寸緊湊; 傳熱、流動性能好；價格便宜，但是CO2制冷劑也存在臨界溫度低、臨界壓力高的缺點，所以二氧化碳制冷系統(tǒng)的運行壓力都比其他制冷劑的空調(diào)系統(tǒng)高。因此使用二氧化碳制冷劑需要空調(diào)系統(tǒng)零部件具備較強的耐壓性和安全性，提升了空調(diào)系統(tǒng)及部件的制作難度和成本。

出于環(huán)保的理念以及CO2在低環(huán)境溫度下制熱性能優(yōu)異以及產(chǎn)品技術(shù)的提升，CO2又成為了當前熱泵空調(diào)領(lǐng)域的研究熱點，并且部分車型已逐步配備二氧化碳熱泵空調(diào)。大眾 ID4 CROZZ 搭載二氧化碳熱泵空調(diào)，續(xù)航里程最高提升30%。相比其他制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)在-15℃時，會存在較大的問題，而二氧化碳熱泵空調(diào)可以在-30℃持續(xù)工作。其在低溫下制熱性能的優(yōu)勢，CO2熱泵空調(diào)可以顯著提升電動車冬季的續(xù)航里程，因此CO2可能會成為各大主機廠優(yōu)先使用的制冷劑。

5 總結(jié)

電動汽車的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)主要出現(xiàn)了壓縮機制冷+PTC制熱的系統(tǒng)，熱泵空調(diào)系統(tǒng)，由于壓縮機制冷+PTC制熱的系統(tǒng)，耗電量大，對續(xù)航影響大，冬天制熱效率低，因此更節(jié)能的熱泵空調(diào)系統(tǒng)得到了應用，熱泵空調(diào)系統(tǒng)又分直接熱泵系統(tǒng)，間接熱泵系統(tǒng)、補氣增焓熱泵系統(tǒng)。直接熱泵系統(tǒng)具有換熱效率高，車內(nèi)冷凝器取代了傳統(tǒng)汽油車是加熱暖芯，在設(shè)計開發(fā)時需重新設(shè)計HVAC總成。直接熱泵系統(tǒng)屬于二次換熱，存在熱量損失大，但加熱暖芯可以沿用汽油車的，因此HVAC不需要重新開發(fā)設(shè)計。補氣增焓系統(tǒng)補充的氣體是中壓的飽和氣體溫度較低，進入壓縮機可以改善壓縮條件，其次中壓氣體被補充吸入之后增加了壓縮機的吸氣量，從而可以提高制熱量，可以相當于一個雙級壓縮系統(tǒng)的運行效果。對于當前應用的制冷劑，R1234yf 與 R134a 都存在低溫環(huán)境下制熱能力不足的問題，CO2可能會成為各大主機廠優(yōu)先使用的制冷劑。

參考文獻：

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