浅谈热泵空调在汽车中的应用与发展

1曾子聪 2.冯辛安

1.东风柳州汽车工业有限公司 广西柳州545000；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州545000

摘要：随着汽车行业不断发展的今天，汽车行业的逐步由传统燃油驱动发展为新能源驱动。其中，汽车空调系统作为汽车乘驾舒适性的重要主要部分，其制冷与制热都需使用整车动力电池供电，使其实际续航里程受到严重影响。本文简单介绍热泵空调系统在新能源汽车上的应用，浅谈热泵空调系统未来发展趋势。

关键词：热泵空调；新能源汽车；发展趋势。

随着国家“十四五“规划指示，新能源汽车作为新兴战略性产业中重要组成部分。2020年中国汽车产销2522.5万辆和2531.1万辆，其中新能源汽车产销136.6万辆和136.7万辆。新能源汽车造车新势力的崛起与特斯拉独资落地上海生产制造，将助力新能源汽车进一步发展。本文主要研究热泵空调系统的在汽车中的应用与发展的。

1传统汽车空调系统现状

传统汽车空调制冷系统主要由：蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀构成，压缩机通过发动机皮带驱动将制冷剂压缩为高温高压气体进入冷凝器。冷凝器将高温高压制冷剂气体冷凝为中温高压制冷剂液体，其液体经过膨胀阀节流效应逐步蒸发为低温低压制冷剂气体。蒸发器内部制冷剂气体蒸发吸热使供给驾驶室低温空气制冷。

传统汽车制热系统主要利用发动机冷却后的高温冷却液进行制热。其高温冷却液经过空调箱体中换热芯体与驾驶室空气进行热交换供给驾驶室高温空气制热。

2新能源汽车空调系统现状

现市场上新能源汽车根据动力提供形式主要分为新能源混动汽车、氢能源燃料汽车、纯电动汽车。其中以发动机动力为主的新能源汽车空调系统与传统汽车空调系统相同，均是采用发动机皮带驱动压缩机制冷和发动机冷却后高温冷却液进行制热。由于氢能源燃料汽车与纯电动汽车间接或直接以电力作为整车行驶的动力来源，因此主要使用电动空调压缩机进行制冷，PTC加热器进行采暖。

2.1新能源汽车制冷系统

使用电力驱动的空调压缩机本质上与传统空调压缩机工作原理一致，均是在逆卡诺循环中供给制冷系统高温高压的制冷剂气体。电动空调压缩机与传统空调压缩机相比，其转速主要由空调系统内部控制，不受发动机转速影响。因此，电动空调压缩机驱动的空调系统比传统空调系统更为稳定，且在整车运行过程中制冷量控制更为精准。

2..2高压PTC 制热系统

由于新能源车电力主要来源于高压动力电池，因此使用高压PTC半导体加热器进行制热也逐步成为新能源汽车主流制热形式。PTC半导体加热器主要使用正温度系数的钛酸钡材料热敏电阻的电流热效应作为加热。同时，该PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻,超过一定的温度(居里温度)时,它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高，有效地保证了制热过程的可靠性和可持续性[1]。

根据制热介质的不同，高压PTC制热系统可分为水加热和空气加热两种形式。水加热PTC制热系统通过PTC加热器将加热后的水供给驾驶室暖风芯体与低温空气换热进行制热。空气加热PTC制热系统中，PTC加热器直接加热驾驶室内低温空气进行制热。一般的，由于水加热形式经过两次热量交换，其热效率较空气加热形式要低。空气加热PTC制热系统直接对空气进行加热，会造成空气中的含湿量下降，从而人体感觉舒适性较差。

2.4热泵空调系统

PTC系统能量来源为单一电能，其工作时能效比（制热功率与输入功率之比）小于1，对汽车冬季续航造成较大影响。随着汽车空调系统的发展，国内外许多整车厂逐步配备了冷暖一体的热泵空调系统。热泵空调系统作为集成了制冷与制热一体的空调系统，有效地提高了制热工况下的能效比，降低了对整车续航的影响。其热泵系统制冷效果与常规电力驱动的空调系统相当，制热效果受环境温度影响较大。

3热泵空调构成与工作原理

热泵空调系统由原动力驱动的空调系统进一步发展而来，制冷工况下同样利用了中温高压的液态制冷剂蒸发吸热的特性进行驾驶室制冷。在制热工况下，系统利用高温高压的气态制冷剂冷凝冷凝放热的特性进行驾驶室制热。由于制冷剂流向需要相应阀件进行转换，其系统主要由电动空调压缩机、车内换热器、车外换热器、电子膨胀阀、制冷剂传感器、制冷剂换向阀等构成。

在制冷工况下，电动压缩机对高温高压气态制冷剂进行压缩，供给到车外换热器中进行冷凝为中温高压的液态制冷剂。中温高压的液态制冷剂经过车内换热器前端电子膨胀阀节流效应后蒸发为低温低压气态制冷剂，并且与驾驶室内热空气换热制冷，最后变成气态制冷剂回到电动压缩机参与下次制冷循环。在制热工况下，制冷剂换向阀对制冷剂流向进行调整转换，电动压缩机将高温高压气态制冷剂进行压缩，供给到车内换热器进行冷凝为中温高压的液态制冷剂，该过程与驾驶室内冷空气换热制热。中温高压的液态制冷剂经过车外换热器前端电子膨胀阀节流效应后蒸发为低温低压气态制冷剂，并且与车外较热空气换热为气态制冷剂回到电动压缩机参与下次制热循环。

与传统空调不同的是，热泵空调系统制冷及制热均遵循了卡诺逆循环原理，并且无需借用水（或冷冻液）为介质参与热交换。系统中制冷剂换向阀作用主要是根据实际工况需求对制冷剂流向进行转换。制冷剂传感器作用主要是监测系统制冷剂蒸发后过热度，以及进行系统异常保护。电子膨胀阀主要替代了传统空调热力膨胀阀的作用，协同制冷剂传感器对不同流向的制冷剂进行节流蒸发控制。

4热泵空调系统的优势

4.1制热能效比高

热泵空调制热能量来源为电动空调压缩机所做的功和吸收外界空气的热量，其能效比在-10℃环境下能达到2.0以上。与高压PTC制热系统接近1的能效比相比有了较大提升，从而冬季续航能力得以提高[2]。

4.2集成热管理拓展性强

在新能源汽车中，对于整车热管理控制与分配越来越重要。对动力电池而言，充放电过程中温度过高易导致电池容量衰减及热失控风险增加，而温度过低则导致电池容量衰减和充放电性能衰减[3]。热泵空调作为可同时实现制热、制冷的系统，可对制冷剂流量作进一步分配参与到整车热管理系统中，维持电池工作在合理温度范围。

5热泵空调系统的挑战与发展

5.1低温下制热能效比下降

在低温制热工况下，制冷剂在车外换热器内部蒸发吸热，易导致湿冷空气聚集在车外换热器表面附着结霜。车外换热器结霜将导致制冷剂换热效率下降，系统制热能效比随之下降。因此，在低温环境下系统通常利用制冷剂换向阀供给车外换热器高温高压制冷剂进行化霜。驾驶室内部配备辅助加热PTC维持稳定制热温度。

5.2“碳达峰”与制冷剂替换

随着2019年我国宣布“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，传统R134a作为GWP=1300的温室气体将逐步走出历史舞台。热泵空调系统后续将更多地使用低全球变暖潜能值的R1234yf与CO2制冷工质。

5.3更为复杂的软硬件系统

与传统汽车空调系统四大件相比，热泵空调系统集成化程度更高，且有着更为复杂的控制系统与控制阀件。随着特斯拉搭载热泵空调的Model Y汽车推向市场，其配备的集成八通阀可同时满足热泵空调、电池电机冷却等整车热管理调配与控制[4]。其揭示着汽车空调系统跨入电动化时代后，将更多作为整车热管理的一部分参与到整车集成开发中。

结束语

随着新能源汽车产业发展，热泵空调系统将以高集成化、高能效比等优点替代原有传统空调系统。并且，热泵空调系统将更多作为整车热管理子控制系统参与到整车集成中。

参考文献

[1]马相银. 电动汽车PTC加热系统研究[J]. 内燃机与配件, 2019, No.299(23):211-212.

[2]叶立,李慧丽,陈宇,等.新能源电动汽车热泵空调系统实验研究[J].新型工业化,2019,9(2):112-117.

[3]徐顺余, 曹辉. 锂离子动力电池受高温影响的试验分析[J]. 客车技术与研究, 2011(4):53-55.

[4]胡志林，张天强，杨钫. 特斯拉电动汽车热管理技术发展趋势[J]. 汽车文摘，2021(1): 53-57.