新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)探討

摘 要：隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)深入推進(jìn)，不僅推動(dòng)了空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展步伐，并且使用效益更加顯著。新能源汽車應(yīng)用的空調(diào)系統(tǒng)主要包括余熱利用空調(diào)與熱泵式空調(diào)系統(tǒng)兩種，無論是在壓縮機(jī)類型上，還是在制冷制熱系統(tǒng)形式上，以及蒸發(fā)器、冷凝器等方面，都存在較大差異。但對(duì)空調(diào)系統(tǒng)安全性、可靠性等方面的追求都是不變的，以確保駕駛室舒適度與穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；空調(diào)系統(tǒng)；熱泵

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.016

新能源汽車項(xiàng)目起步晚，且發(fā)展處于摸索實(shí)踐階段，整車結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)仍有較大的完善空間。尤其是空調(diào)技術(shù)發(fā)展仍面臨著電池造價(jià)高、設(shè)計(jì)工藝水平低、電池過熱，以及內(nèi)部零件碰撞等問題，尤其是在高速行駛中，以此對(duì)空調(diào)裝置結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)性能提出了更高的要求。空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展勢(shì)必會(huì)帶動(dòng)項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，但目前首要的是攻克電池瓶頸，加大燃料電池，以及電動(dòng)壓縮機(jī)研發(fā)力度，利用新型環(huán)保制冷，能夠進(jìn)一步推動(dòng)汽車工業(yè)改革。

1 新能源車空調(diào)系統(tǒng)分析

1.1 燃料電池余熱利用空調(diào)系統(tǒng)

燃料電池發(fā)電裝置能夠?qū)⒒瘜W(xué)能有效轉(zhuǎn)換為電能，借助燃料與氧化劑實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化效率高，其余轉(zhuǎn)化為廢熱與溫水、蒸汽。燃料電池屬于動(dòng)力源，利用能源效率比常規(guī)內(nèi)燃機(jī)高，但燃料電池出現(xiàn)過熱后，其性能、工作效率直接降低。對(duì)此，利用余熱為車輛供暖，其經(jīng)濟(jì)性、能量利用率明顯優(yōu)化。綜合考慮能源供應(yīng)與性價(jià)比、生態(tài)環(huán)保等因素，研究結(jié)果表明氫是首選燃料。電解質(zhì)種類多樣，可分為熔融碳酸鹽類，以及固體氧化物類等，其中質(zhì)子交換膜燃料電池，工作電流相對(duì)較大，能量效率高，且可在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)完成冷啟動(dòng)，排出近80℃的廢熱，多以吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)為主，熱泵啟動(dòng)熱源，以燃料電池冷卻液為主。對(duì)此，吸收式熱泵發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率消耗低，熔液泵需消耗部分電能。同時(shí)吸收式熱泵，其總需求電能相比壓縮式熱泵高。為滿足城市公交與大巴空調(diào)制冷需求，加強(qiáng)了對(duì)吸收式制冷系統(tǒng)的創(chuàng)新，制冷劑以乙二醇和水為主，吸收劑以溴化鋰為主，吸收式制冷系統(tǒng)熱動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，主要通過熱管理系統(tǒng)主管熱器，與制冷系統(tǒng)發(fā)生器的熱交換實(shí)現(xiàn)。主換熱器上設(shè)置旁通支路，并連接變頻水泵，當(dāng)燃料電池?zé)崃窟^高，且由空調(diào)制冷需求時(shí)，熱量能從旁通支路給予，確保燃料電池始終保持適宜溫度工況。同時(shí)電池輔助器與吸收器等電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)器件的冷卻系統(tǒng)相同，車外風(fēng)冷式換熱器與冷卻系統(tǒng)相通。燃料電池供暖系統(tǒng)的工作過程如下，截止閥打開后，使電池發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作狀態(tài)，控制電池散熱器，通過中間換熱器，實(shí)現(xiàn)冷卻液從發(fā)動(dòng)機(jī)出口處流至進(jìn)口處，由換熱器熱能沿著供暖管路持續(xù)向車內(nèi)提供熱風(fēng)。

1.2 熱泵式空調(diào)系統(tǒng)

熱泵式壓縮機(jī)是由獨(dú)立式電機(jī)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以及電動(dòng)壓縮機(jī)是由電池組供電，不會(huì)影響汽車運(yùn)行安全性，同時(shí)也不會(huì)受到汽車運(yùn)行的干擾。熱泵式空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用后，從車內(nèi)頂部吸入新鮮空氣，空氣加熱后，在擋風(fēng)玻璃內(nèi)完成除霜處理，并吹出熱氣，即在內(nèi)部處理后由風(fēng)道左右兩側(cè)吹出。不僅節(jié)省能耗，同時(shí)解決了車內(nèi)濕度大，空氣循環(huán)起霜等問題，確保汽車行駛安全性及舒適性。電動(dòng)汽車熱泵式空調(diào)系統(tǒng)由蒸發(fā)器完成除霜工作，由冷凝器提高空氣溫度，最后向車內(nèi)提供熱氣，規(guī)避了結(jié)霜現(xiàn)象，不會(huì)影響汽車安全駕駛。在其基礎(chǔ)上，電子膨脹閥受步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，合理控制閥門開度、制冷劑流量，以及出口空氣溫度等。制冷系統(tǒng)適用于40℃環(huán)境溫度、50%相對(duì)濕度、27℃車室溫度的環(huán)境條件，系統(tǒng)性能方面，1kW能耗，能夠獲取2.9kW制冷量。制熱系統(tǒng)適用于25℃車室溫度、-10℃環(huán)境溫度，系統(tǒng)性能方面，1kW能耗，能夠獲取2.3kW制冷量。

當(dāng)處于低溫工況時(shí)，PTC熱敏電阻可發(fā)揮功用，能夠完成加熱處理，并控制空調(diào)制熱效率，同時(shí)完成除霜工作。PTC加熱裝置，可通過車載蓄電池獲取直流電，安裝離心式風(fēng)機(jī)，或軸流式風(fēng)機(jī)，加強(qiáng)風(fēng)道合理設(shè)計(jì)，可確保PTC發(fā)熱器周圍風(fēng)速均勻，切實(shí)發(fā)揮裝置發(fā)熱性能。PTC元件的消耗功率與進(jìn)出風(fēng)口的風(fēng)速、溫度密切相關(guān)，發(fā)熱量與風(fēng)速呈正相關(guān)。

2 汽車空調(diào)系統(tǒng)比較

傳統(tǒng)汽車空調(diào)的壓縮機(jī)類型，包括往復(fù)式、搖擺式、斜盤式三種。新能源汽車空調(diào)的壓縮機(jī)類型，包括往復(fù)式、旋葉式、渦旋式三種。傳統(tǒng)汽車空調(diào)，其壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，以開啟式為主；新能源汽車，其空調(diào)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，涉及半封閉式，與全封閉式兩種。兩種汽車的蒸發(fā)器與冷凝器類型基本一致，相比普通汽車空調(diào)，新能源汽車空調(diào)制熱系統(tǒng)，除蒸汽壓縮式外，還包括了一種吸收式。尤其是全封閉、渦旋式壓縮機(jī)，制冷系數(shù)大幅度提高，功率與質(zhì)量顯著下降。普通汽車空調(diào)制冷，通過蒸汽壓縮制冷，以冷卻液為制熱熱源，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液處于溫度較高狀態(tài)時(shí)，由系統(tǒng)熱交換器，實(shí)現(xiàn)空氣熱交換，從而實(shí)現(xiàn)車內(nèi)供暖。新能源汽車空調(diào)，以熱泵式、電加熱、燃料電池余熱完成供暖。同時(shí)新能源汽車制冷量，能夠隨時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)，如空氣溫度等，不受車輛行駛影響，且噪聲小，確保了乘客舒適度。而電動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)效率高，且壽命長，噪聲小，發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)傳動(dòng)裝置取消，汽車結(jié)構(gòu)得到簡化。在空調(diào)制冷劑方面，新能源汽車將二氧化碳作為制冷劑，成本低且無毒無害，基于超臨界循環(huán)角度分析，制冷量大，壓縮機(jī)體積小，傳熱性能佳，交換器體積小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)。

3 總結(jié)

新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)汽車既有優(yōu)勢(shì)也存在不足，未來汽車空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展還需加大對(duì)電池過熱、電池循環(huán)壽命等方面的技術(shù)突破，確保電池冷卻系統(tǒng)能夠使電池始終在最佳工況下完成供電等工作。在汽車行駛中，系統(tǒng)不可避免的會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)與沖擊現(xiàn)象，還需加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)零部件氣密性與強(qiáng)度等方面的優(yōu)化研究。

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作者簡介：朱之冬（1990-），男，遼寧撫順人，本科，助理工程師，主要從事整車空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)研究。