【研究】新能源电动汽车低温热泵型空调设计
采用热泵空调系统采暖可以有效提高电动汽车采暖的高能效比，有效延长续航里程，是重要的降低电动汽车能耗的技术手段。本文中对热泵空调系统的利用提出了3 种解决方案并进行了分析。一是回收电池与电驱的余热；二是蒸汽喷射热泵空调系统；三是利用 CO2 制冷剂的热泵空调系统。各方案都有其各自的特点和使用限制，应根据实际情况逐步过渡采用不同方式推广热泵空调系统应用，提升关键技术的同时，提高电动汽车的续航里程。
制定新能源电动汽车的国家标准对于规范生产、提高质量和增强消费者信息至关重要，是新能源电动汽车推广应用的基础。下表是我国纯电动汽车国家标准总汇，包括在2020年5月最新发布的关于电动汽车安全要求的标准。
表1 我国纯电动汽车国家标准总汇
EV-TEST(电动汽车测评)
电动汽车在高低温行驶过程中，由于电池衰减和电池热管理，加上制冷与采暖功能的利用，使电动汽车的续航里程有所下降。因此，在高低温环境时，对乘员舱采暖、制冷以及对电池进行温度管理的电量消耗对电动汽车的续航与电耗评价的高低尤为重要，在评价体系中作为重要指标进行考核。
表2 和表3分别是高温/低温续驶里程评分表，以高温/低温续驶里程相对常温续驶里程下降率为评分依据。其中，制冷与采暖性能，根据规定也计入评分，最高扣除20 分。
在高温情况下，空调开启制冷功能对乘员舱进行降温的同时，需要根据电池的温度对电池进行有效散热保证乘车安全。目前国内大部分配有空调系统的电动汽车都利用空调系统对电池进行间接冷却的方法有效散热。因此，空调系统的效率在很大程度上决定了电动汽车在高温续航里程的下降率，是评价电动汽车能耗的重要系统。
表2 高温续驶里程评分表
注:(1)下降率≤30%且≥20%，得分0～80 分，区间内线性插值；
(2)下降率≤20%且≥10%，得分80～100 分，区间内线性插值；
(3)空调性能减分有两项:
(a)车内温度首次达到目标温度的时间高于15 min 时，每增加 1 min 扣 2 分，最多扣 10 分；
(b)15 min 后，直至测试结束，达不到温度区间的累计时间超过 1.5 h，扣 10 分。
在低温情况下，续航里程下降率的评分要求比高温情况低。一是因为电池容量在低温环境下会严重衰减，二是因为乘员舱采暖需要消耗电能。目前，量产电动汽车在低温环境下对乘员舱采暖的同时都会对电池进行加热，利用PTC 电加热器或热泵系统加热的方式。利用PTC 加热的效率较低，制热能效系数COP)般约为0.9，使电动汽车续航里程下降率较大。而利用热泵空调系统在低温环境下制热COP 一般大于1.5，节能效果明显优于PTC，可有效减少电动汽车续航里程的下降率。因此，根据评分规则，平衡电动汽车续航里程下降率与达到乘员舱的目标温度的时间，利用热泵空调系统与PTC 电加热器相结合，有效控制优化PTC 开启时间，对提升电动汽车的性能非常重要。
表3 低温续驶里程评分表
注:(1)下降率≤60%且≥40%，得分0～80 分，区间内线性插值；
(2)下降率≤40%且≥30%，得分80～100 分，区间内线性插值；
(3)空调性能减分有两项:
(a)车内温度首次达到目标温度的时间高于15 min 时，每增加 1 min 扣 2 分，最多扣 10 分；
(b)15 min 后，直至测试结束，达不到温度区间的累计时间超过 1.5 h，扣 10 分。
温室效应使地球表面的温度上升，引起全球性气候反常，氟利昂等制冷剂的使用对此有着重要的影响。而汽车空调系统一直是泄漏到大气中制冷剂的主要来源之一。目前汽车空调研究主要集中在以R134a、R1234yf 和R744(CO2)为制冷剂的空调系统。R134a 是全世界的汽车空调供应商采用的主要制冷剂，其全球变暖潜质GWP 高达1 420，在欧盟地区已严禁使用，随着《蒙特利尔议定书》基加利修正案的签订和生效，R134a在我国也将被逐步淘汰。R1234yf 作为替代制冷剂之一，其GWP为4，物性与R134a 相近，在汽车空调上只需对零部件与系统进行适当优化便可直接替代R134a 使用。通过理论与试验研究对制冷剂R1234yf 与R134a 热泵系统性能进行了对比分析。结果表明，R1234yf 热泵系统的制热 COP 和制热量比 R134a 系统低10%以内。
本文中利用直接式热泵空调系统通过试验对制冷剂R134a 与R1234yf 的台架性能进行了对比分析。图1 是乘用车用直接式热泵空调系统循环图。压缩机出口的高温高压气体经过室内冷凝器与空气换热后经过电子膨胀阀节流，在室外换热器中吸热后进入气液分离器后回到压缩机。电池温度管理通过热泵系统冷却和PTC 加热进行。
图1 直接式热泵空调系统循环
图2 和图3 分别是制冷剂 R134a 与 R1234yf 的热泵系统在冬季工况下的制热量与制热COP 的对比。试验主要考察了电动汽车在低温冷起动时和在部分新风负荷工况时的热泵系统性能。试验结果表明，在相同试验条件和设备的情况下，制冷剂R1234yf 的制热量比R134a 低约5%左右，而制冷剂R1234yf 的制热COP比R134a 低约10%左右。
图2 R134a 与R1234yf 热泵系统的制热量
图3 R134a 与R1234yf 热泵系统的制热COP
3.1 余热回收
利用汽车行驶过程中电池、电机和发热元件产生的热量，可以将热泵空调系统通过优化控制策略与精确的控制实现不同零部件之间热量的转移。
图4 是某品牌车的热管理架构图，在冬季，纯电驱动模式中可回收电驱系统和电池回路的余热作为热泵空调系统的热源。图5 是在环境温度5 ℃时利用电机余热作为热泵空调系统热源时整车的能量流图。可以看出，将1.7 kW 的电机驱动余热作为热泵空调系统的低温热源，电动压缩机和风扇电机等消耗2.5kW 的能量，可给乘员舱提供3.4 kW 的热量。但是随着环境温度的降低，电机与电池的发热量将会减少，余热回收的能量有限。
图4 奥迪Q7 e－tron 热管理架构图
图5 余热利用时整车能量流图
Promme 在环境温度－10 ℃时，利用电池余热作为热泵系统的辅助热源提高制热效率。试验结果显示，热泵系统的制热量是2.5 kW，其中有0.5 kW来自电池余热，约占总制热量的20%。但是，余热回收的方式受环境温度影响较大且回收热量有限，因此可作为辅助加热手段为热泵空调系统提供部分有效热量。
3.2 蒸汽喷射热泵系统
本文中利用制冷剂R1234yf，考察了在低温冷起动时蒸汽喷射热泵空调系统台架的性能。图6 是乘用车用蒸汽喷射热泵空调系统循环图。室内冷凝器高压低温制冷剂经过经济器，与经济器另一侧的低温中压制冷剂进行换热。经济器一侧的高压低温制冷剂进一步冷却后经过电子膨胀阀节流降温降压后进入室外换热器。经济器另一侧出口的低温中压气态制冷剂进入压缩机补气。一方面通过经济器换热，制冷剂进一步过冷，降低高压侧压力，降低压缩机比，减少了耗功，提高制热量，提高热泵系统的制热COP。另一方面蒸气喷射增加了压缩机的制冷剂流量，从而进一步增加了冷凝器的换热量。
图6 蒸汽喷射热泵空调系统循环
蒸汽喷射热泵空调系统计算公式如下。
图7 蒸汽喷射循环压焓图
式中:m0 为压缩机喷气口的质量流量；m1 为蒸发器质量流量；m2 为室外冷凝器质量流量。
图 8 和图 9 分别是环境温度从－5 到－20 ℃、开蒸汽喷射与不开蒸汽喷射的系统在相同冷凝温度和蒸发温度下的系统制热量和制热COP(每组环境温度的冷凝温度不同)。由数据结果可以看出，开蒸汽喷射比不开蒸汽喷射时系统制热COP 高约10%～30%，环境温度越低，制热COP 改善越明显。这是由于在相同冷凝温度和蒸发温度下，开启蒸汽喷射回路后，压缩机耗功减小，系统效率增大。并且在相同冷凝温度和蒸发温度下，有蒸汽喷射比不开蒸汽喷射时换热器进口焓值略增加，换热量略高，但基本差别不大。
图8 开与不开蒸汽喷射系统制热量比较
图9 开与不开蒸汽喷射系统的制热COP 比较
图10 是在汽车低温冷起动条件下考察蒸汽喷射热泵空调系统最大制热性能的测试结果，并考察了系统在不同环境温度下的最大冷凝温度。实际中在单独开启热泵系统不需要PTC 辅助加热时，为保证乘员舱的热舒适性，不仅需要满足乘员舱所需热负荷，热泵系统的冷凝温度也要至少大于45 ℃才能使出风口温度不低于人体温度。试验结果证明，利用制冷剂R1234yf 的蒸汽喷射热泵系统，在环境温度－12 ℃以下的低温冷起动时，制热量和冷凝温度较低，需要同时开启PTC 来保证乘员舱的热舒适性。随着乘员舱和热泵系统冷凝温度的升高，出风口的出风温度逐渐升高到设定温度时可关闭PTC加热器，节省系统耗电量。
图10 蒸汽喷射热泵空调系统最大制热性能
3.3 乘用车用自然制冷剂CO2 热泵空调系统
由于我国对能源利用效率与环境保护日益加强，未来自然制冷剂将成为重要选择的方向。CO2 来源广泛，价格低廉，温室效应GWP 为1。使用CO2 替代R134a 用于汽车空调是缓解温室效应的可行措施，利用CO2 作为汽车热泵与空调的制冷剂是未来具有竞争力的选择。
以CO2 为制冷剂的热泵系统在低温环境－20 ℃下能够快速与稳定地为乘员舱提供热量，给车内提供更高的供热温度，对复杂的汽车气候控制系统具有较大的开发价值。
纯电动汽车在低温环境下续航里程的减少是影响其发展的主要因素之一。本文中分析了3 种用于纯电动汽车低温环境热泵空调系统的解决方案。
(1)利用余热回收方式需优化整车能量消耗，热管理系统复杂，集成度较高，且由于随环境温度降低回收热量有限，仅可作为辅助加热手段。
(2)利用传统制冷剂R134a 蒸汽喷射系统可作为低温热泵系统的解决方案之一。新型制冷剂R1234yf 的蒸汽喷射系统的制热效果提升较明显，亦可作为制冷剂替代的过渡阶段。
(3)自然制冷剂CO2 热泵空调系统，不仅是环保制冷剂，由于其在低温环境下制热的能力较高且稳定，是未来纯电动汽车低温热泵空调系统的最佳解决方案。
本文参考《新能源电动汽车低温热泵型空调系统研究》，作者：汪琳琳，焦鹏飞等