新能源汽车热泵空调技术方案

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摘要：随着新能源汽车产业的日趋成熟以及国家政策对新能源汽车的鼓励，新能源汽车越来越受到人们的追捧。而空调作为驾乘舒适性的功能要求，也必然会有着越来越高的要求。而目前受限于电池技术的发展和续航里程的短板，使得节能高效成为新能源汽车用空调系统的首要考虑因素。

随着新能源汽车产业的日趋成熟以及国家政策的鼓励支持，新能源汽车越来越受到人们的追捧。空调作为驾乘舒适性的功能要求，也必然会有着越来越高的要求。在新能源汽车空调系统方面，目前受限于电池技术的发展和续航里程的短板，使得空调系统的节能高效成为首要考虑因素。

从空调技术的发展和工作效率来说，热泵型空调系统良好的工作性能将成为重要的发展趋势。本文针对目前新能源汽车空调行业痛点进行解构和分析，并将泰铂科技的热泵技术作为案例参考推介，针对新能源汽车空调降低能耗、提升性能提供经验与实例。

一、新能源汽车热管理典型技术方案

汽车热管理主要作用是为驾驶舱乘客提供适宜的温度环境，并使汽车各部件在适合的温度范围工作。广义的汽车热管理包括空调系统和对汽车上其它发热设备的管理，狭义的热管理仅指后者。

新能源汽车热管理系统比传统汽车更复杂。传统汽车热管理系统主要包括两部分：发动机冷却系统和汽车空调系统。新能源汽车不仅包括传统汽车空调系统（插电混合动力汽车还包括发动机冷却系统），而且新增电池、电机等冷却需求。

从热管理需求划分的话，新能源车热管理系统主要包括电池包环境、功率电子器件、电机散热、汽车空调等。其中最主要的是空调系统与电池热管理系统。

相对于传统燃油汽车更多注重发动机的热管理，新能源汽车热管理系统需要从系统集成和整体角度出发，统筹热量与动力总成及整车之间的关系，采用综合手段控制和优化热量传递的系统。

图表 1 新能源汽车与传统汽车热管理比较

传统燃油汽车的空调系统主要由两部分组成，制冷系统采用的是由发动机提供动力的蒸汽压缩式制冷，制热系统主要是通过将冷却液的热量引入到车内。纯电动汽车夏季制冷时，空调压缩机是由电动机来驱动的，然而冬季没有发动机余热，所以需要其他的方法来解决供暖问题。由于纯电动汽车与传统燃油汽车能量来源不同，纯电动汽车空调系统主要存在以下几种方案。

1）蒸汽压缩式制冷+PTC电加热供暖系统

夏季汽车制冷时，电动机带动空调压缩机运转，制冷原理与燃油车相同，同样能够达到制冷的目的。冬季取暖时，通过消耗蓄电池的电量来加热PTC，这种加热方式目前是电动汽车常用的一种方式。

PTC加热器分为两种，一种是通过加热液体采暖，一种是加热空气取暖。蒸汽压缩式制冷+PTC电加热供暖系统可靠性高，能够满足车内成员对温度调控的需要，但是热效率低，能源利用率低，成本高，研究表明搭载该系统的车辆续航行使里程大约会降低1/3左右。

2）利用余热供暖系统

纯电动汽车在工作过程中，利用变频器、电机、电池等元件产生的热量对车内进行加热。研究表明此种模式下产生的温度在50℃左右，普通制热情况下能够基本满足乘车需要，但在较低的温度下很难为车内提供足够的热量。因此这种方案只能作为辅助制热。

3）半导体式制冷声制热空调系统

半导体式制冷/制热空调系统利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应。该系统不需要任何制冷剂，没有污染源，没有震动、噪音，既能制冷又能制热，容易实现遥控、程控、计算机控制，制热时间快，可以实现从90-130℃温度范围内变化。目前存在着热电材料的优值系数较低，制冷性能不够理想，并且热电堆产量受到构成热电元件元素产量的限制，不具备电动汽车空调节能高效的要求。

4）热泵空调系统

热泵空调系统以电动机为动力驱动空调压缩机运转，利用制冷循环可逆转的特点，集制冷与制热为一体，具有结构紧凑、高效、环保等优点，成为了国内外专家在电动汽车空调系统方面研究的热点。

二、新能源汽车热泵空调主流技术方案

热泵是一种可以将低位热源的热能强制转移到高位热源的空调装置，类似可以将低处的水泵到高处的“水泵”。使用四通换向阀可以使热泵空调的蒸发器和冷凝器功能互相对换，改变热量转移方向，从而达到夏天制冷冬天制热的效果。

热泵的理论基础来源于热力学逆卡诺循环，热泵型空调系统的制冷和制暖，均采用专用的电动压缩机驱动制冷或制热循环，其中冬季采暖时不再像现有电动空调这样只采用PTC制热，而是使用电动压缩机驱动实现制热。

图表 2 热泵空调典型工作原理示意图

目前，电动汽车热泵空调的研究主要分为3种类型：1）基于现有制冷剂R134a的热泵系统；2）制冷剂CO2的热泵技术；3）太阳能热泵空调系统。根据换热器的数目，这些系统又可分为单换热器和双换热器两种；根据压缩机的不同，系统又分滑片压缩机和涡旋压缩机两种不同类型。

按制冷剂划分，热泵空调系统主要有R134a型和CO2型。虽然CO2具有良好的热物理性能，并且CO2使全球变暖的潜在能力（GWP）是R134a的千分之一，但由于目前各种汽车空调系统主要使用制冷剂R134a，零部件设计、生产及售后服务及维护，均依据R134a制冷剂物理性能设计，R134a型热泵空调系统成为当前研发的主流技术。

以R134a作为制冷剂，电动汽车热泵空调系统结构上通常有以下两种方案:

1、方案一：系统由电动空调压缩机、气液分离器、HVAC总成（包括车内冷凝器、蒸发器、蒸发风机、辅助加热PTC）、车外换热器以及多个电磁阀组成。总体上是在现有电动汽车普遍使用的电动空调基础上，使用电动压缩机，车外换热器为垂直“V"形翅片平行流换热器形式，在HVAC总成内部增加车内冷凝器和辅助加热PTC，在空调管路上增加多个电磁阀，通过控制多个电磁阀的开启和关闭，实现制冷剂流向控制。多个电磁阀的组合实现既可以切换冷媒流向，也可以膨胀冷媒的作用。

图表 3 热泵空调系统方案一工作原理

2、方案二：使用电动压缩机，通过四通换向阀改变制冷剂的流向，采用电子膨胀阀可实现制冷剂的双向流动，车外换热器使用垂直“V”形翅片平行流换热器，增加辅助加热。如下图所示。

图表 4 热泵空调系统方案二工作原理

方案二这种形式的热泵空调系统，制冷制热的原理与方案一类似，不同之处在于四通换向阀能够同时起到方案一的制冷TXV阀和热泵TXV阀的冷媒切换作用，电子膨胀阀同时起到制冷TCV和热泵TXV的膨胀冷媒作用。该系统的工作由专用的热泵控制器控制。

以上两种方案在所涉及的零部件存在着差异：

方案一所涉及零部件都较成熟可靠，实现制冷和采暖功能的难度较小。但系统零部件较多，为实现冷媒切换和膨胀功能，增加了电磁阀换向阀和电磁膨胀阀。为实现车内换热功能，在蒸发器的基础上增加了一个车内冷凝器。管路空间布置困难，空调主机需重新设计。因方案涉及到的阀体较多，管接头过多，制冷剂流阻较大，高效节能略显不足。控制精度方面，难以精确控制，总体上开发成本较高。

方案二系统架构简洁，涉及的零部件较少，核心是四通换向阀和电子膨胀阀。由于车内换热器同时起到车内冷凝器和蒸发器的作用，因此空调主机可直接借用，管路复杂程度较低。控制精度方面，国内电子膨胀阀和四通换向阀的成熟产品相对较少，主流的阀类零部件厂家正在攻关开发；需专用热泵空调控制器，可实现精确控制，这也是各主机企业在空调开发方面重点实施的工作。现阶段开发标定费用较多，系统成本与方案一相当，但随着产品的普及和量的提升，价格会有明显下降。目前，国内外各主机企业均采用该方案。

在现有行业背景下要实现热泵系统的大批量产业化，开发方案二所示的热泵空调系统是趋势。产业界需培育高速高效电动压缩机、车外和车内换热器、四通换向阀、电子膨胀阀等核心零部件，推动零部件尽快成熟可靠，主机企业在热泵系统集成方面要提升控制开发能力。

三、总结

热泵空调系统研究处于初级阶段，存在问题比较多。例如在制冷循环时会出现排气温度过高，压力过大，影响制冷效率；在给车室供暖时只是通过切换冷媒的流向来实现，制热效率不高，低温性能较差；针对纯电动汽车特点专门匹配和设计的热泵空调系统几乎空白，导致量产搭载的系统很少。

随着新能源汽车产业的日趋成熟以及国家政策对新能源汽车的鼓励，新能源汽车越来越受到人们的追捧。而空调作为驾乘舒适性的功能要求，也必然会有着越来越高的要求。而目前受限于电池技术的发展和续航里程的短板，使得节能高效成为新能源汽车用空调系统的首要考虑因素。

总体来看，虽然热泵空调系统存在的问题较多，但热泵空调系统具有能效比高、耗电量低、结构紧凑等优点，被众多企业所关注和研究。同时具备相关技术储备的热泵空调企业将在未来的市场竞争占据先机，国内企业具有较大的市场潜力及前景。

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