新能源汽車以電能或其他清潔能源作為動力來源,具有節能環保、運行成本低等優點,已成為汽車工業發展的重要方向[1]。然而,由于取消了內燃機這一常規熱源,新能源汽車的制熱和制冷系統面臨諸多挑戰。合理設計制冷和制熱系統,選擇適宜的制冷劑,對于提高新能源汽車的熱舒適性和能源利用效率具有重要意義。

一、新能源汽車制熱方式

1.1 PTC電加熱器

PTC(Positive Temperature Coefficient)電加熱器是目前新能源汽車最常用的制熱裝置[2]。PTC材料具有正溫度系數,即隨溫度升高，其電阻值急劇增大。這種特性使PTC加熱器具有自限溫功能,可有效防止過熱。PTC加熱器結構簡單,響應速度快,但能耗較高。

1.2 熱泵空調系統

熱泵空調系統利用制冷循環的逆向運行實現制熱,即壓縮機將熱量從低溫熱源泵入車內[3]。與PTC加熱相比,熱泵制熱的能效比更高,但在低溫環境下制熱性能下降明顯。另外,熱泵系統增加了空調系統的復雜度,成本也相對較高。

1.3 廢熱利用裝置

新能源汽車的電機、電控系統等部件在運行過程中會產生大量廢熱。利用廢熱進行制熱,可以顯著提升整車熱效率[4]。常見的廢熱利用裝置包括熱管換熱器、相變儲熱裝置等。這類裝置結構緊湊、能效高,但熱量的高效收集和智能控制仍有待進一步優化。

1.4 燃料電池余熱利用

燃料電池汽車以氫氣為燃料,通過電化學反應直接產生電能和熱能。利用燃料電池的余熱可滿足汽車的采暖需求[5]。這種制熱方式清潔高效,但受限于燃料電池汽車的推廣速度,目前仍未得到廣泛應用。

二、新能源汽車制冷系統組成 2.1 電動壓縮機

電動壓縮機是新能源汽車制冷系統的核心部件,其性能直接影響到整個系統的制冷效果和能效水平。新能源汽車多采用轉子式或渦旋式電動壓縮機,具有體積小、重量輕、噪音低等優點[6]。為適應新能源汽車的寬工況運行,電動壓縮機通常采用變頻調速技術,實現制冷量的無級調節。

2.2 冷凝器

冷凝器的作用是使高溫高壓的制冷劑蒸氣放熱冷凝為高壓液體。新能源汽車冷凝器主要采用并流式或折流式翅片管換熱器[7]。其中,并流式冷凝器結構簡單,易于集成;折流式冷凝器換熱效率更高,但結構相對復雜。考慮到新能源汽車的布置空間限制,冷凝器的緊湊化設計已成為重要研究方向。

2.3 節流裝置

節流裝置的作用是使高壓液體制冷劑節流為低壓低溫的液氣混合物,并調節流入蒸發器的制冷劑流量。新能源汽車空調系統常用的節流裝置包括毛細管、熱力膨脹閥和電子膨脹閥[8]。其中,電子膨脹閥憑借其精確的流量控制能力和快速的響應特性,在新能源汽車上得到越來越廣泛的應用。

2.4 蒸發器

蒸發器是制冷劑吸收熱量、實現制冷的關鍵部件。車用蒸發器通常采用板翅式換熱器,具有傳熱面積大、緊湊度高的特點[9]。為適應不同的布置要求,蒸發器可設計為單體式、分體式或一體化等多種形式。近年來,微通道蒸發器以其優異的換熱性能和模塊化設計的靈活性,在新能源汽車領域受到廣泛關注。

三、新能源汽車空調系統制冷劑選擇

3.1 R134a

R134a是目前汽車空調系統最常用的制冷劑,無毒無味,熱力性能優異,與常規油品相容性好[10]。但R134a的全球變暖潛能值(GWP)較高,已受到國際環保法規的限制。根據蒙特利爾協定,發達國家已于2021年起禁止在新車上使用R134a。

3.2 R1234yf

R1234yf是一種新型的氫氟烯烴(HFO)制冷劑,GWP值僅為4,是R134a的理想替代品[11]。R1234yf的熱力性能與R134a接近,但微燃性和高價格限制了其推廣速度。目前,已有部分汽車廠商開始在新車型上采用R1234yf。

3.3 R744(CO2)

R744即二氧化碳,是一種天然工質,ODP為0,GWP僅為1,是最環保的汽車空調制冷劑之一[12]。CO2系統采用跨臨界循環,制冷和制熱性能都很出色,但系統結構復雜、高壓特性對部件的要求較高。德國和日本等國已開發出多款CO2汽車空調樣機,有望成為未來主流技術路線之一。

3.4 R290

R290(丙烷)是一種碳氫化合物制冷劑,ODP為0,GWP僅為3,環保性能優異[13]。R290的熱力性能與R134a相近,但存在可燃性風險。目前,國內外已有車企開展R290汽車空調系統的研發和示范運行,但尚未大規模商業化應用。

參考文獻:
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[13] 吳志剛,周遠,張晨陽.R290在電動汽車空調系統應用中的安全性分析[J].應用能源技術,2018(8):59-63.