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2 0 1 6 年 7 月 REFRIGERATION  AND  AIR-CONDITIONING
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电动汽车热泵系统简述
陈雪峰叶梅娇黄一波
(比亚迪汽车工业有限公司）
摘
要
本文主要介绍了当前电动汽车塑调系统采用的制冷和采暖技术，并着重对车用热泵技术进行了详
细的说明。
关键词新能源；电动汽车；热泵；空调；采暖
Introduction of heat pump system in electrical vehicles
Chen  Xuefeng  Ye  Mengjiao  Huang  Yibo (B Y D  A uto  Industry  Company  Lim ited )
ABSTRACT  It  was  introduced  the  refrigeration  and  heating  technology  of  electric  car  air conditioning ? especially  in  heat  pump .
KEY  WORDS  new  energy；electric  car；heat  pum p ；air -conditioning；heating
传统燃油汽车中，汽车空调在制冷时由于压 缩机需要发动机驱动，会增加一定的油耗，但因 该部分油耗较低，对续航里程影响不大。而在采 暖时，由于利用的是燃油车发动机余热，并不会 造成多余油耗，对续航里程几乎没有影响。而对 于纯电动汽车，空调又由电能驱动，且消耗电能 较多，因此，空调对电动汽车续航里程的影响不 容忽视。1
纯电动汽车空调目前使用状况
1.1当前电动汽车采用的制冷技术
目前，已上市的电动汽车空调系统采用的制 冷技术与传统燃油汽车采用的空调制冷技术原理 相同，都是通过改变制冷剂的物理状态进行制冷。
这种制冷技术成熟度高、应用面广，其C O P 值可达 到2.0以上。
纯电动车在夏季空调系统开启制冷模式时， 空调系统的能耗占整车能耗约由于当前电 动汽车的续航里程并不宽裕，如何进一步降低汽 车空调制冷时的能耗受到业内关注。1.2当前电动汽车采用的采暖技术
当今上市的纯电动汽车普遍使用P T C 水加热 器系统或P T C 风加热器系统来实现乘员舱采暖功 能（图〗、图2)。
图1 PTC 风加热器
图2 PT C 水加热器对于纯电动车来说
，一
般使用P T C 风加热，此
种方式只需要将传统汽车空调暖风芯体替换为
P T C 风加热器，再辅以必要的控制设备，就能直接
收稿日期：2016-05-23
作者简介：陈雪峰，比亚迪n 个:.1：业川似公氷笫丨‘ /I :，业部空调丨：厂厂K ： •从事新能源n
个：热竹理系统研究。
第7期陈雪峰等：电动汽车热泵系统简述•79•
运用到电动汽车上。空气被P T C加热升高后直接 吹人车内，实现采暖，其能量转换的顺序为：电能 —空气热能。此加热系统的特点有：1)整个系统 相比原系统不需要做太大改变；2)出风速度快;3) 仅经过一次换热，效率更高；4)由于需要把P T C风 加热器放在车内，安全要求更高。
而插电式混合动力汽车一般使用P T C水加热 器，此种方式使用传统汽车空调暖风芯体与PTC 水加热器串联，通过P T C水加热器的液体加热后 提供与空调暖风芯体，空气通过暖风芯体被加热 使出风温度升高后直接吹人车内，实现车内采暖 功能，其能量转换的顺序为：电能—液体热能—空气热能。此加热系统的特点有：1)空调箱体不需 要重新开发，但需要增加P T C水加热器及连接的 管路及控制设备；2)能量转换次数多，转换效率 低;3)升温较慢，需要把液体加热后出风温度才能 达到人体的舒适温度。
P T C风加热器和P T C水加热器各有特点，但 由于均是由电能最终转化为热能，其能量转换效 率低于1.0。在冬季，若乘员舱采暖需求5 000 W 热量，不论P T C采用哪种方式，其消耗的电能均需 要大于5 000 W，这对电动汽车来说是负担不轻，消耗电量相当大，严重地影响了续航里程。
2汽车热泵空调系统简介
2.1热栗空调系统的优点
热栗通过转换制冷系统中制冷剂运行流向，从室外低温空气吸热并向室内放热，使室内空气 升温的制冷系统，包括空气循环、净化装置和加 湿、通风装置。
热栗空调系统实现车内采暖，其消耗的电能 仅用于将车外的热量“搬运”到车内，通常其能效 比高于2.0。从原理上讲达到同样的制热量，热栗 系统消耗的能源仅为P T C加热器的一半，即如果 需要5 000 W的采暖需求热量，只需要消耗约 2 500 W的电能。
2.2车用热栗空调系统的技术难点
1)使用环境
热栗的能量来源是空气中的热能，如果车辆 处在严寒的环境中（例如冬季我国北方的环境），这时空
气中可以利用的热能少，普通热栗系统在 - 10 °C以下温度工作时，其制热效能就会大打折 扣。车辆作为一种交通工具，其活动范围必定受 到制约。
2)室外换热器除霜
如果热栗系统在湿冷的环境下工作，室外换 热器作为蒸发器使用会产生冷凝水，其冷凝水容 易结霜结冰，会影响采暖效果，因此需要对室外换 热器进行除霜会导致出风温度波动性大，影响舒 适性。
3)前挡风玻璃除霜除雾
前挡风玻璃起雾会对车辆行驶安全产生隐患，因此车用热栗空调系统不能使用传统家用空 调热栗形式直接换向，避免蒸发器转换为冷凝器 时冷凝水蒸发形成雾气影响驾驶员视线。一般研 究的车用热栗至少需要3个换热器来解决此问题。对于GB 11555—2009《汽车风窗玻璃除霜和除雾 系统》前挡风玻璃除霜试验，要求环境温度_ 18 °C 可满足需求，如前使用环境所述，要满足此环境温 度的热栗需要更深的研究。
4)制冷剂的选择
制冷剂的可燃性、O D P值、G W P值、工作压力 等，都决定了热栗性能。目前汽车上使用的制冷 剂一般为R134a和R1234y f，由于其属于高温制冷 剂，沸点约为-26 °C，不宜在低温环境下运行。
因此，对于既满足环保要求又能同时满足制 冷制热的制冷剂的车用制冷剂的研发有待提上议 程。R410A、CO2等制冷剂的热栗系统目前正在 研究。
纯电动车
由于车用空气源热栗技术存在着诸多难点，目前大多数厂商还停留在研发阶段。
2.3汽车热栗系统研发进展
目前，各个厂家的汽车热栗原理图均有一些 差异，后续将以下面的热栗原理图（图3、图4、图5)来讨论。
制冷循环系统：经过电动压缩机压缩排出的 高温高压的气体，进人室内冷凝器（无风经过）（仅 作为流道流过），此时室内冷凝器出口仍为高温高 压的气体；室内冷凝器出口与电磁电子膨胀阀（仅 作为流道流过)相连，此时电磁电子膨胀阀出口仍 为高温高压的气体；电磁电子膨胀阀出口与室外 换热器相连，室外换热器出口为中温高压的液体; 室外换热器出口与电子膨胀阀1相连，电子膨胀阀 1出口为低温低压的液体；电子膨胀阀1出口与室 内蒸发器相连，室内蒸发器出口为低温低压的气 体；室内蒸发器与单向阀相连，单向阀再与气液分 离器相连，把未蒸发的液体通过气液分离器分离，
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图3车用热泵原理图
图4车用热泵空调系统高温制冷原理图
电磁电子膨胀阀
传感器
P_T2赁感器
压缩机
气液分离器
接电机-」室内冷凝器
室内蒸发器
HVAC 总成
电子膨胀阀1
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电机散热器
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图5
车用热泵空调系统低温制热原理图
第7期
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最后低温低压的气体回到电动压缩机中，由此形成 一个循环。此过程中电磁阀1关闭，且电磁电子膨 胀阀仅作为一个流道，即实现电磁阀功能；电磁阀1
关闭即通电，电子膨胀阀1根据实际需求给予一定 的开度，此开度根据P -T 2传感器的压力和温度采集 数据计算蒸发器出口制冷剂过热度来调节；此过程 中H V A C 总成的冷暖电机打到最冷位置。但目前 热栗在汽车空调系统中进行制冷的应用并不多见， 在夏天仍以普通压缩机制冷为主流。
采暖循环系统：电动压缩机经过压缩排出高 温高压的气体，与室内冷凝器相连，其H V A C 总 成经过此室内冷凝器的风门打开，此时室内冷凝 器出口为中温高压的液体；室内冷凝器出口与电 磁电子膨胀阀相连，此时电磁电子膨胀阀作为节 流元件起到节流降压的作用，其出口为低温低压 的液体；电磁电
子膨胀阀出口与室外换热器相连， 室外换热器出口为低温低压的气体；室外换热器 出口与板式换热器相连，此时板式换热器制冷剂 吸收电机散热器的热量，使系统制冷剂温度提高， 仍为低温低压的气体；板式换热器出口与电磁阀1 相连，电磁阀1再与气液分离器相连，把未蒸发完 的液体通过气液分离器分离，最后低温低压的气 体回到电动压缩机中，形成一个循环。此过程中电 子膨胀阀1关闭，电磁电子膨胀阀作为节流元件起 到节流降压作用，即实现电子膨胀阀的功能，其开度 根据实际需求给予一定的比例，此开度根据P -T 1传 感器的温度采集数据即压缩机排气温度的多少来调 节；电磁阀1打开即通电，电子膨胀阀1关闭；此过 程中H V A C 总成的冷暖电机打到最暖位置。
以上循环系统可选择R 134a 、R 410A 、R 32、
R 290等制冷剂，优先选用中高温制冷剂。而C 02
由于系统压力太高，在汽车上尚不能成熟地应用。
应用以上的热栗系统采暖，目前可满足-20 °C  以上的环境温度。且通过笔者所在单位一系列的
焓差实验和实际路试验证，得出以下结论：1) 在0 °C 的环境下，整车出风温度4 m in 可 达到40 °C 以上，整车车内温度20 m in 可达到 24 °C 以上，升温效率与P T C 加热器的基本一致， 但使用热栗的耗电量还不到P T C 加热器的一半；
2)
在-10 °C 的环境下，整车出风温度4 min 可达到37 °C 以上，整车车内温度24 m in 可达到 24 °C 以上，升温效率与P T C 加热器的基本一致，但
使用热栗的耗电量比P T C 加热器的低40%左右；
3)
在-15 °C 的环境下，整车出风温度5 m
可达到30 °C 以上，最终出风温度可达50 °C ，整车 车内温度30 m in 可达到18 °C 以上，基本可满足整 车需求，但使用热栗的耗电量比P T C 加热器的低 25%左右；
4)
在-18 °C 的环境下测试整车前挡风玻璃
的除霜实验，可满足GB  11555除霜标准要求。
在满足性能的前提下，目前热栗系统按实车 布置已在做可靠性验证，包括各种环境温度下（如
- 2 0 °C  )的系统回油验证；整车各种工况的控制逻 辑验证均已在验证，电子膨胀阀替代传统热力膨 胀阀开度调节的策略等。同时由于目前已完成的 热栗能效还不是很高，笔者所在单位同步在研究 高效压缩机、高效换热器的开发。对于整车布置 来说，管路越简单越好，目前热栗系统管路繁多， 增加了布置难度。对整车来说，能否设计出简单 的管路系统，可能成为热栗系统能否大批量应用 的一个重要环节。2.4热栗系统的未来
热栗系统由于具有较高的能效比，是电动汽 车的较好选择。目前，家用空调热栗可在-30 °C  环境下正常工作，若车用热栗系统也可在此寒冷 的环境下正常工作，那全国大多数地方均可使用。 解决低温热栗的方案可通过使用增焓技术、分级 压缩技术、利用整车其他余热、使用蓄热、使用辅 助加热器等技术来提高使用的环境温度。
行业电动汽车空调制冷使用现有成熟的空调 技术，不断改进控制方法、优化系统和零部件的设 计，不断的降低能耗提高能效。而车用热栗系统 由于较高的能效比，是电动汽车采暖的较好选择。 共同的目标是做到-30 °C 环境仍可使用热栗。为 弥补其低温工况性能的不足，可辅以其他的技术。 同时为了节约能耗，电动汽车废热的回收利用也
是十分必要，因为任何一点热量对电动车采暖来 说都弥足珍贵。（例如：当电动汽车驱动电机工作 时，电子控制集成（E C U )中发热晶体（IG B T )、电 机散发的热量；动力电池在某些工况也会释放一 定的热量等）。未来电动汽车必定有一套综合的 热管理系统，涵盖采暖，制冷，蓄热，热回收等技
术，所有具有利用价值的热元件都将在这套系统 的科学管理下工作。