电动汽车热泵空调发展概述

郑思宇，魏名山，宋盼盼

(北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081)

发展电动汽车是我国汽车工业产业结构调整与转型升级的重要战略举措[1-4]。续航里程、环境适应性是当前制约电动汽车快速发展的关键因素。空调系统作为电动汽车耗能最大的辅助子系统，其能耗的降低对于提升电动汽车续航能力至关重要[5]。同时，降低空调系统能耗并提高其环境适应能力也是当前全球电动汽车技术的重要发展方向。

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，并且无发动机冷却液提供热量以实现驾乘舱制热。目前，电动汽车空调系统普遍采用的是蒸汽压缩式单冷型空调+电加热装置的空调系统。如图1所示，夏季运行时电池驱动空调压缩机运行以进行车厢制冷，在冬季由电池对风道中的PTC电加热器供电直接加热空气从而达到车厢内制热。电动汽车空调系统的制冷、制热、除霜等所需要的能量全部都由动力电池提供，所以电动汽车的空调系统是电动汽车中能量消耗最大的辅助子系统。电动汽车在夏季制冷工况下续航里程会减少35%～50%[6]，在冬季，由于低温造成动力电池性能下降，而且PTC电加热器的能效较低，因此电动汽车制热时消耗的电能更多，续航里程会下降得更加明显[6-8]。同样，也有文献通过对不同速度、不同行驶状态下汽车空调系统对电动汽车续航里程的影响进行了实验研究，结果表明：在AC系统满负荷运转下，制冷和制热时电动汽车续航里程分别降低了16.7%和50%[7]。

图1 目前电动汽车空调制冷、采暖原理

由于动力电池是纯电动汽车的唯一能源，车用空调系统的使用会极大地影响电动汽车行驶里程。在现有电池技术无法取得突破性提高的情况下，如何在保证乘员舱舒适性的前提下尽量降低车用空调系统对电能的消耗成为了电动汽车空调系统研究的主要目标。所以，低温热泵空调技术的发展应用对于电动汽车提高续航里程和驾乘舒适性以及改善环境适应能力具有重要意义。

1 电动汽车热泵空调系统

车用热泵空调技术的应用研究最早始于20世纪90年代[9]。电动汽车热泵空调在使用过程中会极大地影响电动汽车的行驶里程，且文献[10]指出：目前关于电动汽车热泵空调系统的低温制热研究的环境温度主要是在-5 ℃左右，对于电动汽车热泵空调系统来说，现有的研究重点在于降低空调系统能耗和提高系统的环境适应性。本节将从系统构型、部件设计和工质选型3个方面对现有研究成果进行概述。

1.1 热泵空调的系统构型

传统蒸汽压缩空气源热泵系统构型可以根据工质的压缩次数分为单级压缩式、准二级压缩式、二级压缩式和多级压缩式[11]。由于汽车的承载空间有限，所以车载热泵空调系统主要为单级压缩构型。Suzuki和Katsuya[9]是较早公开发表关于电动汽车热泵空调实验研究的学者，他们选取R134a作为工质，采用单级压缩式热泵空调系统，如图2所示。他们提出的系统采用1个四通阀、2个膨胀阀和若干止回阀来控制系统工质流动，从而实现乘客舱制冷或者制热。在环境温度40 ℃和-10 ℃下分别开展了热泵系统的制冷和制热性能实验。结果表明：热泵系统的制冷量和制热量分别为2.9 kW和2.3 kW，制冷和制热模式下COP分别为2.9和2.3。

图2 Suzuki设计的电动汽车热泵空调系统原理

J.M.Saiz.Jabardo等[12]选用某紧凑型轿车的R134a空调系统搭建了单级压缩热泵空调实验台架，通过建模仿真和试验台实验，研究了系统参数如制冷剂充注量、压缩机转速、蒸发器回风温度和冷凝器进风速度对系统性能的影响。Promme等[13]提出了具备电池-电机热管理功能的热泵空调系统，该系统采用了一种双向储液/膨胀机构，如图3所示。实验结果显示：新型系统在-10 ℃环境下热泵制热量为2.5 kW，相比于采用PTC的系统可节约15%的电能。同时，他们还提出在-10 ℃的环境下，换热器表面会出现结霜现象，影响系统性能。

图3 Promme提出的热泵空调系统结构

国内科研机构自2000年后开始对车用热泵空调系统进行研究[14]，虽然起步相对较迟，但也取得了一定的成果。北京理工大学魏名山教授自2009年开始对R134a工质的单级压缩热泵空调系统展开研究，并且建立了成熟的电动汽车热泵空调实验平台[15]，如图4所示。王智兴[16]为了提高单级压缩热泵空调实验系统在低温环境下的制热能力，基于系统在低温环境下的制热实验数据，建立了热泵空调系统的仿真模型，利用仿真模型研究了系统运行参数、结构参数变化以及使用不同工质时对其低温制热性能的影响情况。刘海彪[17]通过对此单级压缩的电动汽车热泵空调系统实验台架进行改进，研究了不同环境温度下热泵空调系统的制热性能，并通过仿真方法研究了系统部件对电动汽车热泵空调系统制热性能的影响，为系统部件的设计及选型提供了一定的参考。陈凯胜[18]基于此热泵空调实验平台，研究了R134a充注量以及工质种类对系统制热性能的影响。

图4 北京理工大学电动汽车单级压缩热泵空调实验系统

在低温工况下，由于R134a比容过大造成低温制热时压缩机吸入循环工质质量流量大大减少，而且车内外温差过大造成低温制热时压缩机排气温度过高，导致压缩机进行过热保护，热泵空调系统停止运行，所以单级压缩的以R134a为工质的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。在不增大系统体积的前提下，为了提高低温环境下单级压缩系统的制热性能和降低压缩机的排气温度，有学者提出了具有补气增焓功能的准二级压缩系统。补气增焓的准二级压缩热泵通过在压缩机上增加补气口，增大了冷凝器的质量流量，解决了热泵低温运行时吸气比容增大、压缩机效率降低、压缩机排气过高、制热量不足等问题。

Wang Xudong等[19]选择R410a的热泵空调系统，通过实验验证了采用补气增焓技术的准二级压缩系统可以有效降低压缩机的排气温度，增加热泵循环系统的制冷剂流量，从而提高系统性能。在-17.8 ℃的环境下，二级压缩系统的制热量提高了30%，COP提高了20%。许树学等[20]研究了以R32为工质的准二级压缩热泵系统的循环性能，搭建了以 R32为工质的热泵实验系统并进行实验研究。研究结果表明：在冷凝温度为40 ℃，蒸发温度为-10～-5 ℃时，用R32的准二级压缩热泵系统与采用相同工质的单级系统相比，排气温度降低10～20 ℃，并能控制在130 ℃以内，保证了机组的安全运行，并且制热量提高了12%。唐景春等[21]采用补气增焓技术，提出了电动汽车准双级压缩热泵空调系统，并且搭建了电动汽车空调准双级涡旋式压缩机性能测试实验台，如图5所示。在5种不同环境温度条件下进行实验，结果表明：随着环境温度的逐渐升高，热泵系统的制热量和制热性能系数COP逐渐增大，在-7 ℃环境温度时，准双级涡旋压缩机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%。图6为日本电装公司已量产的带补气增焓功能的准二级压缩系统。在2018年北京车展上电装公司展示了带补气功能的准二级压缩热泵空调系统，并且预计在2019—2020年将会替代AC+PTC方案普及在所有日系电动车之上。

图5 电动汽车空调准双级涡旋式压缩机性能测试实验台

图6 电装公司最新采用的热泵空调方案

1.2 热泵空调系统的部件研究

热泵空调系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流机构和连接管路等组成，其关键部件的设计对系统制冷/制热性能以及COP等有着举足轻重的作用。本节对压缩机、换热器的研究进展进行概述。

1.2.1 压缩机的研究现状

压缩机作为热泵空调系统的核心部件，是汽车热泵空调降低能耗的主要改善对象。压缩机从定排量活塞式压缩机向变排量的斜盘式压缩机发展，随着汽车需求的提高，车用涡旋式压缩机也发展迅速[22-24]。涡旋压缩机作为第3代压缩机产品，与第1代往复式压缩机比较，有结构简单、体积小和质量轻的特点。它的主要零部件仅为往复式的1/10，体积减小40%左右，噪声也下降5～8 dB。此外，无气阀等易损件，流体的流动损失也减至最小。转速可在较大范围内调节，且效率变化不大。所以，涡旋压缩机在汽车空调上具有其他压缩机不可替代的优势[25]。德国汉诺威大学曾对往复式、汪克尔式、滑片式、六缸斜盘式、五缸斜盘式、螺杆式、滚动活塞式以及涡旋式等8种车用空调压缩机进行性能比较。图7给出了8种车用空调压缩机性能的比较，从图中可看出：涡旋压缩机转速在4 000 r/min以上时性能明显高于其他类型压缩机[26]。

图7 8种车用空调压缩机性能的比较

常规涡旋式压缩机为单级压缩机，其系统性能受工况影响较大，尤其是处于低温工况时，因其压缩比增大，所以排气温度过高，排气量降低，效率和性能系数迅速降低。2004年，马国远教授等[27-28]提出利用带辅助进气口的涡旋压缩机实现了带经济器的准二级压缩热泵系统，以此来提高空气源热泵在低温工况下的制热性能。补气增焓涡旋式压缩机通过牺牲一部分制冷剂降低剩余制冷剂的焓值，从而提高能效，同时在压缩过程中将牺牲的气体补充回压缩机达到降低排气温度的效果[29]，因此在极端工况下也可以有较好的性能，补气增焓准二级压缩系统流程及其压焓图如图8所示。由于补气增焓压缩机的明显优势，吸引了众多学者对其进行研究。唐景春等[21]针对准双级压缩涡旋压缩机的结构特点，设计电动汽车空调准双级压缩涡旋压缩机性能实验系统，对压缩机进行热泵性能实验研究。实验结果表明：在-7℃环境温度时，准双级涡旋压缩机比单级涡旋压缩机排气温度降低了10 ℃；随着环境温度升高，压缩机排气质量流量逐渐增大，相比单级压缩机，准双级压缩机排气量增大12.9%～17.4%。实验证明，带有补气增焓的压缩机可以有效改善低温环境里单级涡旋压缩机的排气温度过热和制热能力低下的问题。许树学等[30]以R32为工质搭建试验台，通过实验研究了准双级压缩热泵系统的压缩机中间补气压力对系统性能的影响。结果表明：制热性能系数COP随中间压力的增加而降低。综合考虑制热量及制热COP，相对补气压力取值范围为0.9～1.1。张剑飞等[31]也对涡旋压缩机的中间补气技术进行了研究，针对在不同蒸发温度下采用中间补气对涡旋式压缩机的能力、功率、排气温度及能效比的影响进行试验研究与分析。结果显示：与普通涡旋式压缩机相比，带有中间补气功能的压缩机在蒸发温度由-5 ℃到-20 ℃之间变化时，其能力提升15%～30%，能效比提升9%～19%，功耗仅上升约10%。

除实验研究外，对涡旋压缩机的研究很大程度上也依靠数值模拟方法，如文献[32-35]为了分析涡旋压缩机运动机构的动力特性和运动规律，采用三维实体建模和虚拟样机软件对其运动机构进行了三维实体建模，通过仿真，获得了准确的运动学参数曲线，保证了涡旋压缩机设计的正确性和可靠性，提高了整体设计效率和精度。

图8 补气增焓准二级压缩系统流程及其压焓图

1.2.2 换热器的研究现状

车用热泵空调系统中的换热器包括车室外换热器和车室内换热器，是系统与外界环境进行换热的主要场所，因此对系统制冷/制热性能有着直接影响。目前车用空调系统中常用的换热器类型有管翅式、管带式和板翅式等，较新型的则是微通道换热器。微通道换热器作为一种新兴换热器，主要是针对汽车空调提出的，也是目前车用空调换热器的研究热门。在微通道换热器的研究和应用的某些方面还存在问题，如换热器设计、微通道内两相流动换热的机理和流动传热计算、制冷设备中制冷剂和气流的分布、热泵系统的结霜等。针对这些问题，科研人员近年来一直在进行相关研究。

最早进行微通道换热研究的是Tuckeman和Pease，目前微通道换热器的管道材料一般为铜或者铝质，管径为0.5～3 mm[36-37]。文献[38-39]针对平行流换热器分别从材料、体积、质量、管径、管路流程、翅片形式等角度研究其对换热性能的影响。文献[40-44]对工质在平行流换热器中的流动特性进行了研究，建立了空泡系数模型或计算关联式。文献[45-49]利用计算机仿真技术建立了冷凝器或者蒸发器的数学模型，确定了工质在平行流换热器中的质量分布情况、压力温度等的热分布情况、流动和换热关联式，同时研究了模型参数变化对系统热力性能的影响情况。不仅如此，很多学者还通过实验和理论分析研究了翅片形状、分布等对换热器空气侧传热和流动的影响情况。Davenport等[46]和Webb等[50]通过实验发现雷诺数对空气的流动和传热有着重要影响。之后又有许多学者[51-54]分别在不同的实验条件下进行了大量实验，通过对实验数据分析整理，总结了关于换热器外侧空气流动中的摩擦f因子和换热j因子的经验关联式。

目前汽车热泵空调还面临着低温环境制热时换热器表面结霜问题。若热泵空调系统工作处于制热模式，空气中的水蒸气会附着于换热器表面形成霜层。霜层的出现增加了换热热阻同时阻碍了空气的通过，导致换热器及系统的性能下降。国外一些学者针对换热器表面霜层的生长机理、结霜速率、霜层厚度及温度分布规律等分别进行了理论分析和实验研究[55-57]。郭宪民等[58]分析了翅片管表面结霜时对蒸发器传热和阻力特性的影响。姚杨等[59]分析了空气的温度、相对湿度、迎面风速等对霜层形成的影响。李景善等[60]对一台空气源热泵室外换热器表面霜层生长特性及热泵系统动态性能进行了实验研究。黄东等[61]则通过实验研究了翅片类型对热泵空调结霜时系统特性的影响。黄海圣[62]采用数值计算和实验相结合的方法对热泵空调制热模式的车外换热器表面结霜规律进行了研究。

1.3 热泵空调系统的工质研究

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，工质的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。工质(制冷剂)的发展历史已经将近200年，其过程大致可划分为4个历史阶段[63-64]，如图9所示。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和R410a。现在已经有不少汽车知名厂商在电动汽车上尝试安装了热泵空调系统，如奥迪R8 e-tron纯电动版、宝马i3、雷诺汽车Zoe和日产汽车的Leaf。这些车用热泵空调系统都选用常见的低压制冷剂R134a和R1234yf[8]。R134a不含氯离子因而对臭氧层没有破坏作用，传热性能也较好，但其GWP值较高，在《京都议定书》中被列为限制使用的工质。R407c是一种由R32、R125和R134a组成的三元非共沸混合工质，其单位体积热容量较大，冷凝压力、蒸发压力都较高，因其成分中含R134a，二者性能比较接近，也较适合于对现有R134a空调系统的替换改造，缺点是传热性能较差，工质在发生相变时会有5～6 ℃的温度滑移。R410a是一种共沸混合工质，发生相变时的温度滑移较小，优点是低温传热性能好，流动损失较少，缺点是运行压力较高，生产成本也较高[65-68]。表1给出了几种常见制冷剂的主要物性参数。

图9 制冷剂发展的4个历史阶段

表1 几种常见制冷剂的主要性能比较

随着科学的进步，研究表明CFCs、HCFCs的使用会带来严重的臭氧层破坏和温室效应，而HFCs虽然臭氧消耗势(ODP)为零，但具有极高的温室效应值，这3类制冷剂的使用都会对环境带来极大的破坏，因此汽车空调工质的替代问题形势比较紧迫。相比传统制冷剂，CO2具有独特的优势：ODP=0，GWP=1，安全性较高，无毒，不燃；传热性能和流动性高，动力黏度较低；容积制冷量大；导热系数高，热阻小；价格便宜，运行维护成本低廉等。由于CO2蒸发潜能大、容积制冷量高和功力黏度较低，可以极大地减小压缩机的体积和换热器的面积，所以用CO2作为制冷剂的热泵系统结构非常紧凑。前国际制冷学会主席Lorentzen[69]大力提倡使用自然制冷工质，他认为CO2制冷剂很多独特的优势是解决环境问题和提高系统性能的关键，所以引起了全球范围内对CO2的再开发的应用和研究。

挪威科技大学的Lorentzen教授[70]提出了跨临界循环理论，并且首次采用“跨临界”循环系统开发了汽车空调的样机[71-73]。基于Lorentzen教授的理论，世界各国相继从系统构型、系统关键部件和系统控制策略等方面，开展了对CO2制冷剂的基础和应用研究。SAE室内气候控制标准委员会自2001年发起了ARCRP(替代制冷剂共同研究项目)[74-75]，对当时中型车辆使用的R134a基础系统、R134a的改进系统、使用CO2的新型系统以及以R290为工质的二次冷却系统4种候选方案在美国和欧洲的行驶标准下进行了严格的工程评估，结果表明：使用CO2作为制冷剂的系统与R134a系统性能表现相差约30%，但是其蒸发器和气体冷却器的换热面积较小，具有很高的发展潜力。而同时有一些CO2汽车空调的研究结果表明：CO2系统的性能已经与传统的R134a系统相当[76-77]。CO2跨临界循环一旦技术成熟，将对全球汽车行业的发展产生重要的影响。

上海交通大学在2000年左右就已经展开了跨临界CO2汽车热泵空调系统的研究，2002年陈江平、穆景阳等[78-79]根据CO2跨临界循环特点，建立了国内首台CO2临界循环专用的焓差法实验台，并且进行了首台样机的性能测试，其制冷量为4.5 kW，如图7所示。此外，杨涛等[80]为跨临界CO2汽车空调系统建立了动态模型，它可以用来预测压缩机转速、膨胀阀开度、蒸发器和气冷器循环风流量及温度等参数变化时制冷系统的动态反应。王丹东[81]针对目前R134a汽车热泵在低温下制热性能不足的情况，对CO2跨临界热泵空调系统进行了理论分析，并且通过实验验证了系统制热性能与系统高压、室内外环境温度等有关，室内温度对制热COP的影响大于对制热量的影响，而室外温度却相反。也证明了在低温环境下CO2系统在汽车冷启动情况下性能优势较为显著。

2 未来研究展望

热泵技术的特点决定了其在电动汽车空调领域具有很好的应用前景，建议未来的工作重点集中于如下几个方面：

1) 跨临界CO2低温热泵技术。超临界CO2的物理性质决定了其在热泵空调方向具有很大的优势，其在低温环境下的制热性能远优于采用传统制冷剂的系统，并且部件体积更小，系统更为紧凑，所以跨临界CO2热泵空调系统应是未来汽车热泵空调技术的发展方向。

2) 热泵空调与电池热管理的耦合控制。对运行策略进行研究，包括对冷却剂分流比的控制、热力循环控制、系统安全保护等，从而提高整车的能量利用效率。

3) 关键部件设计及密封问题。CO2压缩机和高效气体冷却器以及节流装置的设计尤为重要,一方面要提高部件的效率，另一方面要解决部件的耐高压问题，而且选取的材料不仅要达到系统的要求，还要充分研究其在高压下的寿命周期，确保系统安全可靠[82]。

3 结束语

本文对目前汽车热泵空调技术的发展进行了概述，并从系统构型、部件设计和工质选择三个方面进行了详细的描述。对于电动汽车的能量利用和环境控制角度来说，热泵空调系统将会扮演重要角色。虽然热泵空调理论上具备诸多先天性优势，但是采用空气源热泵替代传统汽车空调仍然存在一些关键基础问题和技术瓶颈。若能继续提高系统性能并且降低系统能效，提高系统的环境适应性，热泵空调系统将会成为未来电动汽车技术中不可或缺的部分。