汽车蒸发器 汽车空调采暖系统及性能试验解析(2)

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热泵系统

电动汽车因其节能和环保的优势受到了越来越多的关注，代表了未来汽车的发展方向。纯电动汽车空调系统制冷、供暖和除霜所需能量均来自整车动力电池，是电动汽车功耗的最大辅助子系统。电动汽车没有发动机余热作为供暖热源，需自身具有供暖功能，能够制冷制热双向运行的热泵型空调系统为汽车空调系统的设计提供了新的技术思路。

1）热泵系统的原理

热泵是利用少量高品位能源使热量由低温热源流向高温热源的装置。

制冷模式时，低温低压的气态制冷剂在压缩机内被压缩成高温高压状态，制冷剂通过四通换向阀， 流入外部换热器，向环境放热，变为高压液态流过储液干燥器，除去水分和杂质，经过膨胀阀变成低温低压气液混合态，最后经内部换热器从车室内吸热变为低温低压气态并进入下一个循环，实现制冷功能。

制热模式时，低温低压的气态制冷剂在压缩机内被压缩成高温高压状态，制冷剂通过四通换向阀改变流动方向，流入内部换热器，向车室内空气放热，变为高压液态，然后了流过储液干燥器，除去水分和杂质，再经过膨胀阀转变为低温低压气液混合态，最后经过外部换热器从室外吸热变为低温低压气态并进入下一个循环，实现制热功能。

热泵系统在制热时制热系数（COP）为：

COP=qc/w=(h2-h3)/(h2-h1)

在电动汽车中，可利用电能将环境中的热量送入车室内，得到的热量为消耗的电能与吸收的低位热能之和，因此其能效比大于1。

2）热泵系统的结构（以宝马i3为例）

热泵系统的主要元件有热泵控制器、制冷剂温度传感器和压力-温度传感器、制冷剂截止阀、电控膨胀阀（EXV）、储液干燥器、热泵换热器等组成。

A. 热泵控制器

热泵控制器根据传感器数值执行指令，模拟通道评估制冷剂温度传感器和制冷剂压力-温度传感器信号，控制制冷剂截止阀和制冷剂电控膨胀阀（EXV）等执行器。

B.制冷剂温度传感器和压力-温度传感器

热泵的空调制冷剂管路上有三个温度传感器，两个压力-温度传感器，用于把制冷剂温度和压力值传递给热泵控制器。安装位置如下图所示。

C. 制冷剂截止阀

管路上的四个制冷剂截止阀用于控制制冷剂回路，开关阀门可以引起制冷剂在冷凝器和蒸发器中的不同流向，导致热泵有制冷、加热和混合三种不同的运转模式。制冷剂截止阀只能全开或全关，其中三个阀门在断电时打开，另一个阀门在断电时关闭。在热泵的加热模式，关闭的阀门打开，使制冷剂从冷凝器通过储液干燥器流回电动压缩机。

D. 电控膨胀阀（EXV）

由于使用了热泵，高电压蓄电池冷却回路中的热控膨胀阀(TXV)和组合的膨胀截止阀(ETXV)被三个电控膨胀阀(EXV)取代。这三个阀使用步进电机在0~100%之间控制制冷剂管路。

E. 储液干燥器

带热泵的储液干燥器要满足空调压缩机的进气要求，同时储存润滑用冷冻机油。作为储存罐，储液干燥器能够补偿压缩机长期运转缓慢减少的制冷剂，保证热泵回路的正常工作。

F. 热泵换热器

热泵换热器将高温高压制冷剂的热量传递给暖风加热管路流动的冷却液。

3）热泵系统的应用

当前适用于纯电动汽车的空调系统主要有：电动压缩机驱动制冷与PTC电加热结合的空气调节系统、热电空调系统及热泵空调系统等。因为能效比高、环保等优点，热泵空调技术已经成为未来纯电动汽车乃至新能源汽车的主要研究方向和发展趋势。对于车用热泵空调系统，采用的技术路线主要包括R134a热泵空调系统、CO2热泵空调系统、太阳能辅助热泵空调系统和电加热器混合空调系统。其中比较成熟的技术是R134a热泵空调技术和CO2热泵空调系统。

A. R134a热泵空调系统

下图是独立式电动压缩机驱动形式的热泵空调系统，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。该系统以自然空气为热源，在车内同时安装有冷凝器和蒸发器，通过四通阀等部件进行控制以实现制冷器在车舱内外的双向循环，从而达到制冷、供暖、除霜等功能。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。此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且车内湿度较大时由车内空气再循环引起的结霜问题。

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