【技术】新能源汽车热泵系统设计4大重点
随着世界对环保的关注，新能源汽车越来越受到重视。那么，对于新能源汽车而言，汽车空调热泵系统设计有什么特殊的？需要注意什么？设计重点又是什么？我们一起来看。
任何制冷/热泵系统在实际应用前都需要进行最佳的充注量试验。研究表明：
当充注量不足：压缩机会吸气过热度过大，排气温度过高；
当充注量过多：会导致排气压力过高，过热度过小的影响。
对于制冷系统而言，其充注量大致由系统内各个管路及零部件内容积确定。而其具体数值则由不同零部件内单相区的平均密度和两相区的空泡系数有关。张春路对于一个带气分的热泵系统
有研究表明（张春路《一个带气分的热泵系统》）：
在制冷模式下：
超过60%的制冷剂分布在冷凝器中，而蒸发器内的制冷剂由于压力低，体积孔隙率大，而其包含的制冷剂并不多。此外压缩机内，也有相对一部分的制冷剂溶于润滑油中。
制热模式下：
由于室内换热器容积较小，其制冷剂含量占比小于制冷模式。并且气液分离器中制冷剂含量上升明显如下面两图所示。说明在相同的吸排气管路径容积运行下，制热模式充注量不如制冷模式多。但若制热时的高压供液管容积若远大于制冷时或蒸发器内容积远大于冷凝器时，制热模式时的制冷剂容量将比制冷模式时需求的更多。
图 制冷工况下制冷剂在系统内分布
图 制热工况下制冷剂在系统中的分布
然而，对于在冷凝器后布置有储液罐的系统，其中所充注的多余制冷剂将会以液态方式存贮在其内部。并且，随着充注量的不断增大，储液罐中所含制冷剂量将占比也将逐渐增大并与其实际容积有关。由于储液罐以高压液态方式存贮，在系统的充注量试验中将会出现一个明显的压力/过冷度平台。在平台期间，系统的制冷/制热量几乎不变且系统COP最大。
新能源汽车热泵系统中，制冷模式时的蒸发器和相应吸气管路和制热模式时的内部冷凝器管路在相反的模式将会被截止阀截止。因此，在不同模式下所实际需求的制冷剂充注量的差别将增大。
由于储液罐的储液特性，其在制冷及制热模式时的充注量容易出现交叉平台，如下图所示。而对于只有气液分离器的系统，其交叉平台可能会大大缩短甚至没有。此时，需额外考虑管路设计并实现不同模式下的制冷剂充注量平台。
图 制冷模式下某新能源车充注量
图 制热模式下某新能源车充注量
在传统汽车空调中，系统各零部件只需承担单一制冷下的功能且各零部件都会参与进循环过程。而在添加热泵系统的功能后，系统内零部件和管路近似翻倍的增加。不仅大大提升了系统内容积和管路复杂度。在低温工况下，润滑油的粘度随着温度的降低而增大。故在低温环境下，润滑油的粘度过大将造成压缩机的启动困难，运动机构缺少润滑而功耗增大。
此外，现阶段的热泵管路及零部件多受限于各大车企的空间布置。因而，往往会出现不合理的管路走向且缺少类似家用空调中的回油设计。如过小的管径会引起压缩机吸气流阻的迅速增大和排气压力的上升，而过大的管径则会导致制冷剂流速过慢，润滑油回油不良的问题。在此情况下，压缩机的回油会进一步困难从而大大降低了热泵系统的能力及可靠性。另外，气液分离器通常布置与压缩机进口管路，其原本用作系统冷启动时避免制冷剂快速迁移和控制失控时液击损坏压缩机。但同时，也不可避免的将会把一部分润滑油分离其内。因此，气液分离器自身的回油孔设计也是压缩机残油率的影响关键因素之一。
当系统运行时，由于在蒸发器内与润滑油互溶的制冷剂受热蒸发而与润滑油发生分离而造成气液流速的不同而影响回油。特别的当压缩机转速越低，系统内质量流量较小时，对压缩机的回油越不利。
为解决系统压缩机的回油问题，热泵系统可考虑额外添加间歇性的回油策略。比如，在长时间低转速运行后，将压缩机的转速提高，从而通过制冷剂的高速流动将润滑油带回压缩机内。同时，在压缩机的设计上也可设置离心式挡油装置、内部压差回油的油路设计或在压缩机上布置一额外的油分离器。
在热泵工况下，外部换热器需运行在蒸发模式。此时表面温度低于进风露点温度时，换热器表面处于湿工况，换热器表面结露。并且随着环境温度的降低，当其表面温度即低于露点温度又低于水的三相点温度时，空气内的水将会在换热器表面以固态凝结，发生结霜现象。
目前，普遍认为当环境温度介于-12.8 ℃和5.8 ℃，且相对湿度大于67%时，容易表面结霜，姜益强绘制了空气源热泵的理论结霜区。
当室外换热器结霜时，会使换热器自身空气流动阻力增大，风量减小，换热器换热温差增大，压缩机吸排气压差增大，制冷剂质量流量降低。从而导致压缩机耗功增大，供热能力显著降低。更为严重时，将会导致压缩机吸气压力小于环境大气压，压缩机吸入不凝性气体和发生停机保护。
从换热器自身的工艺角度应对凝结水和结霜时，一般采用亲水涂层和疏水涂层的方式。亲水涂层抑霜的机理是由于亲水涂料含有强吸水性物质，能够在结霜初期把凝结在冷表面上的水珠吸附到由涂料制成的亲水涂层内部，同时涂层内含有能降低水冰点的物质，使吸附到内部的水珠不发生冻结。此外，与普通铝箔相比，亲水铝箔表面残留化霜水的蒸干率明显快于不同铝箔，即使出现结霜现象，亲水换热器表面的霜层更容易在除霜过程中被完全除掉，而普通铝箔表面的残留水珠容易进入相邻的结霜循环，从而形式二次结霜。
此外，还应通过抑制结霜和快速化霜的逻辑以解决此问题。当换热器表面结霜时，理应快速判断并尽快开始除霜。常规的除霜监控方式有定时除霜控制法，温度-时间除霜控制法，内，外双传感器除霜控制法、温差-时间除霜控制法、空气压差除霜控制法、风机电流和蒸发温度联合控制除霜法、模糊智能控制除霜法等。目前，在电动汽车热泵系统中常用的方法主要结合传感器的室外双传感器除霜控制方法——即检测室外环境温度和蒸发温度的两者之差作为除霜判断依据。但这种方式无法考虑湿度的影响。同时，由于车辆行驶工况的复杂，在不同行驶速度下和冷却风扇功率的下迎面风速也一直变化。此时，需要经过多次的标定作为除霜的判断依据。
图 理想的除霜控制过程
而对于除霜工作模式而言，可通过逆循环除霜法，热气旁通法，显热除霜等实现。逆循环化霜法即系统从原来的热泵模式切换为制冷模式。从能量分析来看，该化霜方法利用的能源主要来源与乘客舱内。会对乘员舱的温度造成较大的波动。同时，阀等机构的快速变化也会导致系统压力发生巨大的波动而产生噪声。热气旁通法，与显热除霜法皆是在系统内额外布置旁通管路将一部分制冷剂气体引入电磁阀或电子膨胀阀前，从而把高压或节流后的低压气体直接引入室外蒸发器内融霜后进入压缩机再次循环。
武卫东等经电动汽车热泵的除霜试验研究得出，与传统的逆循环相比热气旁通除霜法与显热除霜法时的高低压波动小于逆循环除霜。同时，系统融霜阶段的压焓图如下图所示，压缩机排气压力最高的为显热除霜法，其次为逆循环除霜法，最低的为热气旁通除霜法。最后比较得出，高压除霜耗时最短，最节能。而显热除霜下耗时最长，且耗能较多。
图 3种除霜循环下的系统理论压焓图
但也有学者提出，在热气旁通的融霜阶段，吸气过热度一直维持在0℃，导致排气过热度不断降低，融霜后的制冷剂液体进入气液分离器。因此，这将会危及压缩机的安全。
制冷系统的节流装置有毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等。电子膨胀阀相比热力膨胀阀有着控制偏差小，流量调节范围更大，允许负荷变化大等优良特性，十分符合空气源热泵系统对于全年广范温区下的系统控制要求。基于其灵活可调性，电子膨胀阀通过不同的反馈信号可实现制冷循环的过热度控制，过冷度控制和压缩机排气过热度（或排气温度）控制。
对于新能源汽车热泵系统而言，在不同的设计方案下，系统所需实现的控制方式不同。当系统中只能布置储液罐时，为了避免压缩机进口吸入大量制冷剂发生液击，系统需要控制合适的蒸发侧换热器的过热度。而当系统中，只能布置气液分离器且把其作为低压储液器时，蒸发器出口过热度为零。因此，此时的电子膨胀阀不能以蒸发器出口参数进行调节，只能通过系统内冷凝器侧的过冷度和排气温度来侧面控制整个系统的流量。