低温环境下纯电动汽车热泵空调系统制热性能研究

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摘要：节能环保的纯电动汽车已成为未来汽车发展的大趋势，但续航里程不足和难以提高是当前限制纯电动汽车发展的主要因素，空调系统作为纯电动车仅次于电动机的耗能系统，其能耗的降低将对续航里程的提升至关重要，且空调系统的性能也已成为现代汽车消费者的基本要求。本文以低温试验工况的特征介绍作为切入点，分析了不同空调系统的制热性能，并从余热回收、换热设计、系统布局等层面提出了提升电动汽车制热性能的措施，供参考。

关键词：低温环境;电动汽车;热泵制热

引言：在现阶段的纯电动汽车市场当中，汽车空调系统的类型较为多元并各具特色，通过对低温环境下电动汽车空调系统性能的试验和分析，能够使电动汽车空调系统设计得到进一步优化，有效兼顾纯电动汽车的乘员舱采暖需求以及续航性能，为积极满足纯电动汽车市场客户的需求提供坚实的技术支持与保障。

1.低温试验工况的基本特征介绍

我国北方地区冬季气温较为低下，严重影响了电动汽车的续航性能。据统计，严寒气候状态下会导致电动汽车的续航里程缩减至原先的50%左右。而为了确保车厢内部乘员的采暖需求，汽车空调系统同样也会导致电动汽车续航里程的衰减。一些电动汽车驾驶员不得不在低温严寒状态下严格控制空调系统的使用，采取其他方式进行保暖，阻碍了电动汽车市场的良性发展。因此，为进一步提升电动汽车空调系统制热性能，确保其满足市场消费者需求，电动汽车需要在进入市场之前进行低温工况的测试。作为我国重要的高寒环境车辆测试环境之一，中汽研呼伦贝尔汽车试验场位于内蒙古牙克石市，该地区冬季平均温度能够达到零下24.1℃，积雪期时间较长，适合进行电动汽车的低温路试。

2.不同空调系统制热性能对比

2.1 PTC空调系统制热性能

相较于传统燃油车而言，纯电动汽车能够利用的制热能量较为稀缺，如何确保车内乘员在低温环境下的驾乘感受已成为当前车辆设计与技术人员面临的关键性挑战。PTC正温度系数热敏电阻技术，指的是基于电阻丝/陶瓷通电产生的热量对车辆内部进行供热的一项技术，这一技术应用流程简洁，设计成本较低，设备结构较为简单，可靠性较为良好，已成为当前纯电动汽车最为常用的制热模式。

虽然PTC制热技术依照其在成本、适用性等方面的优势在入门级别车辆乃至于高端品牌车辆当中均具备广泛的应用价值，但受到其基本制热原理的影响，制热能效比较为低下（COP<1），据试验结果统计，低温环境下开启PTC系统进行制热，续航里程相较于正常行驶衰减30%左右。

2.2 热泵空调系统制热性能

热泵空调系统利用空调的“逆卡诺”循环，将外界环境空气中的热量搬运“泵”进纯电动汽车内。传统空调的制冷原理，是利用制冷剂的物态变化，由气态变液态会散发热量，而由液态变气态则会吸热的原理[1]。压缩机将低温低压气态制冷剂，提升为高温高压的气态制冷剂，经过冷凝器释放热量后变成高压液态制冷剂，再通过膨胀阀变成低压液态制冷剂，在蒸发器中吸收周围空气中的热量，变成低温低压气态制冷剂回到压缩机中。蒸发器吸热造成的局部空气的低温，通过鼓风机将冷风吹入乘座室内，这就是冷空调的原理[2]。所谓逆卡诺循环与传统空调的制冷原理相反，利用一个“四通电磁换向阀”改变空调制冷剂的流向，即可实现制冷循环或制热循环，使车内得到冷气或热气（如图1）。常见的热泵空调系统涵盖了直接式热泵以及间接式热泵两种类型，这种制热技术并不直接制造热量，而是通过阀体的控制将驾驶舱外的热量搬运至车厢内部，从而满足乘车成员的驾乘感受需求，这种技术类型制热能效比较高（COP一般在2～3）。

2.2.1 直接式热泵

直接式热泵指的是在制冷空调系统的基础上直接增加一个热量搬运回路，其结构较为简单，成本较为低廉，能耗较低。

2.2.2 间接式热泵

间接式热泵相较于直接式热泵增加了更多的回路和控制策略，既能够从车外环境中对热量进行搬运，还能够将电动汽车电驱、电池运行过程当中产生的废热进行存储，并通过热泵输送到车内，使车内的采暖需求得到保障，对低温环境的适应性更加良好，在不考虑复杂程度、技术难度和成本的前提下，间接式热泵的综合效果最好。

综上，由于目前热泵空调受限于R134a制冷剂特性，只能工作在零下10摄氏度以上的环境下，一旦外部环境低于零下15摄氏度即可能会出现制热失效等性能问题，而基于二氧化碳热泵的电动汽车能够适应零下30度的低温工况环境，其制热可靠性更加良好[3]。此外，相较于其他类型热泵空调系统来说，搭载二氧化碳热泵空调系统能够进一步提升车辆续航里程。例如一汽大众ID4即为全球首款搭载二氧化碳热泵空调的量产车型，相较于其他类型热泵空调车辆来说，大众ID4的续航里程提升了约30%，另外，与其他类型的热泵空调系统相比而言，基于二氧化碳热泵的电动汽车其工作时的污染排放更加清洁，耗电量控制更加完备，但其系统成本较高，对整个热泵系统的耐高压性能与系统强度也形成了更加显著的要求，尚待优化与解决[4]。

3.优化电动汽车热泵空调系统性能的措施

3.1 利用九通阀对四通阀进行替代

在电动汽车的热泵空调系统当中，多通阀是控制系统元件的一项关键节点，多通阀的数量越多，即意味着对整个热泵空调系统控制的有效性和精细度越强。采用数量更加丰富的多通阀，能够使热泵空调系统当中的制热性能以及能源管理系统得到更加精密地控制，确保热泵空调系统的制热性能目标得到有效达成。在现阶段大多数电动汽车的热泵空调系统当中，常见的系统多通阀数量多为四个或更少，这种控制模式不仅仅会制约整个热泵空调系统的运行性能，对不断强化系统的耗电量管理工作也形成了一定的制约和阻碍[5]。因此，技术人员在针对电动汽车热泵空调系统进行优化和调节的过程当中，首先应当针对其多通阀数量进行明确，采取合理手段对多通阀数量进行优化设计，采用VCU技术实现制热功率的无极调节，能够使车厢内部的温控效果更加显著，有效减少了热量的散失与浪费现象。例如在山海平台发布的新能源轿跑哪吒S当中，即采用了九通阀的控制模式实现了对传统热泵空调系统当中三通阀、四通阀等控制模式的全面改良，使热泵空调系统当中涵盖的风扇、水泵、电池等精细元件均得到更加细致准确地控制，充分优化车厢内部的热管理精细度，进一步提升了热泵空调制热性能。

3.2 关注余热回收再利用技术

在电动汽车的日常运行过程当中，无论是电池、电机还是变频元件都会产生一定程度上的热量散失，在传统的电动汽车热泵空调系统设计过程当中，受到技术、思路等客观因素的影响和限制，导致对车辆运行余热的利用程度较为有限，一方面阻碍了电动汽车车厢内部的空调制热效果，另一方面也不利于对车辆电能的有效节约[6]。相关技术人员应当认识到车辆运行余热的重要价值，关注电动汽车余热回收再利用技术，采用电池总成散热与电池低温预热相结合的温控方式，使电池能够在一定压力下获取到更加良好的散热与预热性能效果，进一步提升车厢内部的余热利用效能，减少制热设备对电池电量的消耗，从而在确保电动汽车的热泵空调系统制热效果的前提下，实现能耗管控目标的进一步落实。

3.3 全面优化换热器设计

热泵空调系统在电动汽车辅助子系统当中的能耗比重最大，对汽车的续航里程具有关键性的影响作用。为了充分改善热泵空调系统的能耗情况，需要针对电动汽车的换热器性能进行设计和优化。在传统的电动汽车热泵空调系统当中，管道结构设计较为僵化，不仅制热性能较为有限，同时也不利于对低温环境下霜冻情况的规避与控制。因此，技术人员可基于当前热泵空调系统换热器性能存在的主要问题，针对管道结构以及百叶窗翅片进行优化设计，使其开窗角度以及制冷剂流动方向得到有效改进，使换热器能够有效满足低温条件下电动汽车热泵空调系统的性能要求，进而对低温条件下形成的霜冻问题进行全面化解，使热泵性能得到全面提升，同时也使电动汽车行驶安全得到了有效保障[7]。

3.4 改善原有热泵系统布局

3.4.1 热泵管路布局设计

在电动汽车热泵空调系统的运行过程当中，系统管路扮演着极为关键的角色，制热过程当中，需要通过管路引入外界空气蒸发冷媒，并对其进行加压放热，进而实现汽车车厢内部温度的有效提升。因此，在基于热泵空调系统进行管路布局设计时，相关技术人员应当将管路以及系统膨胀阀与空调箱内部蒸发器、外部换热器以及气液分离器相连接，并为气液分离器周边留出一定空间，使其安装与维护更加便捷，确保管路走向与车辆前围板、车辆塔包以及车辆纵梁相贴合，避免管路布局给热泵空调性能带来负面影响（如图2）。

3.4.2 管路接口与阀门设计

为尽可能确保电动汽车热泵空调系统制热性能达到预期目标与预期要求，进而减少对电动汽车电池的依赖，相关技术人员还应当针对其管路接口以及管路阀门进行优化设计，确保管路可靠性，相邻管路插件需要做好防错处理[8]。经过调节后，管路当中涵盖了双重电磁阀、低压加注口以及低压传感器接口，使中枢控制系统能够结合管路当前运行状况调节运行策略，确保管路设计与性能目标相符合。

总结：目前在电池能量密度和充电能力没有突破的情况下，选择更先进技术、能耗更低的热泵空调系统反而是增强用户使用体验更好的选择，针对纯电动汽车热泵系统的主要技术类型进行分析和测试，验证低温状态下热泵空调的性能指标，并采取合理手段进行优化，使纯电动汽车在低温状态下的驾乘体验和续航能力得到质的飞跃。对纯电动汽车低温制热性能的不断提升优化，进一步提高纯电动汽车的低温续航里程是每一位从事车辆设计人员的重要挑战，任重而道远。

参考文献：

[1]赵培生，莫伟标，李泽艺等. 某纯电动汽车空调采暖性能试验研究[J]. 汽车工业研究，2022，（01）：48-51.

[2]刘业凤，王君如，钟文轩. 纯电动车用CO_2空调整车热管理系统仿真研究[J]. 农业装备与车辆工程，2022，60（01）：29-33.

[3]张海，张宸瑜，郭木生. 电动汽车空调制热系统设计及研究[J]. 湖南大学学报（自然科学版），2021，48（12）：36-43.

[4]汪贵行，汪宇轩. 纯电动汽车“热泵”原理及应用[J]. 汽车维修与保养，2022，（01）：42-44.

[5]蒋亚东. 电动汽车热泵空调系统现状及发展趋势[J]. 制冷，2021，40（03）：40-44.

[6]魏秋兰，王红，刘涛. 新能源汽车热泵空调技术研究与应用[J]. 汽车实用技术，2021，46（13）：13-15+22.

[7]李万勇，刘雨声，施骏业，陈江平，郭贞军，王大健. 电动汽车热泵空调系统低温制热性能及优化[J]. 制冷学报，2020，41（06）：31-39.

[8]田钧. 纯电动汽车热泵空调系统优化[J]. 制冷与空调，2020，20（11）：9-12+17.