隨著國家能源政策的調(diào)整以及“雙碳目標(biāo)”的提出,汽車行業(yè)正面臨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整。新能源汽車以其低碳環(huán)保的特點正在走入人們的生活并逐步替代傳統(tǒng)燃油汽車。新能源汽車的發(fā)展對中國汽車行業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。續(xù)航里程是新能源汽車面臨的重大挑戰(zhàn),新能源汽車制熱方式的選擇直接影響新能源汽車冬季續(xù)航里程。本文主要對新能源汽車包括純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車冬季制熱原理進行分析。

關(guān)鍵詞：汽車空調(diào)、新能源汽車、制熱;熱泵

作者：史德福1,胡嵐1,吳健1,趙春晨2

1.天津市公用技師學(xué)院,天津

2.天津市制冷學(xué)會,天津

隨著中國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整與“雙碳目標(biāo)”的實現(xiàn),國家出臺一系列相關(guān)政策大力扶植新能源汽車的發(fā)展。在《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》中指出到2025年,新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,截至2021年底,全國新能源汽車保有量已達784 萬 輛, 占汽車總量的2.6%。2021年底,新能源汽車新增 占新增汽車總量的11.25%。我國已經(jīng)成為新能源汽車產(chǎn)銷量第一的國家。未來幾年,隨著國家不斷推動新能源汽車的發(fā)展,新能源汽車占比還將會持續(xù)增長。汽車空調(diào)作為現(xiàn)代汽車不可缺少的組成部分,滿足人們對駕乘環(huán)境舒適度的要求[1] 。新能源汽車主要包括純電動汽車(BEV)、混合動力電動汽車(HEV)和燃料電池電動汽車(FCEV)[2] 。新能源汽車制熱方式的選擇，直接影響新能源汽車的冬季續(xù)航里程。本文對不同類型的新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)冬季供熱進行分析。

01純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)

純電動汽車驅(qū)動能量完全由電能提供。純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油汽車空調(diào)制熱方式不同,純電動汽車沒有發(fā)動機作為空調(diào)壓縮機的動力源,不能利用發(fā)動機余熱作為汽車空調(diào)冬季制熱熱源[3] 。純電動汽車制熱模式主要有 PTC、熱泵等模式。

PTC

PTCPTC熱敏電阻通常是用半導(dǎo)體材料制成,按材質(zhì)的不同可以分為陶瓷 PTC熱敏電阻和有機高分子PTC 熱敏電阻。PTC熱敏電阻阻值能夠隨環(huán)境溫度高低變換而變化,具有節(jié)能、恒溫、安全和使用壽命長等特點。新能源汽車中PTC加熱式暖風(fēng)系統(tǒng)主要有PTC 空氣加熱器和PTC水暖加熱器兩種形式。

PTC空氣加熱器

Model-X、榮威E50、歐拉黑貓等采用高壓PTC加熱器直接加熱空氣的方式。PTC空氣加熱器利用PTC恒溫特性,當(dāng)系統(tǒng)運行時,車載電池組與 PTC加熱器接通,利用電池組電能加熱PTC加熱器來直接加熱冷空氣。如圖1所示,當(dāng)開關(guān)接通時,車載電池組為PTC加熱器供電,PTC加熱器溫度升高,鼓風(fēng)機將氣流吹過PTC加熱器,將熱量送入車廂,為車廂供暖。PTC 空氣加熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、加熱溫度高,但具有一定的安全隱患。

PTC水暖加熱器

廣汽埃安系列、哪吒 U、歐拉白貓、歐拉好貓等采用的是 PTC 間接加熱空氣的方式。PTC水暖加熱 器 利用PTC加熱器先加熱冷卻液,由冷卻液泵將冷卻液泵送到車內(nèi)散熱器,用冷卻液熱量來加熱空氣。如圖2所示,冷卻液由PTC加熱器加熱,流經(jīng)車內(nèi)換熱器,鼓風(fēng)機將氣流吹過車內(nèi)換熱器,將熱量釋放車內(nèi)對車內(nèi)供暖。PTC 水暖加熱器能夠避免將大電流和高電壓引入車內(nèi),具有便于控制和安全性高等特點,但系統(tǒng)相對復(fù)雜,成本較 PTC空氣加熱器高。

熱泵

熱泵空調(diào)系統(tǒng)供暖時制冷劑流動方向與制冷時相反,冷凝器與蒸發(fā)器功能互換,熱量從車外搬運到車內(nèi),完成車廂內(nèi)供暖。家用新能源轎車熱泵系統(tǒng)一般采用三換熱器模式。三換熱器熱泵供暖系統(tǒng)在車內(nèi)設(shè)置兩個換熱器。如圖3所示,系統(tǒng)中不設(shè)置四通換向閥,通過閥門的切換來實現(xiàn)制熱與制冷功能的切換。制熱工作時,電 磁 閥 1 關(guān)閉,電磁閥2開啟,壓縮機壓縮的高溫高壓制冷劑蒸氣經(jīng)過車內(nèi)換熱器2向車內(nèi)釋放熱量,節(jié)流后經(jīng)過車外換熱器吸收車外熱量后再回到壓縮機,完成供熱循環(huán)。

當(dāng)環(huán)境溫度低于-10℃時,熱泵制熱量會出現(xiàn)嚴重的衰減，為了克服熱泵空調(diào)在低溫環(huán)境效率低的問題，純電動汽車采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)和PTC共同制熱的方式。當(dāng)剛起動或者環(huán)境溫度較低時，通過PTC加熱器或PTC加熱器輔助熱泵空調(diào)系統(tǒng)供熱，當(dāng)工作一段時間后，再通過熱泵制熱系統(tǒng)供熱。

寶馬i3采用熱泵聯(lián)合 PTC模式供暖。如圖4所示，共熱時間1 3關(guān)閉,閥2 4打開,制冷劑被白動壓縮機壓縮為高溫高壓氣體到達熱交換器，將熱量釋放給冷卻液。升溫后的冷卻液口被 PTC加熱器進一步加熱，流經(jīng)暖風(fēng)換熱器,鼓風(fēng)機將氣流吹過暖風(fēng)換熱器形成熱風(fēng)，對車人供暖。降溫后的冷卻液經(jīng)電動冷卻液泵流口熱交換器。經(jīng)熱交換器放熱后的制冷劑經(jīng)熱力膨脹閥1降溫調(diào)壓后流入車內(nèi)換熱器,通過控制熱力膨脹閥2,使車內(nèi)換熱器的壓力提高,鼓風(fēng)機將氣流吹過換熱器,車內(nèi)換熱器繼續(xù)放熱對車內(nèi)供暖。放熱后的制冷劑通過執(zhí)力膨脹淺2節(jié)流隆壓,低溫低床的制冷劑通過車外換熱器吸收環(huán)境熱量,再回到電動壓縮機,完成供暖循環(huán)。

二氧化碳熱泵

大眾ID4系列與ID.6系列采用二氧化碳熱泵系統(tǒng)供暖。二氧化碳制冷劑的 GWP 值極低，日具有優(yōu)秀的制冷、制熱能力[4]，適合在沒有足夠熱源的純電動汽車供熱。如圖5所示,二氧化碳熱泵供熱系統(tǒng)工作時，電磁閥1、2、4 關(guān)閉,電磁閥 3、5 開啟。制冷劑被電動壓縮機壓縮為高溫高壓氣體到達熱交換器，將熱量釋放給車內(nèi)空氣，經(jīng)熱力膨脹閥1降溫調(diào)壓后流入車內(nèi)換熱器2.使車內(nèi)換熱器2的床力提高.鼓風(fēng)機將氣流吹過換熱器2.車內(nèi)換熱器2繼續(xù)放熱對車內(nèi)供暖。放熱后的制冷劑通過熱力膨脹閥2節(jié)流降壓,低溫低壓的制冷劑通過車外換熱器吸收環(huán)境熱量,再回到電動壓縮機,完成供暖循環(huán)。

02混合動力電動汽車空調(diào)系統(tǒng)

比亞迪秦DM-i是一種典型的混合動力電動汽車，相對于純電動汽車,混合動力電動汽車具有兩種動力來源,即可消耗的燃料和可再充電能的儲存裝置。混合動力電動汽車的發(fā)動機在很多駕駛條件下所產(chǎn)生的熱量非常低,無法將冷卻液回路加熱至必要的溫度,所以混合動力電動汽車配備了電加熱裝置,如圖6所示，將電加熱裝置與傳統(tǒng)汽車空調(diào)車內(nèi)換熱器品聯(lián) 通過自加熱裝置加熱后的冷卻液進人車內(nèi)換熱器。

當(dāng)冷卻液溫度較低時,接線盒電子裝置控制電動轉(zhuǎn)換閥關(guān)閉阻止發(fā)動機冷卻液流入。電動冷卻液泵將冷卻液泵人電加熱裝置中進行加熱，雙水閥按需求將冷卻液輸送到暖風(fēng)熱交換器中,由鼓風(fēng)機吹出熱風(fēng),使車內(nèi)溫度升高。

當(dāng)冷卻液溫度較高時，電動轉(zhuǎn)換閥打開,被發(fā)動機加熱的冷卻液流經(jīng)電動轉(zhuǎn)換閥、電加熱裝置(不工作)、雙水閥,到達車內(nèi)換熱器。冷卻液將一部分熱量排向流經(jīng)車外換熱器的空氣后,重新流回發(fā)動機冷卻液循環(huán)中。

03燃料電池電動汽車空調(diào)系統(tǒng)

豐田 Mirai是一款燃料電池電動汽車,燃料電池電動汽車以燃料電池系統(tǒng)或燃料電池系統(tǒng)與可充電儲能系統(tǒng)作為動力源。燃料電池電動車因余熱排放量大,冬季供暖采用直接利用電池散出的熱量[5] 。如圖7所示,當(dāng)冬季汽車工作時,冷卻水泵開啟,80℃的冷卻水經(jīng)過燃料電池散熱器對燃料電池進行冷卻,降 低 到 合 適 溫 度。打開截止閥,部分熱水通過車內(nèi)散熱器對車內(nèi)進行供暖,由供暖水泵將供暖部分的水加壓輸送到主管路,與三通閥出口的回流冷卻液一起繼續(xù)對燃料電池進行冷卻。當(dāng)不需要供暖時,關(guān)閉截止閥即可斷開供暖循環(huán)。供暖溫度的高低可通過三通閥的開啟度進行調(diào)節(jié)。豐田Mirai在此基礎(chǔ)上開發(fā)了電堆余熱利用技術(shù),當(dāng)汽車起步或行駛早期階段,使用電加熱器進行溫度調(diào)節(jié),當(dāng)燃料電池水溫高于某個水平是,空調(diào)熱回路和燃料電池冷卻回路連接,減少電加熱器的功耗,當(dāng)高速行駛時,僅用燃料電池冷卻回路,無需電加熱器介入。

04新能源汽車空調(diào)供熱分析與展望

如表1所示,新能源汽車不同供熱模式各有優(yōu)缺點。相對于傳統(tǒng)燃油汽車供暖采用發(fā)動機余熱供暖,新能源汽車供暖主要采用 PTC加熱或者熱泵加熱等方式;新能源汽車供暖系統(tǒng)在控制上更復(fù)雜,不僅要滿足乘員艙的溫度要求,還要滿足整車的熱管理。因此,為了保障新能源車冬季可靠、高效的供暖要從以下幾個方面著手:首先,新能源汽車冬季通過PTC加熱雖然能滿足汽車的冬季供暖,但是會影響汽車的續(xù)航里程。將新能源汽車尤其是純電動汽車 PTC加熱方式替換成更高效的熱泵空調(diào)系統(tǒng)來保障新能源汽車的續(xù)航里程。其次,研發(fā)適合新能源汽車的熱泵空調(diào)系統(tǒng),借鑒房間空調(diào)器成熟技術(shù),如雙級壓縮和補氣增焓、二氧化碳熱泵等技術(shù),來提高低溫環(huán)境下熱泵的運行可靠性和供熱能力。

再次,通過計算機控制技術(shù),將汽車整個熱管理系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào),合理分配熱量,更精確的控制電池、電動機、電控系統(tǒng)及成員艙的溫度分配,在滿足汽車高效運行、滿足人們舒適要求前提下,提高新能源汽車供熱經(jīng)濟性和高效性。

最后,新能源汽車空調(diào)相較于傳統(tǒng)汽車空調(diào)是一個新的課題,空調(diào)熱管理系統(tǒng)還在不斷發(fā)展,市場還未達到飽和,因此,企業(yè)要重視新技術(shù)的研發(fā)以及人才培養(yǎng),通過大膽創(chuàng)新來提高新能源汽車供暖新的突破。

05總結(jié)

隨著新能源汽車時代的到來,新能源汽車正在逐步替代傳統(tǒng)燃油汽車。與傳統(tǒng)燃油汽車供暖不同，新能源汽車冬季供暖即要滿足車內(nèi)人員的溫度需求又要滿足電池、電動機和電控系統(tǒng)的熱管理需求。新能源汽車冬季制熱有多種方式，我們應(yīng)該根據(jù)新能源汽車的自身特點，選擇適合新能源汽車的供暖方式。通過加快新能源汽車熱管理系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā),不斷提高空調(diào)智能化、精細化的發(fā)展結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，汽車空調(diào)將會越來越節(jié)能、高效、綠色、環(huán)保和安全。

【參考文獻】

[1]張蕾.汽車空調(diào)(第3版)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2020.1.

[2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T19596—2017電動汽車術(shù)語[S].北京:中國標(biāo)準出版社2017.9

[3]魏秋蘭,王紅,劉濤.新能源汽車熱泵空調(diào)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].汽車實用技術(shù),2021,46(13):13-15+22.

[4]凌永成.汽車空調(diào)技術(shù)(第2版)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2020.6.

[5]徐繼勇.新能源汽車空調(diào)檢測與維修[M].北京:中國勞動社會保障出版社,2020.11.