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电动汽车空调系统 VS 燃油汽车空调系统

发布于：2024-07-15 14:09:15 来自：暖通空调/暖通资料库

作者：HETA

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空调系统作为现代汽车的标准配置,其设计和性能对车内热舒适环境和行车体验有着重要影响。与传统燃油汽车不同,电动汽车采用电力驱动,这使得其空调系统在制冷制热原理、系统构成、控制策略等方面存在显著差异。

一、背景

汽车空调系统是保障车内乘员舒适、提高行车安全的重要设备。早在1933年,美国Packard公司就推出了世界上第一辆带空调的汽车[1],此后汽车空调技术不断发展,至上世纪90年代,已成为汽车的常见配置。 传统汽车空调多采用以压缩机为核心的蒸气压缩循环制冷,并利用发动机余热实现冬季供暖 [2]。这种工作方式经过近百年的成熟发展,已日臻完善。

近年来,在节能环保的大背景下,以纯电动汽车、插电式混合动力汽车为代表的新能源汽车快速崛起。根据国际能源署(IEA)的数据,2020年全球电动汽车保有量已达1000万辆,较2019年增长43%[3]。与燃油汽车相比,电动汽车采用电池供电,驱动方式、能量利用特点差异明显,因而对车载空调的设计提出了新的要求,传统汽车空调系统已无法完全适应。

（1）一方面,电动汽车不存在发动机废热,无法沿用燃油汽车冬季利用余热供暖的方式,需另外设计制热装置。且电池性能对温度敏感,夏季需对电池进行冷却,对空调系统提出了除湿、除霜等附加功能[4]。

（2）另一方面,空调能耗在电动汽车总能耗中占比大,直接影响续航里程。研究表明,在夏季工况下,空调系统可使电动汽车的续航里程减少33%~47%[5]。因此,电动汽车对空调系统的节能效果和运行策略提出了更高的要求。

鉴于电动汽车和燃油汽车在动力来源、用电特性等方面存在的本质区别,有必要从系统层面分析两类车型空调设计的差异,明确电动汽车热管理的设计思路和优化重点,为新能源汽车的应用推广提供参考。为此,本文将从制冷原理、制热原理、控制系统三个方面,对电动汽车和燃油汽车空调展开对比分析。

二、电动汽车与燃油汽车空调制冷原理对比

2.1 燃油汽车空调制冷原理
传统燃油汽车空调的制冷多采用蒸气压缩循环。如图1所示,其基本构成包括:压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器[6]。在压缩机的作用下,制冷剂在系统内完成"压缩-冷凝-节流-蒸发"的闭式循环,不断吸收蒸发器侧的热量,并在冷凝器侧放热,从而实现制冷效果。

其工作原理为:
(1)低温低压的气态制冷剂由压缩机吸入,被压缩成高温高压状态,然后排入冷凝器。
(2)在冷凝器中,高温制冷剂与外界空气换热,放出热量,逐步冷却,最终冷凝成高压液体。
(3)高压液态制冷剂通过节流装置(如膨胀阀)节流降压,变为低压低温的气液混合物,进入蒸发器。
(4)在蒸发器内,制冷剂吸收空气热量蒸发为气体,使管壁温度下降,带走空气热量,到达蒸发器出口的制冷剂全部气化,重新进入压缩机,完成循环[7]。

燃油车空调的压缩机通常由发动机经皮带传动驱动,转速随发动机转速变化。压缩机开关与电磁离合器集成,通过电磁离合器的通断控制压缩机与发动机的连接状态,进而实现压缩机的启停控制[8]。

2.2 电动汽车空调制冷原理
电动汽车空调在制冷循环上与燃油汽车并无本质区别,同样采用蒸气压缩制冷,由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器等部件构成。但在压缩机驱动和系统配置上,则存在明显不同。

电动汽车采用高压直流电驱动压缩机,可实现无级调速,转速范围宽,通过调节压缩机转速即可灵活控制制冷量[9]。电驱压缩机启动力矩大,可在较低转速下获得较大制冷量,有利于提高部分负荷效率。此外,得益于电机驱动的可逆性,电动汽车空调压缩机可实现正反转切换,一机两用,夏季正转制冷,冬季反转作为热泵系统的核心部件,提供制热[10]。

在系统配置上,电动汽车空调系统除上述常规部件外,还配有用于冷却驱动电机和电池的冷却回路,并设置冷却水泵、四通阀、水冷板换等附加部件[11],系统更加复杂,如图2所示。

在制冷模式下,冷却水泵驱动冷却液,依次流经逆变器冷却器、电机冷却器和电池冷却器,带走驱动系统的余热,经板换器与空调系统内部回路换热后,循环至冷却水泵入口,完成循环。这种内外循环耦合的设计,可利用驱动系统废热,减少压缩机耗功,提高制冷效率。

电动汽车空调还普遍采用热管理集成设计理念,将座舱空调、电池热管理、驱动系统热管理集成为一体化多联供系统[12],实现冷量的灵活调配和梯级利用,减少能量损失。在部分负荷工况下,电池冷却回路可直接作为蒸发器参与制冷,代替空调蒸发器供冷,减少压缩机耗功,提高能效[13]。

2.3 制冷原理对比
综上,电动汽车和燃油汽车空调在制冷循环上并无本质差异,均采用蒸气压缩制冷原理。但电动汽车空调在压缩机驱动、系统配置、部件功能等方面更具优势和灵活性,

具体体现为:
(1)采用电驱压缩机,可实现无级调速,转速范围宽,且可正反转运行,改善了部分负荷性能;
(2)系统配置更复杂,设有独立冷却回路,与座舱回路耦合,可利用驱动系统废热,提高效率;
(3)部件集成度高,如兼具制冷和制热功能的四通阀,可实现冷热模式切换,简化系统;
(4)热管理更加智能化,电池冷却与座舱供冷互补,可根据工况灵活调配冷量。

三、电动汽车与燃油汽车空调制热原理对比

3.1 燃油汽车空调制热原理
传统燃油汽车的冬季供暖主要利用发动机废热。通过板换将高温冷却液的热量传递给空调系统的冷却水,再由冷却水将热量带入汽车空调箱体内的暖风芯体,加热经过的空气,最终通过通风管道送入车内[14],如图3所示。

由于发动机废热温度较低,这种供暖方式只能提供40~45℃左右的暖风,且在发动机冷启动阶段尚无法提供有效制热[15],因此普遍存在升温慢、供热不足的问题。为提高舒适性,部分燃油车会在空调出风口加装PTC电加热装置作为辅助,快速提高送风温度,但能耗较高。

3.2 电动汽车空调制热原理
与燃油汽车不同,电动汽车没有发动机废热可供利用,因此需采用其他制热方式。目前,电动汽车的冬季制热主要有电加热和热泵两种技术路线。

(1)电加热
电加热是利用电阻丝通电时产生的焦耳热对空气直接加热。常见的電加热装置有PTC加热器和电加热芯体。PTC加热器利用PTC材料的电阻随温度升高而快速增大的特性实现自身温度调节,具有加热速度快、安全性高等优点[16]。

电加热制热的优点是结构简单、响应快,在车内温度较低时可迅速提高送风温度,改善热舒适性。但其缺点是能耗大、能效比低,在低温环境下COP仅为1左右,远低于压缩机制热的效率[17]。

(2)热泵
热泵制热是利用压缩机将低温热源(如环境空气)中的热量"泵"至高温区域(如车内),实现制热的技术。其原理与蒸气压缩制冷相似,只是在冬季工况下,通过四通换向阀改变制冷剂流动方向,使冷凝器作为暖风换热器向车内供热,蒸发器作为环境换热器吸收外界冷空气热量[18]。

热泵供暖的优点是能效高,COP可达2~4,远高于电加热[19],且可实现除湿、除霜等功能,但其缺点是在低温环境下制热量下降明显,难以满足车内舒适需求。因此,实际应用中,电动汽车常采用热泵与PTC电加热相结合的方式,兼顾舒适性与能效[20]。

3.3 制热原理对比
综上,电动汽车和燃油汽车在冬季制热原理上存在明显差异,具体表现为:
(1)燃油汽车主要利用发动机废热供暖,而电动汽车需要专门的电加热或热泵装置;
(2)电加热制热虽然响应快,但能效低;热泵制热能效高,但在低温环境性能不佳;
(3)电动汽车多采用热泵+PTC组合供热方式,兼顾舒适性与经济性。

四、电动汽车与燃油汽车空调控制对比

4 .1 燃油汽车空调控制

传统燃油汽车空调的控制主要包括压缩机离合器的通断控制和鼓风机、模式风门的调节。

(1)离合器通断控制
压缩机离合器通过接通或切断电磁线圈的电源,实现压缩机与发动机之间动力的接合与分离,进而控制制冷系统的启停。其控制逻辑通常为:当车内温度高于设定值时,接通离合器,启动压缩机制冷;当车内温度低于设定值一定范围时,切断离合器,停止压缩机运行[21]。

这种"启停式"控制虽然简单可靠,但难以满足车内温度的精确控制要求,且压缩机频繁启停,既影响乘坐舒适性,也降低了压缩机可靠性。

(2)鼓风机和模式风门控制
鼓风机的转速控制采用电阻调速或PWM调速的方式,改变送风量,调节制冷/制热量。模式风门控制采用拨叉+ 拉索机构,由空调控制面板上的旋钮拨动,切换出风模式[22]。

这种鼓风机和风门控制多为开环控制,无法根据实际需求自动调节,且调节精度和响应速度欠佳。

4.2 电动汽车空调控制
电动汽车空调在硬件配置上更加丰富,在控制策略上也更加智能化。其控制的主要对象包括:压缩机转速、电子膨胀阀开度、鼓风机转速、空调风门、水泵转速、四通阀切换等。

(1)压缩机转速控制
电动汽车普遍采用高压电驱动压缩机,通过改变电机转速来调节压缩机排量,进而控制制冷/制热量。由于电机响应速度快、调速范围宽,因此可实现压缩机无级调速控制,根据负荷需求连续调节转速,避免频繁启停,提高控制精度和舒适性[23]。

(2)电子膨胀阀控制
电子膨胀阀作为节流装置,其开度影响制冷剂流量,进而影响蒸发温度和制冷量。电动汽车空调普遍采用电子膨胀阀替代传统的热力膨胀阀,通过调节阀门开度,实现蒸发温度的精确控制,提高系统效率[24]。

(3)鼓风机和风门控制
电动汽车的鼓风机普遍采用无刷电机驱动,响应速度快,调速范围宽,可实现精确的风量控制。空调风门也多采用电动执行器,通过闭环控制实现风门角度的自动调节[25]。这种鼓风机与风门的联动可根据设定温度和环境条件自动优化送风状态,减少人工调节。

(4)水泵和四通阀控制
水泵转速的控制可调节冷却液流量,优化冷却系统与空调系统的换热量和效率。四通阀的切换控制可改变制冷剂流向,实现制冷和制热功能的切换,为冬夏模式转换提供了便利[26]。

(5)智能控制算法
电动汽车空调普遍采用模糊控制、预测控制等智能控制算法,根据车内环境参数和用户设定,自动调节压缩机转速、鼓风机转速、风门角度等,快速、准确地达到目标温度,并在满足舒适性的同时兼顾节能[27]。部分车型还具有远程控制、语音控制等功能,大大提升了用户体验。

4.3 空调控制对比
综上,电动汽车空调在控制系统和控制策略上较传统燃油车更占优势,主要体现在:
(1)采用更多电控执行器,实现了压缩机、膨胀阀、风门等部件的精确调控;
(2)引入先进控制算法,实现了温度、风量、模式的智能调节,兼顾舒适节能;
(3)整车热管理更加系统化,统筹协调制冷、制热、除湿、除霜等功能;
(4)加入远程控制等人性化设计,提高了交互便利性。

空调系统空调

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