车载热泵技术详解
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更新时间: 2024/08/16

一、燃油车载空调与新能源车载空调区别

燃油车载空调的动力来源是发动机,燃油车载利用发动机推动发电机组给电瓶充电。电瓶供电给空调压缩机工作,实现对冷媒的做功,进而达到制冷效果。另一方面,由于发动机在运行过程中会产生余热,燃油车载可以充分利用这部分热量,加热冷却液,实现车内供暖。


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新能源车载空调的动力来源是电池,新能源车载空调由电池驱动,通过 DCDC 将电池的高压直流电转为低压直流电,进而将电量供给电动压缩机或其他空调零部件,保证空调零部件运转。经低压转化的电流给电动压缩机提供动力,对冷媒进行做功,进而达到制冷效果。另一方面,新能源车载由于缺少发动机,在制热模式下,无法利用车辆运行产生的余热,因此需要自行产生热量或借助外界的热量转换,实现车内供暖。


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(一)制冷工作区别

燃油车载空调制冷系统和暖风系统工作运行是较为独立的,空调压缩机将气体制冷剂加压,高温高压气体流入冷凝器被液化放热,液态冷媒流经储液干燥器进行过滤干燥,膨胀阀将液态冷媒雾化,喷入蒸发器,蒸发器使冷媒吸热汽化蒸发,蒸发器周围空气降温,鼓风机将蒸发器周围冷气吹入车内,制冷剂再次流入空调压缩机经过以上过程。

新能源空调车制冷模式下,其工作原理与燃油车载空调相似,主要区别在于制冷过程由电动压缩机带动。电动压缩机将气态冷媒进行高压压缩,高压气态冷媒经过四通换向阀后,流入车外换热器液化放热,液态制冷剂流经干燥器过滤杂质,电子膨胀阀将制冷剂雾化,车内换热器将雾化制冷剂吸热蒸发,降低蒸发器周围空气温度,鼓风机将蒸发器周围冷气吹入车内,制冷剂再次进人电动压缩机循环以上过程。

(二)制热工作原理区别

燃油车载空调暖风系统相比制冷系统工作原理更为简单,燃油车载利用发动机余热,对发动机冷却水进行加热。温度较高的冷却水流经加热器芯时,通过加热器芯的散热片将热量传递给空气,鼓风机送风将热量带入车内。

新能源车载热泵空调制热工作原理与制冷模式相似,主要区别在于制冷剂的流向。电动压缩机对气态冷媒进行高压压缩,高压气态冷媒经过四通换向阀后,流入车内换热器液化放热,加热车内换热器周围空气,鼓风机送风将车内换热器周围热量带入车内,液态制冷剂继续流经储液干燥器过滤杂质,电子膨胀阀将制冷剂雾化,车外换热器从车外吸热,将雾化制冷剂蒸发,气态制冷剂再次流入电动压缩机,经历以上循环过程。

新能源车载空调 PTC 加热系统分为水暖加热和风暖加热两种模式,两种模式工作原理相似。以 PTC水暖加热模式为例,第一步,电子水泵作为动力源,推动循环水进入储液罐。第二步,循环水进入诸液罐存储,在此处平衡空调系统压强。第三步,循环水流入 PTC 加热系统,迅速升温。第四步,高温循环水进入暖风芯体实现换热。第五步,鼓风机将暖风芯体周围热空气吹入车内实现制热,循环水再次流入电动水泵。

二、热泵空调与PTC空调区别

热泵空调是未来新能源车载空调系统的发展趋势。热泵空调与 PTC 空调相比差别主要体现在:工作原理不同,主要零部件构成不同,成本不同,能耗不同,低温制热效率不同等。

从制冷模式看,新能源车载空调电动压缩机和电子膨胀阀替代燃油车载空调压缩机和热力膨胀阀。从制热模式看,新能源车载空调分为热泵和 PTC 两种技术路线,分别利用热量交换和电力转换为热量实现供热,具体区别如下:

1.新能源车载热泵空调系统制冷和制热模式融为一体,通过四通换向阀可以进行冷暖模式的切换;新能源车载 PTC 空调和燃油车载空调制冷和制热系统较为独立;

2.制冷零部件不同,新能源车载空调系统用电动压缩机取代了燃油车载空调系统的空调压缩机,新能源车载空调内用电子膨胀阀替代燃油车载空调的热力膨胀阀。

3.制热原理不同,新能源车载热泵空调制热模式下,电池带动电动压缩机对制冷剂进行处理,通过车内换热器与制冷剂进行热量交换,实现车内供热。新能源车载 PTC 空调制热模型下,电动水泵将循环水推入 PTC 进行加热,高温水通过暖风芯体将热量传递给空气,实现供热。燃油车载空调发动机通过将余热传递给冷却水,通过加热器芯将热量传递给空气,最后鼓风机将暖风吹入车内。

4.制热零部件不同,新能源车载热泵空调在制冷零部件的基础上,通过增加四通换向阀实现制冷制热模式切换,而新能源车载 PTC 空调或燃油车载空调的制热系统需要重新设计。新能源车载 PTC 空调的制冷系统和制热系统较为独立,与热空调制热系统相比,零部件少了换热器和电动压缩机,增加了 PTC 加热器。燃油车载空调制热系统主要零部件包括加热器芯、管道和鼓风机。

三、热泵空调组成及原理

(一)系统组成

用于电动汽车上的热泵空调系统主要由压缩机、换热器(包括冷凝器和蒸发器)、节流机构、四通换向阀等构件组成,按下图所示的顺序用空调软管依次连接。为了提高热泵空调系统的性能,还需要在系统中的适当位置设置一些辅助构件,如换热器风扇、单向阀、储液干燥器等。


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压缩机作为热泵空调系统中管道内部工质循环流动的动力来源,保证了系统处于连续不断的流动循环,对系统的能耗、COP 值等参数有重要的影响。

换热器是工质与外界环境进行换热的主要场所,工质在其中发生相变,对热泵系统的性能和模拟乘员舱的温度有直接的影响。

节流机构可以进一步降低中温高压液态工质的温度和压力,使其变为低温低压的雾状,为工质在蒸发器中蒸发吸热提供了条件。

四通换向阀可以改变工质的流动方向,使热泵空调系统在制冷模式与制热模式之间迅速转换。

储液干燥器可以除去管路中工质的水分及杂质,以防脏堵和冰堵等现象的发生。

热泵空调制冷剂是实现对车内温度调节的媒介,通过改变制冷剂温度,即放热或吸热过程,实现对车内环境热量的吸收或释放。目前热泵空调制冷剂主要包括 R-134a、R-1234yf以及 R744( CO2),R-134a 制冷剂由于温室效应较强被逐步淘汰,CO2 未来有望成为热泵空调主流制冷剂。

换热器风扇能提高换热器空气侧的传热系数。


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(二)工作原理

当电动汽车热泵空调系统处于制热模式下工作:

四通换向阀通电,管道内部工质的流动方向上图中的带箭头的实线所示。在压缩机的抽吸作用下,位于模拟乘员舱外换热器中的低温低压气态工质通过四通换向阀的一个通道进入压缩机,经压缩后变为高温高压的过热气体通过四通换向阀的另一通道进入位于模拟乘员舱内的换热器中。工质流过模拟乘员舱内的换热器时发生冷凝,通过管壁和翅片向模拟乘员舱内的环境传递热量,从而提高模拟乘员舱内的环境温度,与此同时,工质变为中温高压的过冷液体。接着工质流过节流孔管,其温度和压力进一步降低,变为低温低压的气液混合物进入模拟乘员舱外的换热器中,工质在其中蒸发,通过片和管壁从环境中吸收热量,从而实现了将环境中的热量带到热泵系统中,与此同时,工质变为低温低压的过热气体。由此可知,在压缩机的作用下,热泵空调系统中的工质源源不断的流动,从而使热能连续不断的输送到模拟乘员舱内。

当热泵空调系统处于制冷模式下工作时,四通换向阀断电,管道内部工质的流动方向如上图中带箭头的虚线所示。首先低温低压的气液混合态工质在位于模拟乘员舱内的换热器中蒸发,通过换热器的管壁和翅片从模拟乘员舱内的环境中吸收热量,从而降低了模拟乘员舱内的环境温度,与此同时,工质变为低温低压的气态。接着在压缩机的抽吸作用下,位于模拟乘员舱内换热器中的工质经过四通换向阀的一通道被吸入压缩机中,经压缩后变为高温高压的过热气体,通过四通换向阀的另一通道进入位于模拟乘员舱外的换热器中。工质流过该换热器时发生相变冷凝放热,通过管壁和翅片将工质携带的热量散失到环境中,变为中温高压的过冷液体。最后工质通过节流机构后变为低温低压的雾状,进入位于模拟乘员舱内的换热器中。在压缩机的作用下,空调系统管道内的工质连续不断的流动,从而实现了连续的制冷循环。

四、大众ID4 CROZZ CO2 热泵系统

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大众汽车已率先搭载二氧化碳热泵,例如一汽大众 ID4 CROZZ 全球首个搭载了二氧化碳热泵,续航历程最高提升30%,相比普通的热泵空调系统在-15 摄氏度会存在较大的使用问题,二氧化碳热泵空调可以在-30 摄氏度持续工作。其结构设计延用了普通热泵的结构,但是由于二氧化碳热泵运行压力较大,需要使用耐高压零部件,例如使用耐高压管路、耐高压电子膨胀阀、耐高压的空气压缩机等。以大众的 ID.4 二氧化碳热泵空调为例,其架构主要采用直冷/直热架构,制冷蒸发器与热泵冷凝器直接进入乘员舱,并采用电磁阀和双向电子膨胀阀的组合方式对制冷剂回路进行控制。

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二氧化碳热泵与普通热泵的主要区别在于热泵系统所使用的冷媒。目前热泵空调使用的冷媒主要包括 R-134a、R-1234yf 以及 R744(二氧化碳),其中 R134a 会加剧温室效,R-1234vf环境更友好,但制冷效果弱于 R-134a,而 R744 属于自然产生的一种气体,无毒无害,单位制冷量是 R1234yf型制冷剂的9倍左右(为 22600KJ/m:),可大幅提高热泵的换热效率。二氧化碳热泵低温制热效果更佳,可提高车辆冬季行驶里程。二氧化碳热泵空调在低温下比 R1234yf 型热泵能源利用率更高,以更少的耗电量达到相同的制热效果,进而增加新能源车载的行驶里程。


注:文章中引用数据和图片来源网络