1、電動車空調(diào)系統(tǒng)制熱

目前電動汽車的制熱方式較常見的是采用 PTC 加熱的方式，但由于 PTC 制熱效率低，制熱效率最高僅為 1:1，且PTC 使用的是動力電池的電量，在 PTC 工作時對電動汽車的續(xù)航行駛里程影響較大。如市場上某型號純電動轎車，配備動力電池容量為 80Ah，電壓 320V，整車續(xù)航里程標稱200-260km，PTC 功率為 2kW。則開啟 1 小時 PTC 需要消耗 約 8-10%左右的動力電池容量，直接影響續(xù)航里程減少 20km左右。而熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種新的車輛空調(diào)技術，它為車輛 制冷和制熱，用 1 千瓦的電力即可產(chǎn)生 3 千瓦的制冷功率或 2 千瓦的制熱功率，而不再是之前介紹 PTC 的 1:1 消耗，大 大減少了以往空調(diào)系統(tǒng)對續(xù)航里程的影響。實驗證明，環(huán)境溫度為-10℃時，以 R134a 為制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)有較好的制熱性能，而環(huán)境溫度為-20℃時，采用 CO2為制冷劑的熱泵 空調(diào)系統(tǒng)仍然能穩(wěn)定地提供所需熱量[1]。

2、電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

根據(jù)電動車的特點以及制熱功能的需求，許多汽車空調(diào)生產(chǎn)廠家和一些科研單位展開了研究。文獻[2]和文獻[3]介紹了一套由永磁直流無刷電機直接驅動的電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)較好地解決了電動車的制熱問題，其工作模型如 圖 1 所示。

該空調(diào)系統(tǒng)工作原理具體如下：當空調(diào)系統(tǒng)需要運行在制冷模式時，通過四通換向閥的動作，使得從壓縮機出口流出的制冷劑按照圖中實線指示的方向運行，通過鼓風機將冷 風吹入室內(nèi)，實現(xiàn)車內(nèi)制冷。當空調(diào)系統(tǒng)需要運行在制熱模式時，同樣通過四通換向閥的動作，使得從壓縮機出口流出 的制冷劑按照圖中虛線指示的方向運行，實現(xiàn)車內(nèi)制熱。

可以看出，該熱泵空調(diào)系統(tǒng)與普通空調(diào)系統(tǒng)整體架構不 同，其區(qū)別在于，增加了可改變制冷劑流向的四通換向閥， 且采用了允許雙向流動的膨脹閥。但當該系統(tǒng)工作在制熱工況下，系統(tǒng)從除霜模式轉換為制熱模式時，風道內(nèi)換熱器上 的冷凝水將迅速蒸發(fā)，在車輛的前擋風玻璃上結霜，從而影 響駕駛安全性。

日本電裝（DENSO）公司開發(fā)出的一套以 R134a 為制冷 劑的電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在風道中使用了 2 個換熱器。制 冷、制熱模式保持不變，當系統(tǒng)以除霜/除濕模式運行時，制 冷劑將經(jīng)過所有 3 個換熱器，運行路線為：壓縮機-四通閥- 內(nèi)部冷凝器-電子膨脹閥 1-外部冷凝器-電子膨脹閥 2（電磁閥關閉）-蒸發(fā)器-氣液分離器-壓縮機。系統(tǒng)通過內(nèi)部蒸發(fā)器來 除濕，將空氣冷卻到除霜所需要的溫度，再通過內(nèi)部冷凝器 加熱，然后通過鼓風機送入室內(nèi)。從而既解決了安全性的問題，且在融霜時還能同時控制出風口空氣的溫度，系統(tǒng)如圖2 所示。

該系統(tǒng)的試驗結果如表 1 所示，環(huán)境溫度在-10℃到 40℃的范圍內(nèi)，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下，以最大能耗 1kw 能完成對 車室的制冷和制熱[4]。不僅能在制冷和制熱模式下滿足舒適性，也能通過使用電子膨脹閥來控制出風溫度，也能以較小的能耗在很大的濕度范圍內(nèi)完成除濕操作。

另外，由于 CO2有著良好的熱物理性能，日本電裝公司也為電動車開發(fā)了一套 CO2 作為制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)[5]。同樣，系統(tǒng)也在風道內(nèi)設置了 2 個換熱器。不過與 R134a 制 冷劑系統(tǒng)不同的是，在制冷模式時，制冷劑也同時流經(jīng)內(nèi)部 冷凝器和外部冷凝器。

3、采用不同制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)的比較

對于熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能，不同的制冷劑有著不同的表現(xiàn)。M.Hosoz 和 M.Direk[6]對以 R134a 為制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)進行了研究。將普通的空調(diào)系統(tǒng)進行改制，使得原單向運行的系統(tǒng)可以雙向運行，成為簡單的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)結 構如圖 3 所示。測試結果表明，該系統(tǒng)在環(huán)境溫度不是很低 的情況下能夠提供足夠的制熱量，而當環(huán)境溫度繼續(xù)降低時，熱泵系統(tǒng)的制熱效率下降明顯。

歐陽光以 R407c 為制冷劑，對熱泵空調(diào)系統(tǒng)進行了研究[7]。該系統(tǒng)直接采用了四通閥實現(xiàn)系統(tǒng)的雙向運行。其研究結果表明，系統(tǒng) COP 隨環(huán)境溫度降低而降低，當環(huán)境溫度很 低時，COP 將小于 1，如圖 4 所示。

Tamura 設計了一種以 CO2為制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)[8]， 該系統(tǒng)在制熱模式時，可以利用除濕過程中的余熱，系統(tǒng)結 構如圖 5 所示。測試結果表明，制熱模式下的 COP 可以達到以 R134a 為制冷劑的 1.31 倍，系統(tǒng)結構如下圖所示。所以， 使用CO2作為制冷劑是提高低溫環(huán)境下熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱能 力不足的方法。而且，在 2006 年時歐盟發(fā)布規(guī)定：2011 年 1 月 1 日起，所有新批準型號的汽車熱放空調(diào)系統(tǒng)將禁止使用 含 GWP＞150 的氟化氣體制冷劑，從 2017 年 1 月 1 日起， 所有新出廠車輛的空調(diào)系統(tǒng)將禁止使用含 GWP 大于 150 的 氟化氣體制冷劑。而 R134a 和 R407c 的 GWP 值分別為 1300、1500，所以這兩種制冷劑不久將被取代。

4、結論

隨著電動汽車的日益發(fā)展以及國家政策對新能源汽車的鼓勵，電動汽車越來越受到人們的追捧。而空調(diào)作為駕乘舒 適性的功能要求，也必然會有著越來越高的要求。綜合上述 情況，從空調(diào)技術的發(fā)展和工作效率來說，熱泵型空調(diào)系統(tǒng) 良好的工作性能必然作為發(fā)展趨勢。但不論哪種空調(diào)系統(tǒng)， 工作時均使用的是動力電池電量，而目前受限于電池技術的 發(fā)展和續(xù)航里程的短板，使得空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能高效成為首要考慮因素。因此，就目前情況而言，可以從以下幾個方向考慮：

（1）注意改善車輛自身的密封以及隔熱性能，使得外部環(huán)境因素的影響降到最小； 

（2）開發(fā)更高效的渦旋式壓縮機，降低能耗比； 

（3）系統(tǒng)設計時考慮不同工況下的工作情況，使得系統(tǒng) 運行達到最高效率； 

（4）開發(fā)控制更精準節(jié)能的硅電子膨脹閥。