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電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
2021-11-06 19:52:34· 來源：電動(dòng)學(xué)堂 作者：蔣亞東
文章來源：珠海格力電器股份有限公司0引言純電動(dòng)汽車具有無排放、能量轉(zhuǎn)化利用率高、噪聲低、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，是我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略
文章來源：珠海格力電器股份有限公司
0引言
純電動(dòng)汽車具有無排放、能量轉(zhuǎn)化利用率高、噪聲低、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，是我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略方向；目前其推廣面臨的問題有續(xù)航里程較短、充電速度慢、配套設(shè)施不完善和動(dòng)力性能較差等，其中因現(xiàn)有電池容量有限導(dǎo)致續(xù)航里程難以提升是制約其發(fā)展的關(guān)鍵問題?？照{(diào)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車耗最大的輔助子系統(tǒng)，冬季制熱消耗的電能約占整車能耗的三分之一，如何在保證乘員艙舒適性的前提下盡量降低空調(diào)系統(tǒng)對(duì)電能的消耗是當(dāng)前行業(yè)研究的主要目標(biāo)。
1電動(dòng)汽車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)狀
與傳統(tǒng)燃油汽車的空調(diào)系統(tǒng)不同，電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)為電驅(qū)動(dòng)型，無法利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液產(chǎn)生熱量來實(shí)現(xiàn)駕乘艙制熱。目前大多數(shù)電動(dòng)汽車都是采用空調(diào)制冷+熱敏電阻PTC制熱的方式。PTC制熱由電能直接轉(zhuǎn)化為熱能，性能系數(shù)COP＜1，能耗大。熱泵空調(diào)系統(tǒng)通過逆卡諾循環(huán)能實(shí)現(xiàn)集制冷、制熱一體的功能，制熱效率更高（COP＞2.0），能夠很大程度上降低系統(tǒng)電能消耗，進(jìn)而提升續(xù)航里程。
國外品牌車型使用熱泵空調(diào)較早，在乘用車上應(yīng)用技術(shù)相對(duì)成熟。國際一級(jí)汽車系統(tǒng)部件供應(yīng)商電裝、法雷奧、翰昂、馬勒、博世等紛紛推出熱泵空調(diào)系統(tǒng)解決方案。國內(nèi)品牌主要在電動(dòng)客車領(lǐng)域發(fā)力，上海加冷松芝研發(fā)了低溫變頻熱泵系統(tǒng)，在國內(nèi)知名客車廠整車中得到廣泛應(yīng)用；零部件廠商奧特佳電動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)國內(nèi)市場(chǎng)占有率30%，三花智控已完成除壓縮機(jī)外零部件全覆蓋。但總體來說，國內(nèi)目前主要還是以零部件配套為主，缺少系統(tǒng)的解決方案；整車的熱泵系統(tǒng)技術(shù)，特別是乘用車熱泵系統(tǒng)技術(shù)與國外相比還有較大差距。
在熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用推廣過程中，還面臨一些突出的技術(shù)難題，主要表現(xiàn)為：1）當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)熱泵空調(diào)制熱COP值會(huì)顯著下降，環(huán)境溫度過低時(shí)甚至無法提供乘員艙所需的制熱量。2）熱泵空調(diào)系統(tǒng)在低溫高濕的環(huán)境中制熱運(yùn)行時(shí)，車外換熱器的外表面會(huì)結(jié)上較厚的霜層，阻礙工質(zhì)與外界的有效熱交換，換熱效率顯著下降，能耗增大。為解決上述問題，進(jìn)一步提升熱泵空調(diào)系統(tǒng)全場(chǎng)景下的能效，特別是低環(huán)境溫度下制熱量、制熱能效，國內(nèi)外車企、高校和科研機(jī)構(gòu)等對(duì)車用空調(diào)系統(tǒng)各部件開展廣泛研究。主要集中在工質(zhì)替代、高效電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)、微通道換熱器等方面。
2 環(huán)保工質(zhì)替代
工質(zhì)是在熱泵空調(diào)系統(tǒng)中進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化與傳遞的工作流體，其熱物理性質(zhì)對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷/制熱能力及可靠性等有著直接影響。目前汽車空調(diào)中的工質(zhì)主要是R134a，另外也有少部分汽車空調(diào)系統(tǒng)中使用R407c、R410a、R1234yf和CO2等。
R134a無毒不可燃，傳熱性能較好，但其沸點(diǎn)比較低（-26.5℃），環(huán)境溫度降低冷媒的氣化量會(huì)大幅降低，制熱效率下降，低溫制熱量不足且能耗高，無法滿足汽車空調(diào)低環(huán)境溫度下負(fù)荷要求；其GWP（1600）值較高，是歐盟和《京都議定書》中限制使用的工質(zhì)。R407c是是由R32、R125和R134a組成的三元非共沸混合工質(zhì)，其GWP值為1980；陳言桂等研究發(fā)現(xiàn)相比于R134a熱泵系統(tǒng)，R407c熱泵系統(tǒng)制熱時(shí)平均COP高27.6%，更適合于低溫環(huán)境運(yùn)行。R410a是一種共沸混合工質(zhì)，GWP值為2340，與R134a相比其低溫傳熱性能更好，缺點(diǎn)是運(yùn)行壓力較高，生產(chǎn)成本較高；格力、比亞迪等在研究并少量使用在汽車空調(diào)系統(tǒng)。134a、R407c、R410a這三種主流的汽車空調(diào)工質(zhì)由于其較高的GWP值，已經(jīng)被限制使用；行業(yè)目前可用于替代的環(huán)保工質(zhì)主要有R1234yf、CO2等。
R1234yf（ODP=0，GWP=4）是由霍尼韋爾和杜邦公司聯(lián)合推出的汽車空調(diào)用環(huán)保型工質(zhì)，能滿足歐盟法規(guī)要求，且熱力學(xué)性質(zhì)和傳熱特性與R134a相似，用于現(xiàn)有R134a汽車空調(diào)中，結(jié)構(gòu)改動(dòng)較小，成本費(fèi)用低，是目前可替代R134a應(yīng)用于汽車空調(diào)的最佳工質(zhì)之一；但其與R134a系統(tǒng)相比性能會(huì)有10%左右的下降，低溫制熱時(shí)性能下降會(huì)更突出。王秋實(shí)等將不同混合比例的R1234yf/R134a混合工質(zhì)應(yīng)用在汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，COP略低于R134a系統(tǒng)，但差值不超過7%，具有一定可行性。
自然工質(zhì)CO2（ODP=0，GWP=1）具有低溫制熱性能好、單位制冷量大等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是汽車空調(diào)新一代工質(zhì)的最佳選擇之一。德國奔馳在2017年率先推出了搭載CO2空調(diào)系統(tǒng)的汽車，豐田、奔馳等也已開始規(guī)模應(yīng)用；法雷奧研發(fā)的CO2熱泵系統(tǒng)在-15℃下可增加行駛里程15%，在-20℃下可增加行駛里程30%。王丹東等研發(fā)的CO2跨臨界車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)在-20℃全新風(fēng)環(huán)境下，出風(fēng)溫度可達(dá)40.4℃，COP達(dá)1.8，低溫制熱效果優(yōu)勢(shì)明顯。但CO工質(zhì)臨界溫度低（31℃），系統(tǒng)必須工作在跨臨界循環(huán)（壓力＞7.4MPa），運(yùn)行壓力比R134a汽車空調(diào)系統(tǒng)高出很多，現(xiàn)有部件無法滿足系統(tǒng)可靠性和安全性的要求。
綜上所述，目前主流的一些環(huán)保型工質(zhì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)仍處于研發(fā)和初步適配階段，系統(tǒng)效率和安全性有待提高；超臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有優(yōu)異的低溫制熱性能且結(jié)構(gòu)緊湊，隨著相關(guān)配套部件如CO2緊湊型微通道換熱器、電子膨脹閥、電動(dòng)壓縮機(jī)等的研究突破，克服其系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性等限制因素，有望迎來高速發(fā)展。
3高效電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)技術(shù)
電動(dòng)壓縮機(jī)是電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)最核心的部件之一，是降低其能耗的主要改善對(duì)象。電動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲低、體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)行平穩(wěn)及效率高等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)的主流，在已上市的搭載有熱泵空調(diào)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車中被大量應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問題，導(dǎo)致壓縮機(jī)低溫制熱能力衰減較大，無法滿足乘員艙需求和系統(tǒng)高效運(yùn)行。
1）傳統(tǒng)渦旋壓縮機(jī)為單級(jí)壓縮機(jī)，低溫工況時(shí)，其壓縮比增大，排氣溫度過高，排氣量降低，效率和性能系數(shù)迅速降低；單級(jí)壓縮的R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下（低于-5℃）制熱效果衰減嚴(yán)重，在-10℃時(shí)基本無法正常工作；補(bǔ)氣增焓的準(zhǔn)二級(jí)/二級(jí)壓縮熱泵（如圖1）是通過在壓縮機(jī)上增加中間補(bǔ)氣回路，增大工質(zhì)流量，能夠解決壓縮機(jī)排氣過高、制熱量不足、能效低等問題，是當(dāng)前的主要研究方向。唐景春等設(shè)計(jì)了R134a電動(dòng)汽車準(zhǔn)雙級(jí)壓縮熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在-7℃環(huán)境溫度時(shí)，相比單級(jí)渦旋壓縮機(jī)，系統(tǒng)的制熱量和制熱性能系數(shù)COP分別提高了8.3%和8.2%。蘇之勇等對(duì)中壓補(bǔ)氣壓縮的R407C純電動(dòng)客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在-20℃的低溫工況下，相對(duì)于不補(bǔ)氣系統(tǒng)，中壓補(bǔ)氣系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣溫度降低17.7℃，制熱量增加64%，系統(tǒng)COP提高51%。在已經(jīng)批量生產(chǎn)使用的廠家中，日本電裝生產(chǎn)的帶閃發(fā)器和噴氣増焓制冷回路的準(zhǔn)二級(jí)R134a熱泵空調(diào)，與非補(bǔ)氣增焓熱泵系統(tǒng)相比，環(huán)境溫度-10℃時(shí)制熱能力提高26%，與
PTC加熱相比，環(huán)境溫度-5℃時(shí)節(jié)能60%。國內(nèi)企業(yè)奧特佳研發(fā)的補(bǔ)氣增焓低溫?zé)岜孟到y(tǒng)，通過蒸汽噴射、補(bǔ)氣增焓換熱等技術(shù)，可以在-20℃環(huán)境溫度下提供4-5kW的制熱量，并保持2.0以上的系統(tǒng)運(yùn)行COP，實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境下的高效制熱。
帶有補(bǔ)氣增焓的壓縮機(jī)可以有效改善低溫環(huán)境下單級(jí)渦旋壓縮機(jī)排氣溫度過熱和制熱能力低下的問題，但不同的補(bǔ)氣形式、補(bǔ)氣孔、補(bǔ)氣壓力等對(duì)壓縮機(jī)效率有較大影響，目前是行業(yè)的研究熱點(diǎn)，后續(xù)還需匹配新型環(huán)保冷媒加以進(jìn)一步研究。
2）渦旋壓縮機(jī)由于其結(jié)構(gòu)特征，無法實(shí)現(xiàn)完全密封；壓縮機(jī)在吸氣、壓縮、排氣過程中，伴隨著工質(zhì)氣體壓力、溫度的變化，軸向和徑向間隙處易產(chǎn)生泄漏，嚴(yán)重影響系統(tǒng)效率。常用的密封方法及技術(shù)有油膜密封、密封條密封、背壓密封、迷宮密封技術(shù)等。
背壓密封技術(shù)是目前行業(yè)研究的熱點(diǎn)之一，它是在靜渦旋盤上開設(shè)背壓平衡孔，通過引入壓縮氣體產(chǎn)生的徑向、軸向壓力實(shí)現(xiàn)端蓋與靜渦旋盤、靜渦旋盤與動(dòng)渦旋盤等的間隙密封；但背壓力的控制是一個(gè)難題，特別是變轉(zhuǎn)速工況下背壓力的自適應(yīng)調(diào)控和軸向力的平衡問題還不能夠很好的解決，背壓力過大會(huì)導(dǎo)致動(dòng)、靜渦旋盤擠壓摩擦加劇，損耗增大，噪音增大、穩(wěn)定性降低；背壓力不足則會(huì)導(dǎo)致動(dòng)、靜渦旋盤分離，軸向間隙增大，工質(zhì)泄漏量增加，性能下降；GennamiH等提出在電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)的靜渦盤上設(shè)置泄油通道，通過調(diào)節(jié)潤(rùn)滑油流量，實(shí)現(xiàn)軸向氣體力的平衡；劉興旺等提出轉(zhuǎn)速分區(qū)循環(huán)供油模式，通過計(jì)算不同轉(zhuǎn)速下油路的背壓力，實(shí)現(xiàn)了在較大轉(zhuǎn)速工況范圍下，電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)背壓力的調(diào)節(jié)。
除此之外，渦旋型線設(shè)計(jì)及加工技術(shù)、油路設(shè)計(jì)等也是目前行業(yè)難點(diǎn)，對(duì)渦旋壓縮機(jī)在熱泵工況下運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和效率有很大影響。
4微通道換熱器及除霜技術(shù)
換熱器是熱泵系統(tǒng)與外界進(jìn)行換熱的主要部件，對(duì)系統(tǒng)制冷/制熱性能有著直接影響。與傳統(tǒng)的銅管翅片換熱器相比，微通道換熱器（如圖2，通道直徑在0.001mm~1mm）整機(jī)換熱效率提升30%，體積、重量、冷媒充注量減少50%。經(jīng)過不斷的發(fā)展，現(xiàn)如今已廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)領(lǐng)域。日本汽車空調(diào)制造商電裝、三電和我國制造商三花、盾安等都批量生產(chǎn)全鋁微通道換熱器。三花智控預(yù)測(cè)全球每年將有500億以上的換熱器市場(chǎng)規(guī)模，而目前微通道換熱器整體替代率僅有5%左右，市場(chǎng)空間極大。
但其用于熱泵空調(diào)系統(tǒng)中存在低環(huán)境溫度下外側(cè)微通道換熱器結(jié)霜嚴(yán)重的問題，極大的降低了系統(tǒng)性能。對(duì)此，行業(yè)開展系統(tǒng)性研究，目前主流的解決方案主要有兩種。一種是針對(duì)內(nèi)部?jī)上嗔鲃?dòng)換熱、換熱器表面溫度分布規(guī)律方向研究，從風(fēng)速、換熱器傾角、翅片、工質(zhì)分配、表面處理等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；Song等研究表明，換熱器傾角對(duì)換熱系數(shù)有較大影響，適當(dāng)?shù)膬A角有利于排水進(jìn)而減少結(jié)霜；巫江虹等發(fā)現(xiàn)當(dāng)微通道換熱器被用作蒸發(fā)器時(shí)，換熱器表面溫度分布不均對(duì)系統(tǒng)性能的影響權(quán)重達(dá)43.9％，合理的微通道換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以改善氣液兩相的分配均勻性，更利于系統(tǒng)性能的提升。劉鹿鳴等對(duì)微通道換熱器進(jìn)行了親水和疏水表面處理，結(jié)果表明經(jīng)過親水表面處理的換熱器換熱量比原換熱器性能提升4%~6%。另一種是對(duì)影響室外換熱器霜層生長(zhǎng)的機(jī)理、結(jié)霜速率、除霜方法等開展研究，采用高頻振動(dòng)除霜、相變蓄熱除霜、加熱除霜、熱氣旁通除霜等方法延緩、消除其表面結(jié)霜。但目前單一除霜方法均無法兼顧除霜速度、人員舒適性、除霜效果、高能效；行業(yè)內(nèi)一些學(xué)者也在研究熱氣旁通和逆循環(huán)、逆循環(huán)和PTC、電池電機(jī)余熱、蓄能材料等相結(jié)合的復(fù)合除霜方式，可以有效提升節(jié)能效果和舒適。
5結(jié)論與展望
電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)有著遠(yuǎn)高于PTC的制熱能效，國外車型搭載經(jīng)驗(yàn)已超過5年，國內(nèi)品牌也在不斷追趕并取得了一些成果；隨著汽車電動(dòng)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人們對(duì)車用熱泵空調(diào)的要求也在不斷提升。筆者認(rèn)為當(dāng)前和未來的工作重點(diǎn)應(yīng)主要集中在以下幾個(gè)方面:
1）熱泵空調(diào)向環(huán)保、全場(chǎng)景節(jié)能、極端環(huán)境適用性等方面發(fā)展；研發(fā)新型替代工質(zhì)、高效熱泵空調(diào)系統(tǒng)及其部件，如超臨界CO2熱泵空調(diào)、新型高效補(bǔ)氣壓縮機(jī)、高效微通道換熱器，解決制熱能耗大、能力不足等問題。研發(fā)適用于極端環(huán)境（極寒、極熱、高濕、高鹽）等地區(qū)的新型熱泵空調(diào)，提升整車的適用性。
2）熱泵空調(diào)系統(tǒng)向整車熱管理方向發(fā)展，滿足整車需求，負(fù)責(zé)電池系統(tǒng)、電機(jī)與功率器件等的熱管理，保證系統(tǒng)運(yùn)行在最佳溫度區(qū)間，提升系統(tǒng)節(jié)能效果和可靠性。
3）熱泵空調(diào)向智能化方向發(fā)展，對(duì)環(huán)境溫濕度、車內(nèi)溫濕度、出風(fēng)溫度、電池溫度、水溫、工質(zhì)溫度和壓力、車內(nèi)CO濃度、PM2.5等進(jìn)行監(jiān)控并自適應(yīng)調(diào)控電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能性和舒適性。
隨著更優(yōu)良的環(huán)保型工質(zhì)的應(yīng)用、壓縮機(jī)能效的提升、換熱器性能、空調(diào)管路、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，特別是超臨界CO熱泵技術(shù)的突破，將不斷提升電動(dòng)汽車的環(huán)境適用性、舒適性和智能化水平，未來電動(dòng)汽車用熱泵空調(diào)將迎來高速發(fā)展，成為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力。
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