1、電動(dòng)車空調(diào)系統(tǒng)制熱
目前電動(dòng)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(dòng)力電池的電量，在 PTC 工作時(shí)對(duì)電動(dòng)汽車的續(xù)航行駛里程影響較大。如市場(chǎng)上某型號(hào)純電動(dòng)轎車，配備動(dòng)力電池容量為 80Ah，電壓 320V，整車?yán)m(xù)航里程標(biāo)稱200-260km，PTC 功率為 2kW。則開啟 1 小時(shí) PTC 需要消耗 約 8-10%左右的動(dòng)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(shù)，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(duì)續(xù)航里程的影響。實(shí)驗(yàn)證明，環(huán)境溫度為-10℃時(shí)，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(shí)，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(dòng)車熱泵空調(diào)系統(tǒng)
根據(jù)電動(dòng)車的特點(diǎn)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(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]介紹了一套由永磁直流無刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)較好地解決了電動(dòng)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(dāng)空調(diào)系統(tǒng)需要運(yùn)行在制冷模式時(shí)，通過四通換向閥的動(dòng)作，使得從壓縮機(jī)出口流出的制冷劑按照?qǐng)D中實(shí)線指示的方向運(yùn)行，通過鼓風(fēng)機(jī)將冷 風(fēng)吹入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)制冷。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)需要運(yùn)行在制熱模式時(shí)，同樣通過四通換向閥的動(dòng)作，使得從壓縮機(jī)出口流出 的制冷劑按照?qǐng)D中虛線指示的方向運(yùn)行，實(shí)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(gòu)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(dòng)的膨脹閥。但當(dāng)該系統(tǒng)工作在制熱工況下，系統(tǒng)從除霜模式轉(zhuǎn)換為制熱模式時(shí)，風(fēng)道內(nèi)換熱器上 的冷凝水將迅速蒸發(fā)，在車輛的前擋風(fēng)玻璃上結(jié)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(dòng)車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在風(fēng)道中使用了 2 個(gè)換熱器。制 冷、制熱模式保持不變，當(dāng)系統(tǒng)以除霜/除濕模式運(yùn)行時(shí)，制 冷劑將經(jīng)過所有 3 個(gè)換熱器，運(yùn)行路線為：壓縮機(jī)-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(guān)閉）-蒸發(fā)器-氣液分離器-壓縮機(jī)。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(fēng)機(jī)送入室內(nèi)。從而既解決了安全性的問題，且在融霜時(shí)還能同時(shí)控制出風(fēng)口空氣的溫度，系統(tǒng)如圖2 所示。
該系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)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(duì) 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(fēng)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(dòng)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(fēng)道內(nèi)設(shè)置了 2 個(gè)換熱器。不過與 R134a 制 冷劑系統(tǒng)不同的是，在制冷模式時(shí)，制冷劑也同時(shí)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(duì)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(duì)以 R134a 為制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。將普通的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改制，使得原單向運(yùn)行的系統(tǒng)可以雙向運(yùn)行，成為簡單的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)如圖 3 所示。測(cè)試結(jié)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(dāng)環(huán)境溫度繼續(xù)降低時(shí)，熱泵系統(tǒng)的制熱效率下降明顯。
歐陽光以 R407c 為制冷劑，對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了研究[7]。該系統(tǒng)直接采用了四通閥實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的雙向運(yùn)行。其研究結(jié)果表明，系統(tǒng) COP 隨環(huán)境溫度降低而降低，當(dāng)環(huán)境溫度很 低時(shí)，COP 將小于 1，如圖 4 所示。
Tamura 設(shè)計(jì)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(shí)，可以利用除濕過程中的余熱，系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)如圖 5 所示。測(cè)試結(jié)果表明，制熱模式下的 COP 可以達(dá)到以 R134a 為制冷劑的 1.31 倍，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shí)歐盟發(fā)布規(guī)定：2011 年 1 月 1 日起，所有新批準(zhǔn)型號(hào)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。
3、結(jié)論
隨著電動(dòng)汽車的日益發(fā)展以及國家政策對(duì)新能源汽車的鼓勵(lì)，電動(dòng)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(huì)有著越來越高的要求。綜合上述 情況，從空調(diào)技術(shù)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(shì)。但不論哪種空調(diào)系統(tǒng)， 工作時(shí)均使用的是動(dòng)力電池電量，而目前受限于電池技術(shù)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(gè)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(jī)，降低能耗比；
（3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮不同工況下的工作情況，使得系統(tǒng) 運(yùn)行達(dá)到最高效率；
（4）開發(fā)控制更精準(zhǔn)節(jié)能的硅電子膨脹閥。
聯(lián)系客服
