国内外汽车空调系统技术，哪些值得一说？

         

        电动汽车空调系统相较于传统的燃油汽车，它的制冷与供暖的动力驱动都是来源于汽车电池，它无法像传统汽车一样利用 发动机的余热来减小供暖对电池的消耗。为了实现更好的制冷和供暖需求，以及减缓对电池的消耗，所以国内外学者对不同的系统方案进行了很多研究。下面我们一起来看。          

         

 

 

 

     

一、             电动压缩式制冷——电加热供暖系统

         

   

电动压缩式制冷——电加热供暖系统是在夏季通过电驱动压缩机实现蒸气压缩以此达到制冷效果，而在冬季由于无法通过传统汽车利用发动机运行时产生的余热实现制热效果，所以现在电动汽车广泛使用的是 PTC 加热器。但是由于 PTC 加热器是通过消耗电池来实现电加热的，以此在温度较低的冬季进行供热时也大大地增加了对于电池的消耗，这样就会造成相较于夏季，冬季时电池的消耗导致了行驶路程缩短了约 30%~65% 。  

 

1、 PTC 液体加热器    

 

日本三菱公司在 2010 年研发的“ i-MiEV ”电动汽车就采用了 PTC 液体加热器为其实现供热。除此之外他们还在 PTC 液体加热器的冷却液通道采用了三维设计，从而使得该加热器的热传导效率得到了很大的提升，但是也发现这一设计方案导致了电动汽车的整体的能耗增加，最终导致的结果是车子的行驶里程被大幅度缩减。  

 

2、PTC 加热器与热泵相结合制热    

Kim 等人在 2012 年设计了一个将 PTC 加热器与热泵相结合的制热系统，通过改变压缩机转速以及车内外温度，对实验结果制热量、压缩机功率和 COP 进行分析，最后通过采用多工位来控制 PTC 加热器的性能，将会更好提高制热效率和减少能耗。  

 

3、采用 PTC 加热实现整个系统的供热    

宋海洋等人在 2012 年通过对三种不同的空调系统的仿真结果进行对比分析，最后确定了电动压缩制冷和电加热制热系统，并且采用 PTC 加热实现整个系统的供热，随后对整个系统的运行进行了模拟，最终得出采用 PTC 加热可以实现电动汽车对整个供热系统的要求。  

 

4、采用 PTC 电加热除霜除雾   

孙西峰等人于 2014 年通过在某一型号的电动汽车的供暖系统就采用了 PTC 加热器来实现电动汽车的整车供暖。他们首先通过对电动汽车的除霜除雾进行了仿真模拟分析，随后设计并对这一电加热供暖系统进行了实验分析，最后验证了通过采用 PTC 电加热是可以满足该型号电动汽车的除霜除雾。电动汽车空调系统通过使用 PTC 加热器虽然很好地满足整车的供暖，但是这就会加大对电池的消耗，从而会导致车子的行驶里程减短。  

 

     

二、余热及辅助热源空调系统

         

   

燃料电池电动汽车相较于其它电动汽车，它的电池产热量更大，如果能够将这些余热收集起来并运用到车子的空调系统上，这不仅仅满足了车内人员对车内环境舒适度的要求，而且也大大提升燃料电池的使用效率。  

 

1、吸收式制冷系统余热利用     

贺启滨等人在 2007 年对实例的燃料电池客车的余热利用进行分析讨论了其可行性。他们通过负荷计算得出 60 座的燃料电池客车的余热量约为 200kW ，以及通过热力计算得到溴化锂吸收式制冷系统制冷所需的热量约为 59kW ，通过对比分析得出吸收式制冷系统对于燃料电池客车的余热利用是可行的。     

 

2、增加辅助热源可提升汽车的制热性能     

Javani 等人在 2012 年针对将系统余热用于两种不同的空调系统进行研究。结果表明，当混合动力汽车在采用电动模式的工况下，利用余热制冷来满足车内环境的需求很难达到；当在非电动模式下，两种制冷系统通过对于电池预计废气的余热利用而产生的制冷量均可满足车内的需求；除此之外，他们发现在相同的实验条件下吸收式制冷系统的制冷性能更好。电动汽车在冬季由于室外温度较低而这时制热效果很难达到要求时，这时可以通过增加辅助热源来提升汽车的制热性能。  

 

3、太阳能可作为空调系统辅助热源    

马国远等人在 2001 年实验分析了以太阳能为辅助热源的空调系统。他们将太阳能电池铺满在整个汽车车顶来作为汽车的辅助热源，他们发现通过这种方法所产生的电量不仅可以提高空调系统的制冷量，而且还能够有效地减小空调系统中的冷负荷峰值。  

 

4、复合热泵系统    

Lee 等人在 2013 年通过对电动客车中采用的复合热泵系统实验研究，该空调系统以空气源制冷，而供暖热源则是采用电动装置的废热。实验分析发现随着压缩机运行时间的增加，系统的制冷量也随之增加，但系统的 COP 出现了下降；在改变室内外温度时，系统的制冷量均可满足电动客车所需要的冷负荷。  

 

通过以上学者的研究可以看出利用余热可以减小对电池消耗，但是系统结构的复杂性也会随之增加，除此之外整车的造价费用也随之增加。  

 

     

三、热泵空调系统

         

   

 

1、R134a 热泵空调系统    

（ 1 ）以 R134a 为工质的电动汽车热泵空调系统  

 

1996 年 Suzuki 等人对开发的以 R134a 为工质的电动汽车热泵空调系统进行了研究，他们研究的目的是为了满足车内空气质量、舒适度和挡风玻璃的除霜除雾，并尽可能的减少能耗。最后的实验结果表明：车外环境温度在 -10 ℃ ~40 ℃的条件下，该系统可以实现除霜除雾和满足车内舒适度，并且减小了电动汽车的整体能耗。  

 

（2）从电力传动系统中回收余热的电动汽车热管理系统  

2011 年 Yokoyama 等人研制了从电力传动系统中回收余热的电动汽车热管理系统。该系统是以 R134a 为制冷剂通过热交换器与电动汽车的冷却水进行热连接，以此将回收的余热用于车内的供暖。研究结果表明通过采用这种余热回收的热泵空调系统，汽车的能耗将从 2000W 降至 580W ，大大降低了汽车本身的能耗。  

 

（3）蒸汽压缩式系统以及冷暖双模式  

2013 年李丽等人设计的以 R134a 为工质的热泵空调系统，采用了蒸汽压缩式系统以及冷暖双模式，并在变温度的工况下进行了关于制热性能的实验研究。实验结果发现该系统可以在短时间满足车内温度的要求，并且也发现该系统的制热性受环境温度有很大的影响，单位时间内系统的制热量随着环境温度的降低而减少。  

 

（4）单空气热源、余热热源以及双热源模式研究  

2014 年 Ahn 等人实验研究的热泵空调系统，以空气和余热作为热源， R134a 为制冷剂，他们通过分别进行单空气热源、余热热源以及双热源模式进行实验研究。实验结果显示：单空气源热泵系统中，热泵系统在室外温度达到 -10 ℃时的制热能力约为设计值的 36% ；单余热热源热泵系统中，为了使系统的制热能力能够满足设计所需的要求值，则系统的余热量要增加到 2.5kW ；双热源热泵系统相较于单热源模式，系统的供热性能有着很大的提升，能够满足设计所需要的。  

 

（5）变排量 161 压缩机热泵系统  

2015 年彭发展以 R134a 为工质针对两种不同压缩机的热泵系统，实验研究了环境温度对这两种热泵系统的性能影响。实验发现变排量 161 压缩机热泵系统相较于涡旋 86 压缩机系统，在环境温度在 -10 ℃和 -15 ℃的低温条件下，由于前者的最大排量较大致使最后的制热效果更好。  

 

随着国内外学者大量的实验研究，以 R134a 为工质的热泵空调系统在不断地发展进步，该工质由于具有更好的制冷效果也被广泛的应用到实际的汽车生产中。但是随着人们对环境保护意识的不断加强，后来发现 R134a 具有很高的温室效应和较高的 GWP 值。欧盟最新开始了对 R134a 的禁止使用，我国这几年也开始减少对其的使用，因此更加环保、清洁的制冷剂成为了研究对象。  

 

2、CO2 热泵空调系统    

（1）以 CO2 为工质的汽车空调系统  

1992 年 Lorentzen 和 Pettersen 设计研究了一套以 CO2 为工质的汽车空调系统。实验研究发现以 CO2 作为制冷剂会使整个空调系统的压力增大，但由于在运行时系统内的 CO2 体积流量以及换热器的体积较小，可以使汽车空调安装应用更加便利，除此之外 CO2 作为制冷剂能够更好减少制冷剂对环境带来的污染。  

 

（2）跨临界 CO2 循环的最优高压控制算法关系  

2008 年 Kim 等人对跨临界 CO2 汽车空调系统在不同工况下的性能进行了实验研究。他们通过实验结果发现：当系统中的蒸发器和气体冷却器的进口空气温度依次达到 35 ℃和 45 ℃时，系统的制冷量与 COP 可以达到约 7.5kW 、 1.7 ，并提出了跨临界 CO2 循环的最优高压控制算法关系，以此来实现 COP 最大。  

 

（3）以 CO2 为工质的可逆冷热系统反循环除霜性能  

2013 年 Steiner 等人研究分析了以 CO2 为工质的可逆冷热系统反循环除霜性能。他们通过仿真模型对融霜过程的不同参数值进行了评估分析，仿真结果发现系统在运行中节流阀的开度会对融霜的过程有着很大的影响，出现了节流阀的开度较大时，该系统融霜过程时间延长，整体的融霜效率降低。  

 

（4）电动汽车 CO2 热泵系统在寒冷条件下制热系统性能影响  

2018 年 Wang 等人通过实验研究了不同的变量参数下，如压缩机转速、室内外温度和室内风量等对系统制热性能的影响，研究结果发现：室内外温度均达到 -20 ℃，这时系统的制冷量和 COP 分别达到 3.6kW 、 3.1 ；车外温度在 -20 ℃ ~10 ℃的范围内， CO2 热泵系统在此条件下具有良好的制热性能。 CO2 相较于 R134a 来说 GWP 非常小，它会更加的环保清洁，但是整体的系统压力会偏高，能效偏低。  

 

3、R1234yf 热泵空调系统    

（1）用 R1234yf 制冷剂代替 R134a  

2011 年 Claudio 等人用 R1234yf 制冷剂代替 R134a 作为工质用在汽车空调系统中进行了实验测试。实验结果分析得出 R1234yf 系统的制冷量和 COP 要低于 R134a 系统，为了实现 R1234yf 可以达到与 R134a 相同制冷量和效率，他们通过数值模拟得出：当冷凝器表面积增加 20% ，蒸发器表面积增加 10% 时， R1234yf 系统的制冷量与 COP 将会非常接近 R134a 系统。  

 

（2）冬季和夏季的条件下R1234yf 汽车空调系统的性能  

2012 年 Lee 和 Jung 实验研究了在冬季和夏季的条件下对 R1234yf 汽车空调系统的性能，并且与 R134a 空调系统在同样的实验条件下的实验数据进行了对比分析。实验结果得出 : 在冬季制热模式下，两个系统的性能相似，而在夏季制冷模式下， R1234yf 系统的 COP 下降了约 0.8%~2.7% ，系统制冷量下降了约 4% ，但考虑到环境的保护 R1234yf 将会成为替代物。  

 

（3）增加回热器、回冷器和提高压缩机转速可提高R1234yf系统性能  

2017 年李宴辉等人研究了针对 R1234yf 制冷剂在纯电动汽车空调系统的性能。并且通过实验结果与 R134a 系统进行了对比分析，分析结果表明： R1234yf 系统的制冷量约为 R134a 系统的 92.5%~96.7% ， R1234yf 系统的 COP 约为 R134a 系统的 92.9%~94.6% 。后来他们通过仿真模拟发现可以通过增加回热器、回冷器和提高压缩机转速来达到与 R134a 系统相同的性能。  

 

（4）R1234yf 双热源热泵空调系统的制热效果更好    

2019 年叶立等人对其课题组设计的双热源热泵空调系统进行了制热性能的研究。他们采用的是以 R1234yf 作为工质，通过建模仿真研究了在冬季环境温度在 -10 ℃ ~0 ℃的条件下电动汽车热泵系统的制热性能，最后将研究的结果并与采用 PTC 加热器制热的实验结果数据进行了对比。研究结果发现相比较下 R1234yf 双热源热泵空调系统的制热效果更好一些，而且对电池的消耗也较低。  

 

通过上述的研究可以看出采用 R1234yf 相较于 R134a 来说整体的性能相差不大，但是 R1234yf 更加的环保清洁，除此之外 R1234yf 具有更好发展前景。因此选用 R1234yf 作为该系统的工质更加合适。       

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