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电动汽车热泵空调系统现状及发展趋势
2021-11-06 19:52:34· 来源：电动学堂 作者：蒋亚东
文章来源：珠海格力电器股份有限公司0引言纯电动汽车具有无排放、能量转化利用率高、噪声低、运行成本低等优点，是我国新能源汽车产业发展和工业转型的主要战略
文章来源：珠海格力电器股份有限公司
0引言
纯电动汽车具有无排放、能量转化利用率高、噪声低、运行成本低等优点，是我国新能源汽车产业发展和工业转型的主要战略方向；目前其推广面临的问题有续航里程较短、充电速度慢、配套设施不完善和动力性能较差等，其中因现有电池容量有限导致续航里程难以提升是制约其发展的关键问题。空调系统是电动汽车耗最大的辅助子系统，冬季制热消耗的电能约占整车能耗的三分之一，如何在保证乘员舱舒适性的前提下尽量降低空调系统对电能的消耗是当前行业研究的主要目标。
1电动汽车用热泵空调系统现状
与传统燃油汽车的空调系统不同，电动汽车空调系统为电驱动型，无法利用发动机冷却液产生热量来实现驾乘舱制热。目前大多数电动汽车都是采用空调制冷+热敏电阻PTC制热的方式。PTC制热由电能直接转化为热能，性能系数COP＜1，能耗大。热泵空调系统通过逆卡诺循环能实现集制冷、制热一体的功能，制热效率更高（COP＞2.0），能够很大程度上降低系统电能消耗，进而提升续航里程。
国外品牌车型使用热泵空调较早，在乘用车上应用技术相对成熟。国际一级汽车系统部件供应商电装、法雷奥、翰昂、马勒、博世等纷纷推出热泵空调系统解决方案。国内品牌主要在电动客车领域发力，上海加冷松芝研发了低温变频热泵系统，在国内知名客车厂整车中得到广泛应用；零部件厂商奥特佳电动涡旋式压缩机国内市场占有率30%，三花智控已完成除压缩机外零部件全覆盖。但总体来说，国内目前主要还是以零部件配套为主，缺少系统的解决方案；整车的热泵系统技术，特别是乘用车热泵系统技术与国外相比还有较大差距。
在热泵空调系统实际应用推广过程中，还面临一些突出的技术难题，主要表现为：1）当环境温度降低时热泵空调制热COP值会显著下降，环境温度过低时甚至无法提供乘员舱所需的制热量。2）热泵空调系统在低温高湿的环境中制热运行时，车外换热器的外表面会结上较厚的霜层，阻碍工质与外界的有效热交换，换热效率显著下降，能耗增大。为解决上述问题，进一步提升热泵空调系统全场景下的能效，特别是低环境温度下制热量、制热能效，国内外车企、高校和科研机构等对车用空调系统各部件开展广泛研究。主要集中在工质替代、高效电动涡旋压缩机、微通道换热器等方面。
2 环保工质替代
工质是在热泵空调系统中进行能量转化与传递的工作流体，其热物理性质对热泵空调系统的制冷/制热能力及可靠性等有着直接影响。目前汽车空调中的工质主要是R134a，另外也有少部分汽车空调系统中使用R407c、R410a、R1234yf和CO2等。
R134a无毒不可燃，传热性能较好，但其沸点比较低（-26.5℃），环境温度降低冷媒的气化量会大幅降低，制热效率下降，低温制热量不足且能耗高，无法满足汽车空调低环境温度下负荷要求；其GWP（1600）值较高，是欧盟和《京都议定书》中限制使用的工质。R407c是是由R32、R125和R134a组成的三元非共沸混合工质，其GWP值为1980；陈言桂等研究发现相比于R134a热泵系统，R407c热泵系统制热时平均COP高27.6%，更适合于低温环境运行。R410a是一种共沸混合工质，GWP值为2340，与R134a相比其低温传热性能更好，缺点是运行压力较高，生产成本较高；格力、比亚迪等在研究并少量使用在汽车空调系统。134a、R407c、R410a这三种主流的汽车空调工质由于其较高的GWP值，已经被限制使用；行业目前可用于替代的环保工质主要有R1234yf、CO2等。
R1234yf（ODP=0，GWP=4）是由霍尼韦尔和杜邦公司联合推出的汽车空调用环保型工质，能满足欧盟法规要求，且热力学性质和传热特性与R134a相似，用于现有R134a汽车空调中，结构改动较小，成本费用低，是目前可替代R134a应用于汽车空调的最佳工质之一；但其与R134a系统相比性能会有10%左右的下降，低温制热时性能下降会更突出。王秋实等将不同混合比例的R1234yf/R134a混合工质应用在汽车热泵空调系统中，COP略低于R134a系统，但差值不超过7%，具有一定可行性。
自然工质CO2（ODP=0，GWP=1）具有低温制热性能好、单位制冷量大等优点，被认为是汽车空调新一代工质的最佳选择之一。德国奔驰在2017年率先推出了搭载CO2空调系统的汽车，丰田、奔驰等也已开始规模应用；法雷奥研发的CO2热泵系统在-15℃下可增加行驶里程15%，在-20℃下可增加行驶里程30%。王丹东等研发的CO2跨临界车用热泵空调系统在-20℃全新风环境下，出风温度可达40.4℃，COP达1.8，低温制热效果优势明显。但CO工质临界温度低（31℃），系统必须工作在跨临界循环（压力＞7.4MPa），运行压力比R134a汽车空调系统高出很多，现有部件无法满足系统可靠性和安全性的要求。
综上所述，目前主流的一些环保型工质热泵空调系统仍处于研发和初步适配阶段，系统效率和安全性有待提高；超临界CO2热泵空调系统具有优异的低温制热性能且结构紧凑，随着相关配套部件如CO2紧凑型微通道换热器、电子膨胀阀、电动压缩机等的研究突破，克服其系统稳定性、安全性等限制因素，有望迎来高速发展。
3高效电动涡旋压缩机技术
电动压缩机是电动汽车热泵空调系统最核心的部件之一，是降低其能耗的主要改善对象。电动涡旋式压缩机凭借结构简单、噪声低、体积小、质量轻、运行平稳及效率高等优势，成为当前电动汽车空调压缩机的主流，在已上市的搭载有热泵空调系统的电动汽车中被大量应用，但在实际应用中仍存在一些问题，导致压缩机低温制热能力衰减较大，无法满足乘员舱需求和系统高效运行。
1）传统涡旋压缩机为单级压缩机，低温工况时，其压缩比增大，排气温度过高，排气量降低，效率和性能系数迅速降低；单级压缩的R134a热泵空调系统在低温环境下（低于-5℃）制热效果衰减严重，在-10℃时基本无法正常工作；补气增焓的准二级/二级压缩热泵（如图1）是通过在压缩机上增加中间补气回路，增大工质流量，能够解决压缩机排气过高、制热量不足、能效低等问题，是当前的主要研究方向。唐景春等设计了R134a电动汽车准双级压缩热泵空调系统，在-7℃环境温度时，相比单级涡旋压缩机，系统的制热量和制热性能系数COP分别提高了8.3%和8.2%。苏之勇等对中压补气压缩的R407C纯电动客车热泵空调系统进行研究发现，在-20℃的低温工况下，相对于不补气系统，中压补气系统的压缩机排气温度降低17.7℃，制热量增加64%，系统COP提高51%。在已经批量生产使用的厂家中，日本电装生产的带闪发器和喷气増焓制冷回路的准二级R134a热泵空调，与非补气增焓热泵系统相比，环境温度-10℃时制热能力提高26%，与
PTC加热相比，环境温度-5℃时节能60%。国内企业奥特佳研发的补气增焓低温热泵系统，通过蒸汽喷射、补气增焓换热等技术，可以在-20℃环境温度下提供4-5kW的制热量，并保持2.0以上的系统运行COP，实现低温环境下的高效制热。
带有补气增焓的压缩机可以有效改善低温环境下单级涡旋压缩机排气温度过热和制热能力低下的问题，但不同的补气形式、补气孔、补气压力等对压缩机效率有较大影响，目前是行业的研究热点，后续还需匹配新型环保冷媒加以进一步研究。
2）涡旋压缩机由于其结构特征，无法实现完全密封；压缩机在吸气、压缩、排气过程中，伴随着工质气体压力、温度的变化，轴向和径向间隙处易产生泄漏，严重影响系统效率。常用的密封方法及技术有油膜密封、密封条密封、背压密封、迷宫密封技术等。
背压密封技术是目前行业研究的热点之一，它是在静涡旋盘上开设背压平衡孔，通过引入压缩气体产生的径向、轴向压力实现端盖与静涡旋盘、静涡旋盘与动涡旋盘等的间隙密封；但背压力的控制是一个难题，特别是变转速工况下背压力的自适应调控和轴向力的平衡问题还不能够很好的解决，背压力过大会导致动、静涡旋盘挤压摩擦加剧，损耗增大，噪音增大、稳定性降低；背压力不足则会导致动、静涡旋盘分离，轴向间隙增大，工质泄漏量增加，性能下降；GennamiH等提出在电动涡旋压缩机的静涡盘上设置泄油通道，通过调节润滑油流量，实现轴向气体力的平衡；刘兴旺等提出转速分区循环供油模式，通过计算不同转速下油路的背压力，实现了在较大转速工况范围下，电动涡旋压缩机背压力的调节。
除此之外，涡旋型线设计及加工技术、油路设计等也是目前行业难点，对涡旋压缩机在热泵工况下运行的可靠性、稳定性和效率有很大影响。
4微通道换热器及除霜技术
换热器是热泵系统与外界进行换热的主要部件，对系统制冷/制热性能有着直接影响。与传统的铜管翅片换热器相比，微通道换热器（如图2，通道直径在0.001mm~1mm）整机换热效率提升30%，体积、重量、冷媒充注量减少50%。经过不断的发展，现如今已广泛应用于汽车空调领域。日本汽车空调制造商电装、三电和我国制造商三花、盾安等都批量生产全铝微通道换热器。三花智控预测全球每年将有500亿以上的换热器市场规模，而目前微通道换热器整体替代率仅有5%左右，市场空间极大。
但其用于热泵空调系统中存在低环境温度下外侧微通道换热器结霜严重的问题，极大的降低了系统性能。对此，行业开展系统性研究，目前主流的解决方案主要有两种。一种是针对内部两相流动换热、换热器表面温度分布规律方向研究，从风速、换热器倾角、翅片、工质分配、表面处理等方面进行结构优化设计；Song等研究表明，换热器倾角对换热系数有较大影响，适当的倾角有利于排水进而减少结霜；巫江虹等发现当微通道换热器被用作蒸发器时，换热器表面温度分布不均对系统性能的影响权重达43.9％，合理的微通道换热器结构设计可以改善气液两相的分配均匀性，更利于系统性能的提升。刘鹿鸣等对微通道换热器进行了亲水和疏水表面处理，结果表明经过亲水表面处理的换热器换热量比原换热器性能提升4%~6%。另一种是对影响室外换热器霜层生长的机理、结霜速率、除霜方法等开展研究，采用高频振动除霜、相变蓄热除霜、加热除霜、热气旁通除霜等方法延缓、消除其表面结霜。但目前单一除霜方法均无法兼顾除霜速度、人员舒适性、除霜效果、高能效；行业内一些学者也在研究热气旁通和逆循环、逆循环和PTC、电池电机余热、蓄能材料等相结合的复合除霜方式，可以有效提升节能效果和舒适。
5结论与展望
电动汽车热泵空调系统有着远高于PTC的制热能效，国外车型搭载经验已超过5年，国内品牌也在不断追赶并取得了一些成果；随着汽车电动化进程的不断推进，人们对车用热泵空调的要求也在不断提升。笔者认为当前和未来的工作重点应主要集中在以下几个方面:
1）热泵空调向环保、全场景节能、极端环境适用性等方面发展；研发新型替代工质、高效热泵空调系统及其部件，如超临界CO2热泵空调、新型高效补气压缩机、高效微通道换热器，解决制热能耗大、能力不足等问题。研发适用于极端环境（极寒、极热、高湿、高盐）等地区的新型热泵空调，提升整车的适用性。
2）热泵空调系统向整车热管理方向发展，满足整车需求，负责电池系统、电机与功率器件等的热管理，保证系统运行在最佳温度区间，提升系统节能效果和可靠性。
3）热泵空调向智能化方向发展，对环境温湿度、车内温湿度、出风温度、电池温度、水温、工质温度和压力、车内CO浓度、PM2.5等进行监控并自适应调控电动执行机构，以实现系统的节能性和舒适性。
随着更优良的环保型工质的应用、压缩机能效的提升、换热器性能、空调管路、系统设计的优化，特别是超临界CO热泵技术的突破，将不断提升电动汽车的环境适用性、舒适性和智能化水平，未来电动汽车用热泵空调将迎来高速发展，成为电动汽车产业发展的重要推动力。
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