热泵型电动汽车空调系统性能试验研究上课讲义

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。