新能源汽车空调系统技术应用

　1、概述
能源危机和环境污染日趋严重早已成为全球性的问题，解决良策是采用新能源代替传统化石燃料。传统汽车采用石油作为燃料，为人们提供了方便的同时，对环境也造成了很大的污染。在能源和环境的双重压力下，新能源汽车无疑成为了未来汽车的发展方向。世界各国以及大型汽车制造商已不遗余力地研究新能源汽车的开发并努力实现其产业化，我国对新能源汽车的发展也极为重视。汽车的使用不仅需要环保，也需要满足舒适性的要求，因此，汽车空调系统起着极其重要的作用，与传统汽车空调相比，新能源汽车空调由于能源供应方式不同而存在结构设计上的差别。本文将就新能源汽车空调的发展及其技术现状进行分析和展望。
2、新能源汽车空调系统
新能源汽车与传统汽车最大的不同之处在于能源供应系统，传统汽车采用汽油、天然气以及柴油作为燃料，驱动发动机提供驱动力，因此一般的传统汽车空调系统采用发动机的输出机械功为驱动力，通过离合器的作用带动开启式空调压缩机工作，以实现夏季的制冷作用; 在冬季采用汽车发动机冷却水为热源，对车厢内提供热风加热，实现冬季空调系统的供热。而新能源汽车大多采用电池发电驱动电机的能源系统，因此新能源汽车能源系统可直接输出高质量的电能，不需要离合器动力输出系统来带动压缩机，可直接对压缩机供电。这种工作原理的不同为新能源汽车空调系统设计提供了新的技术思路。根据供电的使用方式和新能源汽车电池系统的发热利用方式，可以把新能源汽车空调系统分成两种类型，一是直接利用电能的热泵式空调系统; 另一种是采用电池发热驱动吸收式制冷系统的空调系统。
2．1 热泵式空调系统
如图1 所示热泵式汽车空调系统，采用独立式电动压缩机驱动形式，压缩机由单独电机驱动，电池组分别向动力系统驱动电机和电动压缩机供电，因此空调系统工作不受汽车整体运行状况的影响。

图1 电动汽车热泵空调系统
该热泵式空调系统为双路空气流动方式，风道由隔板隔开，新鲜空气从上部进入经加热后从挡风玻璃内部表面吹出除霜，内部循环空气则由下部风道导入经加热向乘客脚部吹出。这种方式不仅比传统的全新鲜空气流动方案节省能耗，而且解决了当外界环境温度较低，车内湿度较大时由车内空气再循环引起的结霜问题。
传统热泵空调只有两个热交换器，内部热交换器制冷时作为蒸发器，制热时作为冷凝器。传统系统应用于汽车，在除霜模式转到加热模式时，冷凝在热交换器上的水将立即蒸发而雾化在风挡玻璃，形成结霜现象，不利于汽车的安全驾驶。与传统热泵型空调系统不同，上述电动汽车热泵空调系统的设计可以使空气通过车内蒸发器来除湿，将空气冷却到除霜所需要的温度，再通过车内冷凝器加热，然后将它送到车内，解决了汽车安全驾驶的问题。在除霜模式下，采用由受外部信号控制的步进电机驱动的电子膨胀阀，对阀门开度进行调节，对制冷剂流量进行线性控制，可以有效地控制空气出口温度。上述热泵空调系统性能参数如表1 所示，可见在－ 10℃与40℃之间均有良好的工作性能。

表1 DENSO 电动汽车热泵汽车空调系统性能
该热泵空调系统在冬季低温工况时，可采用PTC 热敏电阻辅助加热，其作用有两个，一是加快冬季汽车空调的制热速度; 二是在环境低温高湿条件下，采用该电加热系统对蒸发器除霜。PTC加热套件所需直流电来自车载蓄电池，在PTC 加热套件处安装轴流式或离心式风机，配合良好的风道设计，使作用到整个PTC 发热器迎风面上的风速均匀，充分发挥PTC 元件的发热能力，PTC发热器的消耗功率和出口风温与风速密切相关，风速增加，发热量增大。PTC 辅助电加热系统的供热效率低，对电能的消耗大，不适合长期使用，也可以采用汽车电池的发热来弥补。
2． 2 燃料电池余热利用空调系统
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，其转化效率高达50% ～ 60%，其余转化为蒸汽、温水及废热。将其作为动力源，实际能源利用效率是普通内燃机的2 ～ 3 倍。燃料电池过热，会导致其工作效率降低，性能恶化，因此采用燃料电池本身的余热给车辆供暖，将大大提高车辆的经济性和能量利用效率，使得燃料电池车辆用能更合理。
相对于甲醇、汽油燃料电池，从车辆设计、成本、效率以及潜在的能源供应和环境效益等方面考虑，氢是燃料电池汽车的首选燃料。燃料电池以电解质的种类区分，有五种类型: 碱性燃料电池( AFC) 、磷酸燃料电池( PAFC) 、熔融碳酸盐燃料电池( MCFC) 、固体氧化物燃料电池( SOFC) 、质子交换膜燃料电池( PEMFC) 。从车辆动力方面考虑，以质子交换膜燃料电池( PEMFC) 最为世界各大车厂所重视，其工作电流大( 1 ～ 4A/cm2，0． 6V) ，比功率高( 0． 1 ～ 0． 2kW/kg) ，比能量大，能量效率高，冷启动时间短( 可以在数秒内实现冷起动) ，正常工作温度60℃ ～ 100℃，室温下具有80%的额定功率，排出的废热约为80℃。
此种燃料电池上的汽车空调可采用吸收式制冷空调系统，利用热源来驱动热泵，其热源可来自燃料电池的冷却水等，所以吸收式热泵不像传统汽车的压缩式空调系统需要耗费发动机输出功，只有溶液泵消耗少量电能，其总需求的电能为压缩式热泵的3%。
以一台小型电动汽车空调系统为例，汽车电池总功率为65kW，其电池转化效率为50%。故其产生电能为32． 5kW，剩余蒸汽、温水、废热等为32． 5kW。利用直接接触式热交换器可回收70%的热能，以最大回收率计算得回收热为22．75kW，利用这些热能驱动溴化锂吸收式制冷系统( COP 约为0． 6 ～ 0． 7 ) ，则其制冷量约为13．6kW。一般小型汽车所需制冷量为5kW，故可获得的制冷量远大于所需制冷量，因此采用吸收式制冷系统可实现新能源汽车空调的制冷要求。

图2 燃料电池吸收式汽车空调系统
图2 为同济大学设计的燃料电池用汽车吸收式制冷空调系统，其中水做制冷剂，溴化锂做吸收剂。燃料电池热管理系统的主换热器与吸收式制冷的发生器中直接热交换作为驱动吸收式制冷系统热动力; 同时主换热器上部接一个带有变频水泵的旁通支路，当燃料电池的热量多于吸收式制冷所需的热量时，通过旁通支路从辅助换热器排出，从而确保燃料电池在允许温度范围内工作; 此系统的冷凝器、吸收器和燃料电池的辅助换热器共用一套冷却系统通至车外的风冷式换热器中。

图3 燃料电池汽车余热供暖系统
图3 所示的燃料电池供暖系统，工作过程为: 打开截止阀，燃料电池发动机启动时，通过控制三通阀旁通燃料电池散热器，冷却液经过中间
换热器从燃料电池发动机出口到进口，通过中间换热器获得的热量通过供暖管路向车厢供暖，其中供暖回路的水泵和风扇采用手动开关控制。当三通阀处的冷却液温度升高到设定值1( 该设定值1 是燃料电池对冷却液温度的限定值) 时，控制三通阀让冷却液流经燃料电池发动机散热器，同时开启燃料电池散热器冷却风扇。当三通阀处的冷却液温度低于设定值2 时，控制三通阀旁通燃料电池发动机散热器。设定值2 是避免三通阀频繁开启而设定的比设定值1 略小的值。上述系统充分利用了燃料电池的能量，并可以为汽车空调系统供热提供了相当的热量。
燃料电池余热利用空调系统体积大，系统较复杂，对汽车整体要求较高，技术不够成熟。但随技术成熟发展，由于其高能量利用率、节能环保等优点，具有良好的发展前景。
2． 3 新能源汽车空调与传统汽车空调的比较
传统汽车空调制冷采用蒸汽压缩制冷循环，制热则是利用发动机冷却液为热源，当发动机冷却液温度较高时，冷却液流过暖风系统中的热交换器，将鼓风机送来的空气与发动机冷液进行热交换，空气加热后被鼓风机通过各出风口送入车内。而新能源汽车空调由于没有发动机余热利用，导致制热方式与传统汽车空调有很大区别。其空调系统主要采用热泵式空调系统配合辅助电加热，燃料电池余热利用空调系统等。
传统汽车空调压缩机多采用开启式，即压缩机主轴的功率输入端伸出机体之外，通过皮带轮与发动机连接。轴伸出机体部位装有轴封，来防止制冷剂外泄。新能源汽车空调系统与之不同，利用电动压缩机提供循环动力，摆脱了发动机的束缚。电动压缩机总成包括电动压缩机和驱动控制器部分。按结构型式可分为分体式和一体式两种: 分体式电动压缩机由上述两个部分分开独立安装使用; 一体式电动压缩机由上述两个部分集成为一体。电动空调通过实现变频控制可有效减少能量消耗，提高系统效率。此外，新能源汽车空调系统制冷量不受汽车行驶速度的影响，更方便精确调节空气温度等各种参数，提高了车内乘客舒适性。采用电动压缩机驱动，噪声较小，使用寿命较长，而且取消了发动机与压缩机的传动装置，减小了汽车结构的复杂性。
当前主流汽车用电动压缩机主要采用涡旋式。有资料表明，采用全封闭涡旋式压缩机，制冷系数可以提高20%左右，功耗可以下降23%左右，质量可以下降30%左右。涡旋压缩机主要以日本三电公司，三菱重工公司和电装公司为主要生产厂，日本电装( DENSO) 公司已研制开发了电动汽车空调用涡旋压缩机，具有良好发展前景。表2 为新能源汽车空调与传统汽车空调的比较。

表2 新能源汽车空调与传统汽车空调比较
3、新能源汽车空调制冷剂
R134a 被广泛用于汽车空调制冷剂，但其GWP 值为1300。自2011 年1 月1 日起，欧盟已禁止在新设计车型上使用GWP ＞ 150 的制冷剂，自2017 年1 月1 日起，在欧盟境内生产和销售的所有新车，将禁止使用GWP ＞ 150 的制冷剂。
目前其替代制冷剂主要有R1234yf 和CO2。R1234yf 其ODP = 0，GWP = 4，具有良好的LCCP，热力性质与R134a 相近。R1234yf 具有毒性低，可燃性弱的特点，其工作压力、制冷量及COP 等参数与R134a 系统相近，图4 为R1234yf与R134a 在汽车空调制冷循环的压焓图比较，可见其正常工况下吸气压力排气压力基本相同，因此用R1234yf 代替R134a 在汽车空调系统结构上仅需做出很小的调整。2011 年4 月7 日，霍尼韦尔公司宣布，R1234yf 制冷剂已获得美国环保署的最终批准，可用于汽车空调系统。
CO2
作为天然制冷剂，ODP = 0，GWP = 1，安全无毒、不燃、成本低廉，无需回收和再生。用作汽车空调系统为超临界循环，具有相当大的单位容积制冷量，可以使压缩机的尺寸减小，流动和传热性能好，减少管道和热交换器尺寸，使系统高效紧凑。德国、日本等国家都已生产装备CO2汽车空调系统的车型。

图4 R1234yf 与R134a 在汽车空调制冷循环的压焓图比较
4、新能源汽车空调发展应注意的问题
新能源汽车空调技术处于发展阶段，这就注定将面临一些问题:
(1) 就目前来说，电池造价高，循环寿命短，能量密度低，设计工艺水平低。新能源汽车空调系统耗电量较大，汽车上其他装置也同样需要电力供应，就有可能产生发动机启动后空调系统无法正常运行等类似技术问题。这就要求在设计空调系统时充分考虑新能源汽车电池容量和空调系统的最大制冷、制热量，做好电池的防泄漏工作，并努力使电池有较低的生产成本和较长的使用周期。
(2) 在汽车运行期间，电池会产生一定的热量，而电池过热势必会对汽车空调系统造成一定的影响，这时就需要电池冷却系统使电池始终保持在最佳工况下进行供电。
(3) 汽车在高速行驶过程中，汽车内各部件会有相应的碰撞，空调系统安装在运动的车辆上，要承受剧烈而频繁的振动与冲击，因此电动汽车空调装置结构中的各个零部件都应具有足够的强度、气密性能。
新能源汽车发展是当前汽车发展的必然趋势，空调系统的技术的跟进是促进新型汽车发展的必要因素。从目前的研究来看，电池依旧是制
约新能源发展的最大瓶颈，实现对电动压缩机及电池方面的技术突破，采用新型环保制冷剂，相信最终能够迎来汽车工业的根本性变革时代。