摘要:新能源汽车发展迅速,保有量不断攀升,为了解决续航里程短的问题,采用节能高效、结构紧凑的热泵空调系统逐渐成为了电动汽车空调发展趋势,车用热泵空调已成为国内外专家研究的热点。文章主要对车用热泵空调控制原理进行了分析,对其系统控制技术发展应用方面进行了探讨和研究,对其故障给出了诊断思路。
新能源电动汽车发展迅速,仅2019年,全国新能源汽车累计产销量分别达到124.2万辆和120.6万辆。但是目前面临的突出问题主要有:续航里程短的问题;充电时间长,充电设施供应不足,电池能量密度小和回收处理难,问题的解决方案主要集中在能量热效率和热管理,空调系统的节能高效成为关键考虑因素[1]。
新能源汽车空调与传统汽车空调的区别是采用电动压缩机取代了传统皮带驱动的空调压缩机。制冷工作原理基本相同,取暖通常采用电加热方式,主要分为两种:一种是混合动力模式时利用发动机冷却液作为热源,为加热器芯提供热量[1];另一种是纯电动模式下通过PTC加热器直接加热空气或加热冷却液再间接加热空气,但是这些方式不仅能耗高而且制热效率低。热泵型空调技术可以解决电动汽车取暖能耗高及对发动机余热的依赖[2]。热泵空调系统以电动空调压缩机,利用制冷循环可逆转的特点,集制冷与制热为一体,具有通用性好、对整车结构改变小、结构紧凑、高效节能、环保等优点,成为了国内外专家研究的热点和将来电动汽车空调发展趋势[3]。本文针对新能源汽车热泵空调系统控制技术发展和应用方面进行探讨和研究。
1、热泵空调系统工作模式
热泵空调采用四通换向阀使蒸发器与冷凝器功能互相对换,改变热量的转移方向,从而达到夏天制冷和冬天制热的效果[4]。车用热泵空调系统在四通换向阀基础上做了改进:工作可靠,结构简单。以大众e-Golf车型为例,工作原理如图1所示,主要由电动压缩机、室内外换热器、膨胀阀、切断阀和气液分离器等组成,使用切断阀可以改变热量转移方向,将热泵空调的蒸发器和冷凝器功能互相对换。制冷时,膨胀阀EV1关闭,由压缩机排出的高压蒸气,先经热冷凝器,再经切断阀SV1进入冷凝器,制冷剂蒸气被冷凝成液体,经膨胀阀EV2进入蒸发器,并在蒸发器中吸热,将室内空气冷却,蒸发后的制冷剂蒸汽,经切断阀SV4和气液分离器后被压缩机吸入,这样周而复始,实现制冷循环。
图1车用热泵空调系统原理图
取暖时,仅通过使用外部空气的热量为车辆内部供暖,电动空调压缩机压缩驱动制冷剂。气态制冷剂高温时所受压力较高。在热冷凝器中,制冷剂将热量传到空气中并开始冷凝。空气受热后,作为热源流入车内,切断阀SV1和SV4关闭。膨胀阀EV1使压力降低,液态制冷剂的温度也相应下降,这时蒸发器用作冷凝器,流入的制冷剂冷凝、开始释放热量,这时预热空气进一步流向热冷凝器,膨胀阀EV3关闭,膨胀阀EV2进一步使制冷剂压力降低,此时制冷剂温度低于环境温度,进而在冷凝器中蒸发,制冷剂蒸发时,会吸收外部较暖空气热量,使其温度降低,气态制冷剂流经切断阀SV5,沿空调压缩机方向流出冷凝器。
2、热泵空调技术研究
热泵空调系统中的电力驱动,会影响电动汽车的行驶里程,而且低温下热泵系统效率严重下降和车外换热器容易结霜。因此,现阶段研究主要集中在低温环境中如何提高热泵空调制热能力、热管理系统研究、最佳的制冷工质选择、压缩机的控制、换热器除霜问题等方面。
2.1低温环境下提高热效率
热泵空调系统具有能效比高的特点,但工作温度范围受到制冷工质和空调系统结构的影响,发挥最大效率时的室外温度范围是-5°C到15°C之间,随着环境温度的降低,制热能力衰减严重,在极端寒冷条件下,能效比下降明显,需借助于高压PTC进行辅助加热[5]。解决低温工况制热能力衰减的主要应对措施有[6]:补气曾晗技术,提高制冷剂流量,增大散热量;双级压缩中间冷却技术,减小压缩比,降低排气温度;优化车外换热器,改变可变进气格栅等。
2.2热管理研究
为弥补热泵空调低温工况性能的不足,同时为了节约能耗,大部分电动汽车都有一套综合的热管理系统:涵盖采暖,制冷,蓄热,热回收等技术。所有具有利用价值的热元件如高压蓄电池、驱动电机、电子功率装置、车载充电机都将在这套系统的科学管理下工作。研究表明[7]:纯电动汽车在车速变化时,电池散热量迅速增加,即废热增加;当废热回收热泵系统在2℃的工况下运行时,换热量最大可增加至3797W,能效比范围为1.82~2.43,增加的废热能满足制热要求;当温度降到-7℃时,换热量最大可增至2407W,能效比范围为1.56~2.63,回风温度可达13.2℃,但仍需提供额外热源才能满足制热要求。
2.3制冷工质的选择
表1几种常见制冷剂的主要性能比较
2016年11月蒙特利尔议定书第28次缔约方大会中,汽车空调制冷剂R134a被列入《基加利修正案》限控清单;R134a在全球范围内各国逐步禁用R134a作为汽车空调制冷剂[8]。R410因温室效应较高,没有被大量使用。与R1234yf相比,CO2更适合作为热泵系统的制冷剂,其在极低温(-3~20℃)仍有较高的COP(能效比)。CO2具有良好的热物理性能,并且CO2使全球变暖的潜在能力(GWP)是R134a的千分之一[9]。-20℃的低温环境下,CO2热泵电动车的采暖能力显著大于PTC电动车,与传统燃油车相近;在-5℃的环境下,相比PTC电动车,CO2热泵系统电动车在正常模式下的续航里程可增加23.6%[10]。
2.4压缩机控制技术
压缩机是空调系统的核心部件,在已上市的搭载有热泵空调系统的电动汽车上采用高压电动涡旋压缩机,具有结构简单、噪音低、体积小、重量轻、运行平稳、效率高等优点[11]。在压缩机中间腔补充中压气体,增加排气量,降低排气温度,能够提高制热能力,所以采用补气增焓技术的涡旋压缩机可以有效改善低温环境下单级涡旋压缩机的排气温度过高和制热能力低下的问题[12,13],研究表明,在外界温度-7℃时,准双级压缩机比单级压缩机排气温度降低了10℃[3,12];随着外界温度升高,压缩机排气质量流量逐渐增大,相比单级压缩机,准双级压缩机排气量增大12.9%~17.4%,制热能力提升效果明显[3,12]。
2.5除霜问题研究
在制热模式下,车外换热器被当作蒸发器使用,其表面温度低于0℃时会引起换热器表面结霜或者结冰,从而使换热性能急剧下降,为此,可考虑给换热器表面进行除霜,除霜方法主要有逆循环法和热气旁通法[14]。逆循环法除霜[15]是通过改变四通换向阀的方向,切换至短暂的制冷模式,车外换热器作为冷凝器使用,从而融化掉其表面的霜,但未被蒸发的水还是容易导致二次结冰,也会降低系统的性能。热气旁通法除霜[16]通常是指将压缩机排气旁通到蒸发器入口处,利用压缩机排出的高温高压制冷剂的潜热来融霜。除霜还可以采用更精准的热开发控制、更节能更精准的硅电子膨胀阀,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[17]。
3、热泵空调的应用
热泵空调系统已在电动汽车上逐渐得到应用和推广,大众的e-Golf和新上的ID4、奥迪R8和Q7e-tron、宝马i3、雷诺Zoe、标致2008、捷豹i-Pace均已量产装车,特斯拉于2020年量产的ModelY同样已搭载热泵空调,国内主要在长安CS75PHEV、一汽奔腾B30EV、上汽荣威Ei5和荣威MarvelX都应用了热泵空调系统,而且覆盖纯电和混动车型[5]。据报道[18],荣威在旗下车型上搭载的全工况热泵空调系统在-7℃的环境前提下高效的热泵将会相较于其他空调系统节能37.5%。在同样供暖条件下搭载热泵空调的电动车将会比传统系统的电动车续航里程增加15%~30%。
国内主机厂从2000年开始热泵系统地研究和应用,2018年,格力也发布了旗下车载热泵空调产品,搭载双级增晗技术[18],并且已经解决超低温环境下制热量不足的问题,并在-30~54℃大温度区间可靠运行,而格力更表示搭载该空调系统的车型在测试中空调耗电量降低60%,整车续航里程提升13%。
4、热泵空调故障诊断研究
车用热泵空调系统中常见的故障为:压缩机内泄漏故障;冷凝器侧空气流量不足故障,即冷凝器管路出现问题,会导致空气侧流量降低;蒸发器侧空气流量不足故障,即蒸发器管路出现问题,会导致空气侧流量降低;液体管路阻塞故障,即液体管路变形或干燥器过滤器结垢;制冷剂充注量不足或充注量过多。故障原因主要集中在压缩机、制冷剂循环系统、电气控制系统等方面,由于压缩机由高压电动机驱动,所以在高压系统的电路检查与处理时,必需由经过车辆高压系统操作培训的专业维修人员来操作,操作时要做好安全防护措施,严格按照安全维修操作规程对高压系统断电后方可进行[19,20]。鼓风机与风门电机电路的控制传统电路基本一样,热泵空调系统故障诊断思路与传统汽车空调差异不大,可用故障诊断仪读取故障码对相应模块进行检查。
5、结语
本文主要研究了车用热泵空调的工作模式、探讨了技术研究进展和典型应用。现阶段车用热泵空调在低温环境下的制热效率有了大幅提高,综合了高压蓄电池、驱动电机、功率电子装置能量的热管理系统效果不断完善,CO2成为制冷工质选择方向,电动压缩机的控制愈来愈可靠精确,换热器除霜问题基本得到解决,需要注意的是,车用热泵空调是汽车空调的发展方向,在故障诊断还需深入研究。
参考文献:
[1]孙小霞.新能源汽车电动空调控制系统及其实现与研究[J].黑龙江科学,2018(18):150-151.
[2]轩小波陈斐,戎森杰.电动汽车用热泵空调系统制热性能的试验研究[J].制冷与空调,2017(3):47-50.
[3]郑思宇,魏名山,宋盼盼.电动汽车热泵空调发展概述[J].重庆理工大学学报,2018(8):14-23.
[4]黄佩.电动汽车冬季续航有了"续命"新招[N].中国能源报,2020-6-29.
[5]胡志林,张昶,杨纺,等.电动汽车热泵空调系统技术研究[J].汽车文摘,2019(5):6-11.
文章来源:魏秋兰,王红,刘涛.新能源汽车热泵空调技术研究与应用[J].汽车实用技术,2021,46(13):13-15+22.
分享:
为应对环境污染、石油危机的双重压力,大力发展新能源汽车已经成为我国国家战略。我国新能源汽车产销量已连续8年居世界第一。目前,我国新能源汽车企业人才面临严重短缺情况,职业院校在培养新能源汽车人才时也面临诸多问题,如设备不足、复杂结构不好讲解、抽象工作原理难以理解、实车性能实验无法开展等。
2024-03-05为应对环境污染、石油危机的双重压力,大力发展新能源汽车已经成为我国国家战略。我国新能源汽车产销量已连续8年居世界第一。目前,我国新能源汽车企业人才面临严重短缺情况,职业院校在培养新能源汽车人才时也面临诸多问题,如设备不足、复杂结构不好讲解、抽象工作原理难以理解、实车性能实验无法开展等。
2024-03-04本文详细介绍了基于深度学习的机器人视觉检测系统,包括感知模块、决策模块和控制执行模块,其中检测网络模型是核心。本文自定义构建了基于FPN和残差注意力机制的两阶段检测框架,并在实际工业焊装场景中进行了系统搭建与算法测试。结果表明,该模型达到了81.7%m AP的精度,可以轻松做到40 FPS的实时检测速度,最后通过实验证明了所提出系统和方法的有效性。
2024-01-16伴随新兴经济体跨国企业快速发展,逆向跨国并购已成为近年来国际商务领域的研究热点。逆向跨国并购通常是指新兴经济体企业通过并购发达国家企业以获取战略性资产的国际化经营行为[1]。与传统跨国并购相比,逆向跨国并购主要表现出“以弱并强”以及“蛇吞象”的形势[2]。
2024-01-16虚拟实训(实验)仿真技术是一种可以创设和体验虚拟情境的计算机系统,是利用虚拟仿真技术[1],在电脑上建立起一种能够全部或部分取代真实情境中实训(实验)操作的仿真环境,从而能够进行各种实验、实训操作,了解实验原理、实验步骤,或是练习操作技巧。
2024-01-16锂离子电池是电动汽车和混合动力电动汽车具有发展潜力的能量来源,三元锂电池具有高能量密度、长循环寿命、良好的工作稳定性和工作温度范围大等特性.良好的电池管理系统(battery mana-gement system, BMS)可以确保电动汽车和混合动力电动汽车储能的安全性和可靠性[1,2].准确估算电池的荷电状态(state of charge, SOC)是BMS中的一项重要功能[3].
2024-01-10车载娱乐系统中的操作系统主要包括WinCE、QNX、Linux、Android、鸿蒙OS和阿里OS。由于汽车制造企业在定制方面的需求日益增多,Android系统因其生态化、灵活性和受用户欢迎的优点,在市场上占据越来越大的份额。随着搭载Android系统的车载娱乐系统增多,对Android应用程序访问整车电子控制器件的需求也越来越多。
2024-01-02信息技术的发展极大的改变了人类社会的生产和管理方式,对中职教学活动也产生了深刻影响。作为经济的基础产业之一,汽车制造业也不断向着技术创新、业态创新、模式创新等方面发展,而这些创新离不开创新创业意识的支持。然而,在中职汽修专业教学中,学生们往往只注重技术的掌握,忽视了创新创业意识的培养。
2023-12-16为适应新能源汽车市场对专业人才的需求,吉林农业大学交通运输专业在2017年开设了新能源汽车技术课程。该课程是讲授新能源汽车基本原理的入门课程,具有专业性强、理论性强、知识体系繁杂等特点[2]。课程资源库是现代化信息教育平台,具有“能学、辅教”的功能,在现代化教学、线上线下混合教学以及在线开放课程中占据重要地位[3,4]。
2023-12-01汽车市场服务营销工作的科学推进,是促进汽车产品销售并推动汽车企业发展的重要举措,在大数据背景下,汽车市场服务营销工作应当做出恰当的调整,使汽车市场服务营销更好地适应市场环境的变化,并不断提升营销工作的实际成效。
2023-11-22人气:5850
人气:2224
人气:1677
人气:1651
人气:1459
我要评论
期刊名称:汽车实用技术
期刊人气:988
主管单位:陕西省科学技术协会
主办单位:陕西省科学技术协会
出版地方:陕西
专业分类:科技
国际刊号:1671-7988
国内刊号:61-1394/TH
邮发代号:52-275
创刊时间:1976年
发行周期:半月刊
期刊开本:大16开
见刊时间:4-6个月
影响因子:0.000
影响因子:0.010
影响因子:0.916
影响因子:0.345
影响因子:0.627
400-069-1609
您的论文已提交,我们会尽快联系您,请耐心等待!
你的密码已发送到您的邮箱,请查看!