日本电装( DENSO)公司开发了采用R134a制冷剂的电动汽车热泵型空调系统,其在热泵系统的风道中采用了车内冷凝器与蒸发器的结构。电装公司在近些年还开发了一套CO2热泵型空调系统,系统也采用了在风道内设置蒸发器与冷凝器两个换热器的方案,与R134a系统不同的是当系统为制冷模式时,制冷剂同时流经内部冷凝器与外部冷凝器。 在风道中只用一个换热器时,在制冷模式下为蒸发器,在制热模式下为冷凝器。采用这种结构的热泵空调系统,不但需要开发允许双向流动的膨胀阀,并且在热泵工况下,系统融霜时,风道内换热器上的冷凝水将快速蒸发,在挡风玻璃上结霜,不利于安全驾驶。所以有必要在热泵系统的风道中采用能设置有内部冷凝器和蒸发器的结构,车外冷凝器和蒸发器共用一个热交换器。 为了减少空调对蓄电池的电能消耗,美国 Amerigon公司开发了空调座椅,这种空调座椅上安装了热电热泵,热电热泵的作用就是通过需要调温的空间之外的水箱转移热量,从而实现需要调温的空间制冷或制热。这种空调座椅除了节能外,还能够改善驾驶、乘坐的舒适性,在电动汽车上配套使用非常适合。
电动汽车与传统汽车的驱动动力不同,使得它们的空调系统也有极大的区别。电动汽车没有用来采暖的发动机余热,无法提供作为汽车空调冬天采暖用的热源,电动汽车的空调系统必须自身具有供暖的功能,即要求釆用热泵型空调系统。同时,压缩机也仅能采用电动机直接驱动,结构上与现有的压缩机形式不完全相同。因为用来给热泵空调系统提供动力的电池主要是用来驱动汽车的,空调系统能量的消耗对汽车每充一次电的行程影响很大。若电动汽车仍采用现有能效比较低的空调系统,将耗费10%以上的电功率,这就意味着要在增加电池的制造成本和降低电动汽车的驱动性能指标之间进行选择。与燃油汽车相比,对电动汽车空调系统的节能高效提出了更高的要求。同时,电动汽车空调一定要解决制冷、制热两大问题。根据电动汽车特有性质,目前电动汽车空调分为半导体式(热电偶)、电动热泵式、燃油加热式、PTC加热式等,其中电动热泵型空调发展较快。
(1)半导体式电动汽车空调系统半导体制冷又称电子制冷,或者温差电制冷,是从20世纪50年代发展起来的一门介于制冷技术与半导体技术边缘的学科,与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。半导体制冷器的基本器件是热电偶对,即将一个N型半导体与一个P型半导体连接成热电偶,如图4-26所示为半导体制冷片,通上直流电后,在接口处就会产生温差和热量的转移。在电路上串联起数个半导体热电偶对,而传热方面是并联的,这样就构成了一个常见的制冷热电堆。借助于热交换器等各种传热手段,使热电堆的热端不停散热并且保持一定的温度,而将热电堆的冷端放到工作环境中去吸热降温,这就是半导体制冷的原理。
半导体制冷作为特种冷源,在技术应用上具有的特点:不需要任何制冷剂;可连续工作;没有污染源;没有旋转部件,不会发生回转效应;没有滑动部件,工作时没有振动、噪声,寿命长;安装容易。半导体制冷片既能制冷又能加热,制冷效率通常不高,但制热效率很高,永远大于1。所以使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。半导体制冷片是电流换能型片件,通过输入电流的控制,可实现高精度的温度控制,再加之温度检测和控制手段,很容易实现遥控、程控、计算机控制,方便组成自动控制系统。半导体制冷片热惯性非常小,制冷制热时间非常快,在热端散热良好、冷端空载的情况下,通电不到1min,制冷片即可达到最大温差。半导体制冷片的反向使用就是温差发电,半导体制冷片通常用于中低温区发电。半导体制冷片的单个制冷元件对的功率较小,但组合成电堆,用相同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统,功率就可以做得很大,所以制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。半导体制冷片的温差范围,从90℃到-130℃都能实现。
从空调技术成熟性和能源利用效率比较来看,对于半导体制冷片技术的电动汽车空调系统,目前存在着热电材料的优值系数较低、制冷性能不够理想等缺点,而且热电堆产量受到构成热电元件元素产量的限制,不具备电动汽车空调节能高效的要求。这导致电动汽车空调更倾向于选用节能高效的热泵型空调,该技术方案对于不同类型电动汽车通用性良好,并且对整车结构改变较小,是将来电动汽车空调发展的趋势。
(2)热泵型电动汽车空调系统在理论上,制冷循环逆转可以用来制暖。但在环境气温低的情况下,制暖性能会降低,无法满足在低温区具备髙制暖性能的汽车制暖性能要求。利用电动压缩机压缩冷媒并使其循环。行驶时,冷媒在冷凝器中受风冷却,在冬天,当冷凝器(制暖时改为蒸发器)结霜时,制暖性能也很难发挥。这就需要考虑增加为冷凝器(制暖时为蒸发器)加温除霜的系统。
制暖原本在某些情况下需要比制冷更高的性能。例如,在冬天制暖行驶时,为防止车窗起雾,通常会导入车外空气。汽车因要在行驶的同时向车外排放加热了的空气,这时制暖需要比制冷更高的性能。
热泵型空调系统是在原有燃油汽车上进行改进的,压缩机是由永磁直流无刷电动机直接驱动的,其系统的工作原理如图4-27所示。该系统和普通的热泵型空调系统并无本质区别,因为在电动汽车上使用,压缩机等主要部件有其特殊性。而且国外热泵技术具有一定的基础,该技术最大的优点就是制冷、制热效率高。全封闭电动涡旋压缩机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、重量轻等特点。在测试条件为环境温度40℃、车内温度27℃、相对湿度50%的工况下,系统稳定时它能以1kW的能耗可以获得2.9kW的制冷量;当环境温度为-10℃、车内温度25℃时,以1kW的能耗可以获得2.3kW的制热量。在一10~40℃的环境温度下,都能以较高的效率为电动汽车提供舒适的驾乘环境。如果能在零部件技术上得到改进,相应效率还可以得到提高。
目前热泵型电动汽车空调最大的瓶颈是低温制热问题,特别是在我国的东北地区,这也是将来该行业研究的难题之一。为了使热泵型电动汽车空调更节能高效,通常从以下几个角度去着重解决:开发更高效的直流涡旋压缩机;开发控制更精准、更节能的硅电子膨胀阀;
采用高效的过冷式平行流冷凝器;改善微通道蒸发器结构,使制冷剂蒸发更均匀。另外,电动汽车开门的次数以及在行车中受车速、光照、怠速等因素的影响,空调湿热负荷大。压缩机甚至整个空调系统都要适应这种多因素变化的工况,所以热泵型电动汽车空调系统变工况设计尤为重要。
蒸发器风机的风量和车内温度、设定温度、环境温度、太阳辐射强度、蒸发器出风口温度之间的关系是非线性的。
汽车空调热泵系统和普通的家用空调比较相近,是对普通家用空调的一种使用场合的扩展。为避免制热时因除霜导致室内舒适性下降,采用了热气旁通不间断制热除霜方式。除霜运行原理基本和制热相同,只是将融霜电磁阀打开,让从压缩机出来的高温高压的过热气体有一部分被分流至室外换热器的入口,迅速把室外换热器的温度提高到0℃以上,融掉室外换热器上的霜层,使得换热器保持良好的换热效率。
(3)驻车加热器式加热系统纯电动汽车因为无法再利用发动机余热制暖,用电制热的方式在电池容电量仍小、价格高时不经济,国内一部分电动汽车采用传统燃油车使用的驻车加热器作为加热源,虽然有用燃油作为燃料的不足,但至少可以促进电动汽车的进步发展。如图4-28所示为加热器的连接,如图4-29所示为加热器元件的组成。加热器的安装是通过与发动机冷却循环串联。其工作原理是利用本车的蓄电池和油箱来瞬间供电和少量供油,并通过燃烧汽油所产生的热量来加热发动机循环水从而使发动机热启动,同时使驾驶室升温。热交换器是发动机冷却水采暖系统的心脏,它的作用是将冷却水的热量传给空气。
驻车加热器的工作原理:遥控器或定时器给ECU一个启动信号,计量油泵从油箱泵油并且以脉冲形式将燃油打到燃烧室前的金属毡上,笔状点火器加热至90℃左右,将喷溅的细小油滴气化,空气由燃烧空气鼓风机吸入,和汽油混合后点燃,火焰将热能传递给发动机冷却液,电动循环水泵推动冷却水循环进入蒸发箱内散热器,鼓风机吸入车内冷空气,使其通过散热器,将变热的空气吹入车内。
(4)加热器式制热系统若电动汽车采用加热器的电制热方式时,加热器通常配置在驾驶席和副驾驶席之间的地板下方。加热器由可用电发热的PTC加热器元件、将加热器元件的热量传送到散热剂(冷却水)的散热扇、散热剂流路和控制底板等组成。因要求加热器要有较高的制暖性,所以,电源使用的是驱动电动机的锂离子充电电池的高压,而非辅助电池(12V)。若是纯电动汽车专用产品,也可以不使用冷却液,直接用鼓风机吹送经PTC加热器加热的暖风。
因为制造的加热单元要使用动力电池的高电压,用少量放热元件产生大量热量,所以,对于加热器,需要丰富的设计和制造技术经验。加热器机身内部设置板状加热器元件,通过在元件两侧通入散热剂(冷却水)提高散热性。加热器元件使用普通PTC元件,PTC元件夹在电极中间,具有电阻随元件温度改变的性质。在低温区,电阻低,电流流过后温度升高,电阻慢慢増大,电流难以流通,发热量随之降低。PTC元件的特性符合汽车的制暖性能要求,即具有在低温区的高制暖性能。
使用发动机的汽车的制暖系统由发动机、冷却液、加热芯及送风的鼓风机电动机组成。
散热剂从加热芯中内部流过,由于其吸收了发动机的热量使得自身温度升高。车内冷空气从加热芯外部流过,为车内制暖。因此只要有冷却液式的加热器和电动水泵就能工作。
另外,目前加热器的ECU与空调系统整体是各自独立的,也可将ECU和加热器融为体。汽车厂商努力为EV配备多个加热器元件,能够使其制暖能力提高到与使用发动机的汽车相当。但是,为了尽可能把电池容量用于行驶,汽车厂商在设计时对制暖耗电进行了抑制。以弱混电动汽车在市区行驶速度(40~60km/h)为例,在某些条件下,使用制暖时的行驶距离将短于使用制冷时的行驶距离,因为制暖的电池消耗比制冷的电池消耗更大。弱混电动汽车采用了手动式空调,用户按下“MAX”开关后,温控性能与风量会以最高设定运行。
