热泵型电动汽车空调系统性能试验研究
1.1 研究背景及意义
目前，随着人类越来越多的使用燃油汽车，汽车尾气排放出的二氧化碳加剧了全球
气候极端变化。我国的石油资源的探明储量极其有限，早在2009 年，石油消费进口依
存度就突破了“国际警戒线”（50%），高达52%。汽车保有量却是逐年增加，如果
汽车几乎完全依赖于化石燃料，很容易受到国际石油价格的冲击，甚至导致燃料的供应
中断。再者，燃油汽车的尾气排放出大量的污染物如PM10（可吸入颗粒物）、NOx（氮
氧化物）、SO2（二氧化硫）和VOCs（挥发性有机化合物）等，已经成为我国城市大
气污染的主要污染源，严重危害了人们的健康。纯电动汽车是以电能驱动的，具有燃
油汽车无法比拟的优点，主要表现在：一、污染少、噪声低。其本身不排放污染大气
的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著
减少，且电动汽车电动机的发出的噪声较燃油汽车发动机小得多；二、能源的利用具有
多元化，电力可以从多种一次能源如煤、核能、水力、太阳能、风能、潮汐能等获得，
能源利用更加安全；三、可在夜间利用电网的廉价“谷电”进行充电，起到平抑电网的
峰谷差的作用；四、效率更高和控制更容易实现智能化。
作为一种具有环保和节能优势的先进交通工具，电动汽车受到了越来越广泛的关注。美、日、欧等发达国家不惜投入巨资进行电动汽车的研究开发，取得了丰硕的研究成果，纯电动汽车目前在许多发达国家已得到商业化的应用。我国电动汽车发展起步
较晚，但国家从维护能源安全，改善大气环境，提高汽车工业竞争力和实现我国汽车工
业的跨越式发展的战略高度考虑，从“八五”开始到现在，电动汽车研究一直是国家计
划项目，并在2001 年设立了“电动汽车重大科技专项”，通过组织企业、高校和科研
机构，集中各方面力量进行技术攻关。与此同时，上海、广州和深圳等地的地方政
府也出台了相应的扶持新能源汽车的发展政策，计划实现电动汽车在本地的产业化。
电动汽车代表未来汽车发展的方向，各国政策的扶持为电动汽车的发展铺平了道
路，近年来，它们在全世界范围内呈现出欣欣向荣的的发展态势，据国外著名金融杂志
JP Morgan 报道，预计到2020 年全球将有1100 万辆电动汽车上市销售，这意味着到那时电动汽车将分别占有北美20%和全球13%的市场份额，但目前电动汽车的发展遇到
很多技术问题，特别动力电池技术，续驶里程的提高和充电网络的建设等问题。
空调系统作为改善驾驶员工作条件、提高工作效率、提高汽车安全性及为乘员营造
健康舒适的乘车环境的重要手段，对燃油汽车和电动汽车而言，都是必不可少的。电
动汽车用空调系统与普通的汽车（内燃机驱动）空调相比，由于原动机不同而引发一系
列新变化。主要体现在：1）普通的汽车空调系统的压缩机依靠发动机通过一个电磁离
合器驱动，而电动汽车空调压缩机自带电动机独立驱动；2）电动汽车没有用来采暖的
发动机余热，不能提供作为汽车空调冬天采暖用的热源，必须自身具有供暖的功能，即
要求制冷、制热双向运行的热泵型空调系统。
纯电动汽车空调系统制冷、供暖和除霜所需能量均来自于整车动力电池。作为电动
汽车功耗最大的辅助子系统，空调系统的使用将极大的降低其续驶里程。因而，通过优
化电动汽车空调系统的设计以提高其性能对提高电动汽车续驶里程，推广电动汽车的应
用有着重要意义。
1.2.2 热泵式汽车空调研究现状
汽车空调系统是实现对车厢内空气进行制冷、加热、换气和空气净化的装置。随着
汽车的日益普及以及人们对汽车的舒适性、安全性要求的提高，汽车空调系统已经成为
现代汽车上必不可少的装置。汽车空调工作环境的特殊性如需要承受频繁的震动和冲
击，空调的热负荷大和汽车结构空间有限等决定的汽车空调在结构、材料、安装、布置、设计、技术要求等方面与普通的室内空调有较大的差别。而对于能源利用效率较高的新
兴代环保电动汽车，它们是否能被用户接受，往往依赖于是否拥有效率更高的采暖和空
调系统。对于汽车空调系统，目前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调节空调系统。
1.2.2.1 R134a 热泵空调系统
众所周知，热泵技术是一项节能技术，它在家用空调系统中的应用已较为成熟，纵
观电动汽车的发展史，采用小型燃油装置作为加热装置的不消耗电能的汽车空调系统，
由于污染环境被淘汰；效率较低的采用半导体制冷和制热的热电空调系统则更无法被
电动汽车所接受，只有热泵型空调系统才是最适合电动汽车的系统。如前文所述，国
内外高校和企业在研究电动汽车的同时，也相应地开展了热泵空调系统的配套研究。由
于传统的燃油汽车车室内冬季采暖一般采用发动机的余热，而汽车行业的核心竞争力在
于产品和技术，因此现有文献中报道电动汽车热泵空调系统的参数的很少，对汽车热泵
空调系统的研究仅仅局限于实验室阶段。
R134a是目前汽车空调系统中广泛使用的一种制冷剂，日本电装公司开发出的一套
R134a热泵空调系统是具有代表性的电动汽车空调系统之一，其在风道中采用了车内冷
凝器和蒸发器的结构，如图1-3所示。制冷工况循环为：由压缩机经四通阀至车外换
热器（此时用作冷凝器），再经电子膨胀阀1、蒸发器回到压缩机。制热及除霜工况循
环为：由压缩机经四通阀至车内冷凝器，再经电子膨胀阀2、车外换热器（此时用作蒸
发器）和电磁阀回到压缩机。当系统以除霜/除湿模式运行时，制冷剂将经过所有3个换
热器。空气通过内部蒸发器来除湿，将空气冷却到除霜所需要的温度，再通过车内冷凝
器加热，然后将它送到车室，解决了汽车安全驾驶的问题。该系统在制冷和制热运
行工况下具有较好的性能：当环境温度为40℃，车室温度为27℃，相对湿度为50%时，
系统的EER达2.9；环境温度为-10℃，车室温度为25℃时，系统制热性能系数达2.3。
文献[26-27]也对汽车热泵空调系统的性能进行了实验研究。Antonijevic和Heckt将开发出热泵空调安装在一辆燃油汽车上，测试其在低温工作环境下的性能，将实验结果与现有燃油汽车的其它供暖形式进行对比发现，采用热泵空调供暖时汽车性能更优，耗油量更少。Hosoz 和Direk对一台R134a热泵型汽车空调在改变室外温度和压缩机转速的条件下进行了性能测试，该台汽车空调的特点是使用四通阀来实现制冷和制热模式的切换，且在制冷和制热运行时，R134a制冷剂分别经过两个热力膨胀阀降压。测试结果表明：系统制冷运行时，各个部件的总的损失随着压缩机转速的增大而增大，切换至制热模式运行时，系统损失率则随压缩机的转速提高而减小；R134a系统制热运行时COP较制冷系统更高，单位质量损失更小，但系统在室外温度较低的情况下制热量是不够的。
1.2.2.2 CO2热泵空调系统
自Perkins于1934年首次开发出蒸汽压缩式制冷循环以来，至今用于制冷与空调系统的制剂达50多种。目前汽车空调中广泛使用的制冷剂是HFC134a（R134a），少部分使用R407C。近年来，世界各国加速了温室气体的减排进，欧盟在2006年通过的禁氟法规定：2011年1月1日起所有新批准型号的汽车放热空调系统将禁止使用含GWP>150的氟化气体制冷剂，从2017年1月1日起所有新出厂车辆的空调系统将禁止使用含有GWP>150的氟化气体制冷剂。R134a 的GWP值高达1300，这就意味着R134a在不久的将来也会被完全淘汰。现在汽车行业正在考虑用CO2、HFO1234yf和R152a三种主要候选物来替代汽车空调系统中的R134a（表1-2所示为四种制冷剂的环境及安全性能比较），其中CO2是一种自然工质，它来源广泛、成本低廉，且安全无毒，不可燃，适应各种润滑油常用机械零部件材料，即便在高温下也不分解成有害气体。自从1992年挪威工业大学的Lorentzen教授提出了二氧化碳跨临界循环理论，制造了第一套二氧化碳空调系统，并得出了与R134a系统相近的性能测试结果之后，二氧化碳再次引起人们的兴趣。
目前国内外研究者对二氧化碳在汽车热泵空调上的应用已进行了大量的研究，并取得了一定的成果。相对而言，国外的研究起步早，研究更深入。在实验研究方面，McEnaney 等人于1999年通过实验比较了两套分别采用CO2和R134a作为制冷剂的相似的汽车空调系统的性能，其中CO2汽车空调系统采用了微通道蒸发器和气冷器，而R134a系统则采用采用传统的管翅式换热器。与管翅式换热器相比，微通道蒸发器的迎风面积增大了20%，微通道气冷器的外形体积和空气侧迎风面积则分别减少23%和28%。实验结果表明在相同的运行工况下，二氧化碳和R134a系统的性能相当。2005年，日本的Tamura等人在改造已有的R134a系统的基础上，设计了一套CO2热泵型汽车空调系统，该热泵系统能够利用车内的辅助换热器收集系统除霜时放出的热量来预热空气。他们还通过对比实验研究发现，在热泵/除霜工况下，CO2系统性能更优。2009年，韩国的Kim等人则为燃料电池汽车设计了一套CO2热泵空调系统，该系统由一台半封闭压缩机、两个微通道冷凝器（制冷用的气冷器和
制热用的小型换热器）、一个微通道蒸发器、一个内部热交换器、一个膨胀阀和一个集气罐组成。他们将散热片（散发燃料电池余热）分别放置在室外侧微通道换热器的迎风侧和背风侧，在不同工况下对该系统进行测试，测试结果表明：制热时，将散热片置于迎风侧以加热室外空气可使系统的制热量和COP分别提高54%和22%，但在系统制冷时，制冷量将减少40%~60%，COP则相应的减少43%-65%。同时他们还发现，压缩机的转速对系统的性能影响较大，压缩机的转速从1460rpm（转每分）增大到2330rpm时，系统的COP减少28%，因为压缩机消耗的功率的增幅远大于系统制冷量的增大幅度；制冷时系统降温时间随车内负荷的增大而增大，车内负荷分别为0kw、1kw和2kw时，从35℃降到20℃的时间分别为8min，26min和30min。在CO2汽车空调系统的开发方面，国外许多著名的企业如日本的Denso （电装），美国的Visteon（伟世通），法国的Valeo（法雷奥）等公司均已研制出二氧化碳汽车空调样机。日本电装公司还专门为电动汽车开发了一套CO2热泵空调系统，系统也采用了在风道内设置2个换热器的方案，与R134a系统（如图1-3所示）不同的是CO2系统各部件的承压均超过10MPa，且制冷模式运行时，制冷剂同时流经内部冷凝器和外部冷凝器。
国内对CO2运用于汽车空调系统的研究起步相对较晚，以上海交通大学的陈江平教授为代表的团队一直致力于二氧化碳汽车空调压缩机、膨胀阀以及系统的设计和优化等的研究工作。2003年，上海交通大学联合Santana（桑塔纳）公司研制出我国第一套CO2汽车空调系统，通过实验发现，该系统与国外同期研制的样机性能差不多。随后，他们又对系统进行了改进，将压缩机、气冷器和蒸发器的尺寸分别减少49%、28%和10%，在系统性能不变的前提下，大大提高了系统紧凑性，但到目前为止，国内还未见热泵型CO2汽车空调系统的相关报道。
综上所述，CO2跨临界循环用于汽车热泵空调系统中不仅具有环保的优势，而且在系统效率方面也有提高的潜力。但相比传统的R134a系统而言，CO2系统排气压力高、成本高且压缩机较为笨重，因而目前对CO2应用于汽车空调系统的研究有所降温。
1.2.2.3 太阳能辅助空调系统
早在1989年，Ingersoll就发现将太阳能电池布置在车顶在为汽车空调系统提供部分能量的同时也大大降低了车厢内的峰值冷负荷。2000年，广东工业大学的陈观生等人设计出一台电动汽车用热泵空调，并探讨了太阳电池在热泵空调系统中应用的可能性。电动汽车热泵空调系统的工作原理如图1-5所示，它与普通的热泵空调系统并无区别，由于在电动车上使用，压缩机具有特殊性，采用了结构简单，性能优良的双工作腔滑片式压缩机。制冷/制热模式运行时，该系统的制冷量/制热量随压缩机转速增加呈线性增长。制冷运行条件下，压缩机转速较低(<1500r/min)时，COP随转速的增大，增长速度较快，当转速增长到一定程度(>2000r/min)后，COP随转速增加而趋于恒定，将太阳能电池布满车顶后，空调系统制冷量的增幅为6%~27%。热电制冷虽然效率太低，难以满足汽车空调的需要，但采用太阳能辅助的方法来实现其在汽车上的应用也是一个较好的选择。Mei等人首次将太阳能辅助热电制冷技术应用于汽车空调系统中，他们发现将太阳能光伏电池板覆盖汽车车顶能够产生225W
的电量，并大大降低车内的峰值负荷.
1.2.2.4 电加热辅助空调系统
电动汽车热泵空调系统在室外环境温度极低的情况下，制热性能会大大降低，往往无法满足车内的热负荷需求，而采用电加热辅助的空调系统则克服了热泵系统的以上缺点。富士重工在“2005年人与车科技展（Pacifico横浜、2005年5月18～20日）”上展出的电动汽车“Subaru R1e”中，采用了电加热辅助空调系统。此外，三菱汽车2009年7月上市的电动汽车“i-MiEV”也采用了电加热器（如图1-6a所示）作为空调的制暖热源。加热器由可用电发热的PTC（Positive Temperature Coefficient）加热器元件、将加热器元件的热量传送至散热剂（冷却水）的散热扇、散热剂流路和控制底板等组成。该电加热器配置在驾驶席和副驾驶席之间的地板下方，通过在其内部的加热原件两侧通入冷却水，提高了制暖性能。
展望
在本文研究基础上，以下几个方面仍然需要进一步研究，以提高系统性能：
1）建立电动汽车空调系统各个部件的仿真模型，并对其进行动态仿真模拟研究用以指导系统优化设计；
2）对微通道蒸发器在热泵工况的结霜性能做更深入的研究，在双层蒸发器的基础上设计出制冷剂均匀分配、压降合理的微通道蒸发器，以期获得高效换热；
3）强化R407C 系统的压缩机、换热器、膨胀阀的匹配问题以及系统控制策略研究等。
电动汽车空调系统 、电动汽车空调系统 全球气候变暖、大气污染以及能源成本高涨等问题日趋严峻，汽车作为环境污染和能源消耗的主要来源之一，其节能减排问题受到了越来越广泛的重视，各国政府和汽车企业均将节能环保当作未来汽车技术发展的指导方向，这样节能环保的电动也就应运而生。电动汽车是集汽车技术、电子及计算机技术、电化学技术、能源与新材料技术于一体的高新技术产品，与普通内燃机汽车相比，具有无污染、噪声低及节省石油资源的特点。基于以上电动汽车的特点，它极有可能成为人类新一代的清洁环保交通工具，它的推广普及具有不可估量的重要意义。 电动汽车的出现也为电动汽车空调的研究开发提出了新的课题与挑战。汽车空调的功能就是把车厢内的温度、湿度、空气清洁度及空气流动性保持在使人感觉舒适的状态。在各种气候环境条件下，电动汽车车厢内应保持舒适状态，以提供舒适的驾驶和乘坐环境。另外，拥有一套节能高效的空调系统对电动汽车开拓市场也起到至关重要的作用。因此，在开发研制电动汽车同时, 必然也要对其配套的空调系统进行开发与研制。 对于目前传统燃油汽车空调系统，制冷主要采用发动机驱动的蒸汽压缩式制冷系统进行降温，而制热主要采用燃油发动机产生的余热。而对于电动汽车中的纯电动汽车以及燃料电池汽车来说，没有发动机作为空调压缩机的动力源，也不能提供作为汽车空调冬天制热用的热源，因此无法直接采用传统汽车空调系统的解决方案；对于混合动力车型来说，发动机的控制方式多样，故空调压缩机也不能采用发动机直接驱动的方案。综合以上原因，在电动汽车的开发过程中，必须研究适合电动汽车使用的新型空调系统。对于电动汽车来说，车上拥有高压直流电源，因此，采用电动热泵型空调系统，压缩机采用电机直接驱动，成为电动汽车可行的解决方案。 、电动汽车空调的特点 电动汽车空调与普通空调装置相比，电动汽车空调装置以及车内环境主要有以下特点：八、、? 1)汽车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，要求电动汽车
电动汽车空调国内外发展现状及发展趋势 摘要：本文分析了电动汽车空调系统的特点，介绍了国内外电动汽车空调发展现状，根据现状和实际使用需求叙述了电动汽车空调的发展趋势。 关键字：电动汽车空调发展现状热泵发展趋势 引言 全球气候变暖、大气污染以及能源成本高涨等问题日趋严峻，汽车作为环境污染和能源消耗的主要来源之一，其节能减排问题受到了越来越广泛的重视，各国政府和汽车企业均将节能环保当作未来汽车技术发展的指导方向，这样节能环保的电动也就应运而生。电动汽车是集汽车技术、电子及计算机技术、电化学技术、能源与新材料技术于一体的高新技术产品，与普通内燃机汽车相比，具有无污染、噪声低及节省石油资源的特点。基于以上电动汽车的特点，它极有可能成为人类新一代的清洁环保交通工具，它的推广普及具有不可估量的重要意义。 电动汽车的出现也为电动汽车空调的研究开发提出了新的课题与挑战。汽车空调的功能就是把车厢内的温度、湿度、空气清洁度及空气流动性保持在使人感觉舒适的状态。在各种气候环境条件下，电动汽车车厢内应保持舒适状态，以提供舒适的驾驶和乘坐环境。另外，拥有一套节能高效的空调系统对电动汽车开拓市场也起到至关重要的作用。因此，在开发研制电动汽车同时,必然也要对其配套的空调系统进行开发与研制。 对于目前传统燃油汽车空调系统，制冷主要采用发动机驱动的蒸汽压缩
式制冷系统进行降温，而制热主要采用燃油发动机产生的余热。而对于电动汽车中的纯电动汽车以及燃料电池汽车来说，没有发动机作为空调压缩机的动力源，也不能提供作为汽车空调冬天制热用的热源，因此无法直接采用传统汽车空调系统的解决方案；对于混合动力车型来说，发动机的控制方式多样，故空调压缩机也不能采用发动机直接驱动的方案。综合以上原因，在电动汽车的开发过程中，必须研究适合电动汽车使用的新型空调系统。对于电动汽车来说，车上拥有高压直流电源，因此，采用电动热泵型空调系统，压缩机采用电机直接驱动，成为电动汽车可行的解决方案。 1.电动汽车空调的特点 电动汽车空调与普通空调装臵相比，电动汽车空调装臵以及车内环境主要有以下特点： 1)汽车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， 要求电动汽车空调装臵结构中的各个零部件都应具有足够抗振动冲击的强度和良好的系统气密性能； 2)电动汽车大部分属于短距离代步，乘坐时间较短，加上电动汽车内乘员 所占空间比大，产生的热量相对较多，相对热负荷大，要求空调具有快速制冷、制热和低速运行能力； 3)电动汽车空调使用的是车上蓄电池提供的直流电源，压缩机工作效率高， 控制可靠性高，维护方便； 4)汽车车身隔热层薄，而且门窗多，玻璃面积大，隔热性能差，电动汽车 也不例外，致使车内漏热严重；
热泵型电动汽车空调系统性能试验研究 1.1 研究背景及意义 目前，随着人类越来越多的使用燃油汽车，汽车尾气排放出的二氧化碳加剧了全球 气候极端变化。我国的石油资源的探明储量极其有限，早在2009 年，石油消费进口依 存度就突破了“国际警戒线”（50%），高达52%。汽车保有量却是逐年增加，如果 汽车几乎完全依赖于化石燃料，很容易受到国际石油价格的冲击，甚至导致燃料的供应 中断。再者，燃油汽车的尾气排放出大量的污染物如PM10（可吸入颗粒物）、NOx（氮 氧化物）、SO2（二氧化硫）和VOCs（挥发性有机化合物）等，已经成为我国城市大 气污染的主要污染源，严重危害了人们的健康。纯电动汽车是以电能驱动的，具有燃 油汽车无法比拟的优点，主要表现在：一、污染少、噪声低。其本身不排放污染大气 的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著 减少，且电动汽车电动机的发出的噪声较燃油汽车发动机小得多；二、能源的利用具有 多元化，电力可以从多种一次能源如煤、核能、水力、太阳能、风能、潮汐能等获得， 能源利用更加安全；三、可在夜间利用电网的廉价“谷电”进行充电，起到平抑电网的 峰谷差的作用；四、效率更高和控制更容易实现智能化。 作为一种具有环保和节能优势的先进交通工具，电动汽车受到了越来越广泛的关注。美、日、欧等发达国家不惜投入巨资进行电动汽车的研究开发，取得了丰硕的研究成果，纯电动汽车目前在许多发达国家已得到商业化的应用。我国电动汽车发展起步 较晚，但国家从维护能源安全，改善大气环境，提高汽车工业竞争力和实现我国汽车工 业的跨越式发展的战略高度考虑，从“八五”开始到现在，电动汽车研究一直是国家计 划项目，并在2001 年设立了“电动汽车重大科技专项”，通过组织企业、高校和科研 机构，集中各方面力量进行技术攻关。与此同时，上海、广州和深圳等地的地方政 府也出台了相应的扶持新能源汽车的发展政策，计划实现电动汽车在本地的产业化。 电动汽车代表未来汽车发展的方向，各国政策的扶持为电动汽车的发展铺平了道 路，近年来，它们在全世界范围内呈现出欣欣向荣的的发展态势，据国外著名金融杂志 JP Morgan 报道，预计到2020 年全球将有1100 万辆电动汽车上市销售，这意味着到那时电动汽车将分别占有北美20%和全球13%的市场份额，但目前电动汽车的发展遇到 很多技术问题，特别动力电池技术，续驶里程的提高和充电网络的建设等问题。 空调系统作为改善驾驶员工作条件、提高工作效率、提高汽车安全性及为乘员营造 健康舒适的乘车环境的重要手段，对燃油汽车和电动汽车而言，都是必不可少的。电 动汽车用空调系统与普通的汽车（内燃机驱动）空调相比，由于原动机不同而引发一系 列新变化。主要体现在：1）普通的汽车空调系统的压缩机依靠发动机通过一个电磁离 合器驱动，而电动汽车空调压缩机自带电动机独立驱动；2）电动汽车没有用来采暖的 发动机余热，不能提供作为汽车空调冬天采暖用的热源，必须自身具有供暖的功能，即 要求制冷、制热双向运行的热泵型空调系统。 纯电动汽车空调系统制冷、供暖和除霜所需能量均来自于整车动力电池。作为电动 汽车功耗最大的辅助子系统，空调系统的使用将极大的降低其续驶里程。因而，通过优 化电动汽车空调系统的设计以提高其性能对提高电动汽车续驶里程，推广电动汽车的应 用有着重要意义。 1.2.2 热泵式汽车空调研究现状 汽车空调系统是实现对车厢内空气进行制冷、加热、换气和空气净化的装置。随着 汽车的日益普及以及人们对汽车的舒适性、安全性要求的提高，汽车空调系统已经成为 现代汽车上必不可少的装置。汽车空调工作环境的特殊性如需要承受频繁的震动和冲
电动汽车空调系统 3.1、电动汽车空调系统 全球气候变暖、大气污染以及能源成本高涨等问题日趋严峻，汽车作为环境污染和能源消耗的主要来源之一，其节能减排问题受到了越来越广泛的重视，各国政府和汽车企业均将节能环保当作未来汽车技术发展的指导方向，这样节能环保的电动也就应运而生。电动汽车是集汽车技术、电子及计算机技术、电化学技术、能源与新材料技术于一体的高新技术产品，与普通燃机汽车相比，具有无污染、噪声低及节省石油资源的特点。基于以上电动汽车的特点，它极有可能成为人类新一代的清洁环保交通工具，它的推广普及具有不可估量的重要意义。 电动汽车的出现也为电动汽车空调的研究开发提出了新的课题与挑战。汽车空调的功能就是把车厢的温度、湿度、空气清洁度及空气流动性保持在使人感觉舒适的状态。在各种气候环境条件下，电动汽车车厢应保持舒适状态，以提供舒适的驾驶和乘坐环境。另外，拥有一套节能高效的空调系统对电动汽车开拓市场也起到至关重要的作用。因此，在开发研制电动汽车同时,必然也要对其配套的空调系统进行开发与研制。 对于目前传统燃油汽车空调系统，制冷主要采用发动机驱动的蒸汽压缩式制冷系统进行降温，而制热主要采用燃油发动机产生的余热。而对于电动汽车中的纯电动汽车以及燃料电池汽车来说，没有发动机作为空调压缩机的动力源，也不能提供作为汽车空调冬天制热用的热源，因此无法直接采用传统汽车空调系统的解决方案；对于混合动力车型来说，发动机的控制方式多样，故空调压缩机也不能采用发动机直接驱动的方案。综合以上原因，在电动汽车的开发过程中，必须研究适合电动汽车使用的新型空调系统。对于电动汽车来说，车上拥有高压直流电源，因此，采用电动热泵型空调系统，压缩机采用电机直接驱动，成为电动汽车可行的解决方案。
电动汽车空调的现状与发展 The status and the development trend of electric vehicle air conditioning 摘要：本文分析了电动汽车空调的结构，制冷系统原理，特点和发展状况，并且为了提高其舒适性，分析发展趋势以及更好的汽车空调新技术。 Abstract：The paper analyzes the electrical automobile air conditioners’ characteristics and development status in order to improve its comfort, and want to find out new technology of air conditioner to make it better. 关键词：电动汽车（Electric automobile）电动汽车的结构（Electrical automobile’structure）空调系统（air conditioner）现状（present situation）发展趋势（the development trend） 前言： 汽车空调在当今社会的汽车配置中可以说是重中之重，在各种季节、天气及其它行驶条件下，大家都希望车厢内保持舒适的状态。汽车空调的功能就是把车厢内的温度、湿度、空气清洁度及空气流动性保持在使人感觉舒适的状态。而对于新一代的纯电动环保型汽车来说空调的设置无疑与现在的主流汽车有所不同，但匹配空调系统又是
完全必要的，所以拥有一套节能高效的空调系统是现今市场的急切需要的。 正文： 电动汽车的结构： 电动汽车的组成包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。 1. 电源 电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。正在发展的电源主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等，这些新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。 2. 动机调速控制装置 电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。
电动汽车加装空调系统方案 现阶段的电动汽车空调控制系统主要分两种： 1、热电（偶）空调控制系统 2、热泵型空调控制系统 热电偶空调控制系统具有很多适合电动汽车使用的特点，并且与传统机械压缩式空调系统相比，热电空气调节具有以下特点: a)、热电元件工作需要直流电源; b)、改变电流方向即可产生制冷、制热的逆效果; c)、热电制冷片热惯性非常小，制冷时间很短，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差; d)、调节组件工作电流的大小即可调节制冷速度和温度，温度控制精度可达0.001℃，并且容易实现能量的连续调节; e)、在正确设计和应用条件下，其制冷效率可达90%以上，而制热效率远大于1; f)、体积小、重量轻、结构紧凑，有利于减小电动汽车的整备质量;可靠性高、寿命长并且维护方便;没有转动部件，因此无振动、无摩擦、无噪声且耐冲击 但是对于热电（偶）电动汽车空调系统，目前存在着热电材料的优值系数较低，制冷性能不够理想，并且热电堆产量受到构成热电元件的蹄元素产量的限制。不具备电动汽车
空调节能高效的要求。这使得电动汽车空调更倾向于选用节能高效的热泵型空调。 热泵型空调控制系统是在原有燃油汽车上进行改进的，该技术最大的优点就是制冷、制热效率高，相关企业开发的全封闭电动涡旋压缩机，是由一个直流无刷电动机驱动，通过制冷剂回气冷却，具有噪声低，振动小，结构紧凑，质量轻等优点。 综上所述：电动汽车所优先选用的空调系统为冷暖一体式热泵型空调控制系统。加热系统采用传统的PTC加热系统，制冷系统采用蓄电池直接驱动电动压缩机，通过脉宽调制对压缩机转速进行调整，从而调节制冷量，冷凝设备主要用的是平行流冷凝器，蒸发设备主要用的是层叠式蒸发器，节流装置仍然是热力膨胀阀，制冷剂仍然是R134a。 空调各部件尺寸根据各个供应商送样决定。
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920346808.3 (22)申请日 2019.03.19 (73)专利权人 浙江吉利汽车研究院有限公司 地址 317000 浙江省台州市临海市城东闸 头 专利权人 浙江吉利控股集团有限公司 (72)发明人 季晨捷 芮富林 王健 (74)专利代理机构 台州市方圆专利事务所(普 通合伙) 33107 代理人 徐斌斌 (51)Int.Cl. B60H 1/00(2006.01) B60H 1/32(2006.01) F25B 30/02(2006.01) F25B 41/04(2006.01) (54)实用新型名称 电动汽车热泵空调系统 (57)摘要 本实用新型提供了一种电动汽车热泵空调 系统，属于汽车空调技术领域。它解决了现有电 动汽车热泵空调系统的室外换热器换热效率低 的技术问题。本电动汽车热泵空调系统包括压缩 机、室外换热器、室内冷凝装置、气液分离器、电 子膨胀阀一和换向阀，换向阀具有阀口一、阀口 二、阀口三和阀口四，阀口一可选择地与阀口二 和/或阀口四连通，阀口二可选择地与阀口三连 通；阀口一通过冷媒管道分别与压缩机的出口和 室内冷凝装置的冷媒出口连通，阀口二、室外换 热器、电子膨胀阀一、阀口四通过冷媒管道依次 连接，阀口三通过冷媒管道与气液分离器的入口 连通。本实用新型提高了室外换热器的换热效 率。权利要求书1页 说明书5页 附图2页CN 210047289 U 2020.02.11 C N 210047289 U
权 利 要 求 书1/1页CN 210047289 U 1.一种电动汽车热泵空调系统，包括压缩机(1)、室内冷凝装置(3)、室外换热器(5)、气液分离器(13)和电子膨胀阀一(7)，所述压缩机(1)的出口和入口分别通过冷媒管道与室内冷凝装置(3)的冷媒入口、气液分离器(13)的出口连通，其特征在于，所述电动汽车热泵空调系统还包括换向阀(4)，所述换向阀(4)具有阀口一(41)、阀口二(42)、阀口三(43)和阀口四(44)，所述阀口一(41)可选择地与阀口二(42)和/或阀口四(44)连通，所述阀口三(43)可选择地与阀口二(42)连通；所述阀口一(41)通过冷媒管道分别与压缩机(1)的出口和室内冷凝装置(3)的冷媒出口连通，所述阀口二(42)、室外换热器(5)、电子膨胀阀一(7)、阀口四(44)通过冷媒管道依次连接，所述阀口三(43)通过冷媒管道与气液分离器(13)的入口连通。 2.根据权利要求1所述的电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述压缩机(1)的出口与阀口一(41)之间的冷媒管道上设有电磁阀(2)。 3.根据权利要求2所述的电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述电动汽车热泵空调系统还包括单向阀一(6)和室内蒸发器(11)，所述单向阀一(6)并联于电子膨胀阀一(7)上，且所述单向阀一(6)的入口与室外换热器(5)的端口连通，所述室内蒸发器(11)入口和出口分别通过冷媒管道与单向阀一(6)的出口、气液分离器(13)的入口连通，所述室内蒸发器(11)入口端的冷媒管道上设有电子膨胀阀二(8)。 4.根据权利要求3所述的电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述电动汽车热泵空调系统还包括电池冷却箱(10)，所述电池冷却箱(10)的入口和出口分别通过冷媒管道与所述单向阀一(6)的出口、气液分离器(13)的入口连通，所述电池冷却箱(10)入口端的冷媒管道上设有电子膨胀阀三(9)。 5.根据权利要求4所述的电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述室内蒸发器(11)的出口和所述气液分离器(13)的入口之间的冷媒管道上设有单向阀二(12)，所述单向阀二(12)的入口与所述室内蒸发器(11)的出口连通，所述单向阀二(12)的出口与所述气液分离器(13)的入口连通。 6.根据权利要求1至5任意一项所述的电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述室内冷凝装置(3)为室内冷凝器。 7.根据权利要求1至5任意一项所述的电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述室内冷凝装置(3)包括介质换热器(14)、暖风芯体(17)和水泵(16)，所述介质换热器(14)具有冷媒层和冷却液层，所述室内冷凝装置(3)的冷媒入口和冷媒出口分别设置于冷媒层的两端，所述冷却液层的两端分别设有冷却液入口和冷却液出口，所述水泵(16)、冷却液层和暖风芯体(17)通过冷却液管道依次连接形成冷却液闭合回路。 8.根据权利要求7所述的电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述热泵空调系统还包括补液壶(15)，所述补液壶(15)的入口通过冷却液管道同冷却液层的冷却液出口连通，所述补液壶(15)的出口通过冷却液管道同水泵(16)的入口连通。 2
电气 一、汽车电气系统的组成 现代汽车所装备的电气系统，按其用途可大致归纳并划分为下面四部分： 1．电源系统 电源系统包括蓄电池、发电机及其调节器。前两者是并联工作，发电机是主电源，蓄电池是辅助电源。发电机配有调节器的作用是在发电机转速升高时，自动调节发电机的输出电压使之保持稳定。 2．用电系统 汽车上用电系统大致可分为以下几类： (1)起动系：主要机件是启动机，其任务是起动发动机。 (2)点火系：它是汽油发动机的组成部分，包括电子点火系统或传统点火系统的全部组件。其任务是产生高压电火花，按发动机的工作顺序点燃气缸内的可燃混合气。 (3)照明系统：包括车内外各种照明灯以及保证夜间安全行车所必须的灯光，其中以前照明灯最为重要。军用车辆还增设了防空照明。 (4)信号系统：包括电喇叭、蜂鸣器、闪光器及各种信号灯等，主要用来保证安全行车所必要的信号。 (5)电子控制系统：主要指由微机控制的装置，包括：电子控制点火装置、电子控制燃油喷射装置、电子控制防抱死制动装置、
电子控制自动变速装置等，分别用来提高汽车的动力性、经济性、安全性、排气净化和操纵自动化等性能。 (6)辅助电器：包括电动刮水器、低温起动预热装置、空调器、收录机、点烟器、防盗装置、玻璃升降器、座椅调节器等。辅助电器有日益增多的趋势，主要向舒适、娱乐、保障安全方面发展。 3．检测系统 包括各种检测仪表如电压表、电流表、水温表、油压表、燃油表、车速里程表、发动机转速表和各种报警灯，用来监测发动机和其它装置的工作情况。 4．配电系统 配电系统包括中央接线盒、电路开关、保险装置、插接件和导线等，以保证线路工作的可靠性和安全性。 二、汽车电气系统电系的特点 汽车电气系统具有以下四个特点： 1．低压 汽车电系的额定电压有12伏（V）、24V两种，汽油车普遍采用12V电系，而柴油车多采用24V电系。电器产品额定运行端电压，对发电装置12V电系为14V；对24V电系为28V。对用电设备电压在0.9～1.25倍额定电压范围内变动时应能正常工作。 2．直流 汽车电系采用直流是因为起动发动机的启动机，为直流串激
电动汽车用热泵空调系统的实验研究 轩小波1,2陈斐1,2 1.上海新能源汽车空调工程技术研究中心 2.上海加冷松芝汽车空调股份有限公司制冷研究院 摘要：基于一款电动汽车空调设计了热泵空调系统试验台架，研究了不同压缩机转速和环境温度条件下双换热器和三换热器系统对热泵空调换热性能、总成出风口平均温度及系统COP的影响。结果表明，环境温度越高双换热器系统和三换热器系统的换热性能越高，且三换热器系统的性能优势越明显；压缩机转速为5500rpm、室外环境温度为7℃、1℃、-5℃工况下，三换热器系统较双换热器系统总成出风口平均温度分别高8.0℃、7.2℃和6.1℃，系统COP分别提高15.0%、16.5%和18.2%，提高了电动汽车乘员舱的舒适性和能效比。 关键词：电动汽车热泵空调实验研究三换热器系统系统COP Experimental Research of Heat Pump Air-conditioning System for Electric Vehicle Songz automobile air conditioning co.,ltd Shanghai 201108 Abstract: Designed a test bench of heat pump air conditioning system based on an electric car air-conditioning. The impact of heat pump air conditioning system transfer performance, average temperature of the outlet assembly and the system coefficient of performance were studied base on two exchangers system and three exchangers system, under different compressor speeds and different ambient temperatures. The test results indicate that, higher the ambient temperature, higher the heat transfer performance of the two exchangers system and three exchangers system, transfer performance advantages more obvious of the three exchangers system. Under compressor speed is 5500rpm, ambient temperature is 7℃,1℃,-5℃conditions, average temperature of outlet assembly of the three exchangers system higher 8.0℃, 7.2℃and 6.1℃than the two exchangers system, the coefficient of performance increased 15.0%, 16.5% and 18.2% respectively, and the electric vehicle passenger compartment comfort and energy efficiency is also improved. Key words: electric vehicle heat pump air-conditioning experimental research three heat exchangers system system coefficient of performance 1前言
第16卷第7期 身| >1" f 寶；謂2 0 1 6 年 7 月 REFRIGERATION AND AIR-CONDITIONING 78-81 电动汽车热泵系统简述 陈雪峰叶梅娇黄一波 (比亚迪汽车工业有限公司） 摘要本文主要介绍了当前电动汽车塑调系统采用的制冷和采暖技术，并着重对车用热泵技术进行了详 细的说明。 关键词新能源；电动汽车；热泵；空调；采暖 Introduction of heat pump system in electrical vehicles Chen Xuefeng Ye Mengjiao Huang Yibo (B Y D A uto Industry Company Lim ited ) ABSTRACT It was introduced the refrigeration and heating technology of electric car air conditioning ? especially in heat pump . KEY WORDS new energy；electric car；heat pum p ；air -conditioning；heating 传统燃油汽车中，汽车空调在制冷时由于压 缩机需要发动机驱动，会增加一定的油耗，但因 该部分油耗较低，对续航里程影响不大。而在采 暖时，由于利用的是燃油车发动机余热，并不会 造成多余油耗，对续航里程几乎没有影响。而对 于纯电动汽车，空调又由电能驱动，且消耗电能 较多，因此，空调对电动汽车续航里程的影响不 容忽视。 1纯电动汽车空调目前使用状况 1.1当前电动汽车采用的制冷技术目前，已上市的电动汽车空调系统采用的制 冷技术与传统燃油汽车采用的空调制冷技术原理 相同，都是通过改变制冷剂的物理状态进行制冷。 这种制冷技术成熟度高、应用面广，其C O P 值可达 到2.0以上。 纯电动车在夏季空调系统开启制冷模式时， 空调系统的能耗占整车能耗约由于当前电 动汽车的续航里程并不宽裕，如何进一步降低汽 车空调制冷时的能耗受到业内关注。 1.2当前电动汽车采用的采暖技术 当今上市的纯电动汽车普遍使用P T C 水加热 器系统或P T C 风加热器系统来实现乘员舱采暖功 能（图〗、图2)。 图1 PTC 风加热器图2 PT C 水加热器对于纯电动车来说，一般使用P T C 风加热，此 种方式只需要将传统汽车空调暖风芯体替换为 P T C 风加热器，再辅以必要的控制设备，就能直接收稿日期：2016-05-23 作者简介：陈雪峰，比亚迪n 个:.1:业川似公氷笫丨‘ /I :，业部空调丨:厂厂K ： ?从事新能源n 个:热竹理系统研究。
电动汽车空调系统设计指南
目 次 1 范围 (1) 2 规范性引用文件 (1) 3 设计依据标准 (1) 3.1 欧盟标准 (1) 3.2 美国标准 (1) 3.3 国家标准 (1) 3.4 行业标准 (2) 3.5 企业标准 (3) 4 基本要求 (3) 5 空调系统结构布置与设计内容....................................... (4) 5.1 空调系统方案设计 (4) 5.2 HVAC总成选型与布置设计 (4) 5.3 空调控制面板设计 (5) 5.4 空调系统的风道设计 (5) 5.5 压缩机选型设计及压缩机安装支架设计 (7) 5.6 冷凝器及储液器设计 (7) 5.7 冷凝器风扇的选型与安装结构设计 (7) 5.8 制冷管路设计 (8) 5.9 电气控制原理设计与协调 (8) 5.10 空调系统的性能指标及系统试验 (9) 附录A（规范性附录） 空调系统设计流程 (10)
目 次 本指南是充分借鉴公司电动车型空调系统设计过程中的经验及积累的数据、结合公司现有的实际情况及未来发展需要编写而成的，旨在指导公司空调系统的设计工作，期望在空调系统设计的过程中，提高设计效率和精度，本指南将在本公司所有电动车型空调系统设计中实施，并在实践过程中进一步提高完善。
电动汽车空调系统设计指南 1范围 本指南概述了电动汽车空调系统设计依据标准、基本要求、空调系统结构布置与设计内容。 本指南适用于新产品空调系统的设计，老产品改进和改型的空调系统设计可参照执行。 2规范性引用文件 下列文件对本文件的引用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 Q/J B022 电动汽车HVAC总成技术条件 Q/J C021 空调系统参数匹配计算指南 Q/FD TSF6 001 整车空调系统环模试验及路试技术要求 3空调系统设计依据标准 以下标准是空调系统设计过程中性能和结构应依据的标准，空调系统国内国外设计指标及试验项目详见各标准内相关规定。 3.1 欧盟标准 672/2010/EU机动车辆玻璃表面的除霜和除雾系统 2006/40/EC 机动车辆空调系统的排放 ECE R100 关于认证机动车辆的统一规定，涉及施工安全与功能安全的特殊要求 ECE R122 关于M类、N类 及O类车辆在其加热系统方面认证的统一规定 3.2 美国标准 SAE J 2344-2010 电动汽车安全指南 SAE J 902-1999 乘用车前风窗除霜系统 SAE J 381-2000 载货车、大客车及多用途车风窗玻璃除霜系统试验规程和性能要求 49 CFR 393 G77 加热器 FMVSS 101 操纵件、指示器及信号装置的标志 FMVSS 103 风窗玻璃除霜和除雾系统 FMVSS 302 内饰材料的易燃性
纯电动汽车用低温热泵型空调系统性能研究由于纯电动汽车无发动机冷却热源用于冬季车内供热,开发冷暖两用的热泵型空调系统,已成为当前纯电动汽车空调系统开发亟待解决的关键技术。本文基于准双级压缩循环原理,结合工质R134a的低温特性和系统设备的结构特点,提出了纯电动汽车用低温热泵型空调系统,解决了R134a热泵空调系统低温环境工况下高效可靠供热运行技术,为开发适合纯电动汽车的高效热泵空调系统提供了可行的技术方法。 研究成果包括以下几个方面:(1)建立了纯电动汽车用低温热泵型空调系统数学模型。包含混气型涡旋式电动压缩机、车外换热器(冷凝器)、车内换热器(蒸发器)、电子膨胀阀、混气换热器(中间换热器)以及循环工质R134a热物性参数数学模型,并根据系统各个部件之间的耦合性能,形成预测该系统性能的系统数学模型。 模拟分析了车外环境温度、混气比率等因素对纯电动汽车用低温热泵型空调系统运行特性的影响。模拟结果与实验结果对比,二者变化趋势相同,吻合较好。 (2)设计了纯电动汽车用低温热泵型空调系统。该系统可根据运行工况和实际需要实现中压补气和低压混气两种热泵供热循环技术,可实现不同工况下对电动汽车制冷、制热、车外换热器除霜等多种基本工作模式,通过压缩机降温增效混气系统和辅助电加热器使该系统能够在室外-20℃超低温环境温度下高效稳定地进行制热循环。 (3)设计并搭建了纯电动汽车用低温热泵型空调系统性能实验平台。通过该实验台分别完成了电动汽车制冷、普通制热、低温制热和车外换热器除霜等基本工作模式下系统的性能实验。
实验研究结果表明:低温工况下压缩机排气温度显著降低,当车外环境温度为-20℃时仍正常运行,压缩机排气温度可有效控制在80℃以下,解决了非混气热泵循环排气温度过高无法正常工作的情况;系统制热量明显提升,在车外环境温度为10℃时,非混气热泵空调系统制热量为4200W左右,混气型低温热泵空调系统制热量在5300W左右,制热量提高了20%以上;系统低温工况运行效率较高,在车外环境温度为-20℃时,系统COP达1.5左右,高于电加热供热、热电半导体供热等其他供热方式。(4)提出了提温增焓逆循环快速融霜技术方法。 经实验研究,在0℃至-20℃的环境温度下,利用该快速融霜技术方法可在50~100秒时间内完成车外换热器的完全融霜,实现了快速融霜。(5)依据模拟与实验结果对纯电动汽车用低温热泵型空调系统进行了优化,开发了国内第一台纯电动汽车车载低温热泵空调系统,在大型人工环境实验室进行了相关的车载性能实验。 实验结果表明,该车载系统在标准制冷工况、标准制热工况、低温制热工况下均表现出良好的系统性能,并通过压缩机的变频转速控制和PTC(正温度系数的热敏电阻)辅助热源保证了系统在高温和低温环境温度下车内温度维持在舒适范围,实现了系统高效节能与可靠运行的统一。