【技术】电动汽车热管理热泵空调系统
电动汽车热管理系统主要包括电池热管理系统、电机及其控制器热管理系统、热泵空调系统。
电动汽车的空调系统负责给车内乘员舱提供冷量、热量和通风，以及实现除雾和除霜，确保驾驶员安全驾驶。电动汽车的热泵空调系统由电力驱动，这会大幅度减少电动汽车的行驶里程。低温下热泵系统效率严重下降和车外换热器除霜是目前热泵系统的主要问题。今天我们就来看电动汽车热管理热泵空调系统相关知识内容。
1、热泵系统技术
传统的制热模式是通过PTC加热器来实现的，然而，使用PTC加热器会严重减少电动汽车的行驶里程。ZHANG Z等对两种空调系统（带PTC加热器的单一制冷空调系统和热泵空调系统）在中国30个城市的年度能耗进行了计算。结果表明，除了热带城市，热泵系统可以实现平均41.3%的节能。因此，热泵系统应用在电动汽车上，是很实际也是很有前景的。2013年，李丽等设计了一个最基本的用于电动汽车的可逆蒸汽压缩式热泵空调系统，制冷工质是R134a。制冷模式和制热模式是通过四向阀的转换来实现的。分别在环境温度为35 ℃和-15 ℃做了实验，测得系统的制冷量和制热量分别为2.95 kW、2.63 kW。
考虑到车内除雾和除湿的需求，1996年， IRITANI K和SUZUKI T提出了一种以R134a为制冷剂的电动车热泵系统。可以实现制冷、制热、车内除雾和除湿的功能。系统包含了两个车内换热器（一个蒸发器和一个冷凝器），一个车外换热器。当系统切换至除雾模式时，制冷剂流经3个换热器，车内蒸发器的蒸发制冷过程可以减少空气的相对湿度，达到除雾除湿的目的。结果显示，在环境温度为-10 ℃时，系统的COP可以达到2.3 kW。2014年，QIN F等设计了一种带有3个换热器的蒸汽压缩式热泵系统，研究了其在低温环境下的热性能。基于车内挡风玻璃水汽凝结除雾的需求，在全新风供应和多个低温环境（-20 ℃，-15 ℃，-10 ℃）条件下进行了测试。结果指出，在-20 ℃条件下，最大COP超过了1.7。
在制热模式下，车外换热器被当作蒸发器使用，其表面温度可能会低于0 ℃，这会引起换热器表面结霜或者结冰，从而使换热器的性能急剧下降。李会喜试验研究发现车外换热器结霜会严重降电动汽车热泵系统的热性能，空气通过车外换热器时流量减少了36.7%，制热量会减少大约34.7%，系统的COP降低了31.2%。因此，电动汽车的除霜是必不可少的，应用于电动汽车除霜的方法主要有逆循环法和热气旁通法。逆循环法除霜是通过改变四通换向阀的方向，切换至短暂的制冷模式，车外换热器当作冷凝器使用，从而融化掉换热器表面的霜。李会喜对一台电动汽车用空调热泵系统的除霜过程进行了研究，发现在给定的条件下，使用逆循环的方法，可以在120s内实现全部融化。研究还发现，车外换热器表面未被蒸发的水容易导致二次结冰，这又会降低系统的性能。热气旁通法除霜通常是指将压缩机排气旁通到蒸发器入口处，利用压缩机排出的高温高压制冷剂的潜热来融霜。A. STEINER等对电动汽车热泵系统的热气旁通法除霜进行了研究，加了两个电磁阀，可以实现除霜模式和制热模式的切换。研究表明，在一定的工况下，以结霜和除霜过程的平均COP为优化目标，存在一个最佳的除霜时间点。
上述两种电动汽车常用的除霜方法，各有优缺点。逆循环法除霜，有更高的除霜效率，因为有了温度较高的驾驶舱热源可以用，但是逆循环法除霜过程会引起车内温度的波动。热气旁通法除霜过程中可以同时保证车内制热模式正常地运行。然而，热气旁通法除霜，需要加一个旁通阀，还要考虑到压缩机排气温度升高，需要额外的冷却装置，这增加了系统的复杂性。从节能和可行性来看，在实际运用中逆循环法除霜法更有前景。
电动汽车热泵空调系统的关键问题是，随着温度降低，热泵性能会急剧下降，尤其是对于R134a的热泵系统。王沣浩等指出，空气源热泵在环境温度较低时，会出现压缩机的压缩比增大、排气温度高、制热量不足等问题。因此需要引入其他的辅助措施，提高热泵系统的性能。KIM K Y等研究了一种混合供热系统，将PTC加热器和热泵系统结合起来，用于电动汽车在制热模式下供暖。相比较单一的PTC加热器供热，在满足车内温度20 ℃条件下，混合供暖热泵系统的制热量提高了59%。LI H等将经济器补气增焓技术运用于电动汽车的空气源热泵空调系统，原理图如下图。将压缩机高压侧单独引出一条补气回路，节流后经过经济器与主回路制冷剂换热，然后再喷入压缩机中。补气回路增加了系统的制热量，同时改善了压缩机的排气温度，提高了系统的能源效率。试验结果显示在-20 ℃环境下，COP约为1.5，制热量提升了20%。AHN J H等研发了一种双热源热泵空调系统，并将其应用于电动汽车上。这种双热源是指空气源和电动汽车废热源，工质是R134a。实验结果显示，这种双热源系统比单一空气源或者单一废热源性能更好。然而，当环境温度低于-10 ℃时，这种双热源系统的性能很大程度上要依赖于废热量。作者还指出，可以通过两种单一模式的交替运行来解决极端环境下热源热泵性能低的问题。
图 LI H等人设计的带喷气增焓的热泵系统
双级压缩机的应用可以进一步增加热泵系统的制热量，PITARCH M等人对R744跨临界循环热泵系统的不同方式的双级压缩进行了分析和优化，一种是两个压缩机串联，另一种是两个压缩机并联，原理图如下图所示。
对于第一种，两个压缩机串联的方式，为了降低其高压级压缩机的排气温度，这种热泵系统必须要有中间冷却，中间冷却有两个方式：
一是从低压级压缩机出来的气体先和环境换热之后，再进入高压级压缩机；
二是低压级压缩机的气体和节流后的制冷剂混合后再进入高压级压缩机。将两种方式的双级压缩和R744单级压缩、R134a双级压缩系统做了对比，双级压缩机的COP分别提高了11%和14%。
研究还指出，并联双级压缩更容易实现，但是串联双级压缩系统相比并联压缩系统有更高的COP和更大的工作温度范围。
图 R744双级压缩循环原理图：（a）两压缩机串联，（b）两压缩机并联
2、汽车空调制冷剂
对于汽车空调制冷剂方面的研究，目前R134a是主流的车用空调制冷剂。但是，根据欧盟已通过的含氟温室气体控制法规的要求，自2017年1月1日起，欧盟将禁止新生产的汽车空调使用GWP（全球变暖潜能值）大于150的制冷剂。然而，R134a的GWP大于1 300，因此对于新的车用空调替代制冷剂的研究是非常迫切的。GWP在150以下的能够替代R134a的制冷剂主要有以下两类：一是不饱和氟化烯烃类制冷工质，例如R1234yf、R1234ze等；二是天然制冷工质，例如R744、R717等。
R1234yf具有较好的环保性能，ODP（臭氧耗减潜能值）为0，GWP为４，整个生命周期碳排放量较低，毒性小。其热力性能与R134a相近，因此可以直接应用于目前典型的空调系统。有关R1234yf空调系统的研究表明，用R1234yf的空调系统的COP和制冷量略低于R134a系统。
R744（CO2）的ODP为0，GWP为1，具有无毒、不可燃、来源广泛等优点。此外，在热泵模式，R744有较高的制热量和COP，使得其可以在较低的环境温度和较高的乘员舱送风温度下运行。但是，由于CO2的饱和蒸汽压较高，R744系统需要在高压条件下运转，需要进行跨临界循环，R744系统的工作压力是传统系统的7~10倍。WANG D等研究了寒冷天气下电动汽车R744热泵空调系统的供暖性能。该系统采用电动涡旋压缩机，采用电磁阀来调节超临界区域的制冷剂质量流量和压力。试验结果表明，在室外温度、室内进风口、出风口温度分别为-20 ℃、20 ℃和40 ℃的条件下，该系统的COP能达到1.7。
R717（氨）也是一种环保制冷剂，其ODP和GWP均可忽略，但R717有一定刺激性、毒性和可燃性，若将R717应用到汽车空调系统上，必须要设计回路解决密封和防爆的问题。胡杨等提出了将R717应用到电动汽车空调上，作为R134a的替代制冷剂。研究表明，设计的氨工质电动汽车空调系统的理论COP与R1234yf系统的理论COP相当，二次回路的设计可使得R717比R1234yf更安全可靠。
R1234yf和R134a具有相似的物理性质，因此，R1234yf会成为取代R134a的优先选择。但是，关于R1234yf应用于电动汽车空调系统的研究却略显不足。R744系统在寒冷环境条件下具有出色的供暖性能，也是一个很有前景的选择，但冷却性能却有所不足。目前在车用空调制冷剂领域还没有非常好的替代方案，现有的替代方案需要牺牲系统性能或者经济性来实现，寻求更优秀的替代制冷剂仍将是今后研究重点之一。