李冬青 张永学

（1.焦作交通中等职业学校，焦作 454200；2.郑州交通学院，郑州 450062）

电动汽车作为目前新能源汽车的主要类型，已公认为是汽车的发展方向。尽管目前电动汽车的动力性、经济性和舒适性与传统燃油汽车还存在一定的差距，但无论是政府、科研机构，还是汽车制造商都在致力于电动汽车与传统汽车相比性能上的突破。作为汽车舒适性之一的空调性能已成为现代汽车消费者的基本要求。然而，由于电动汽车的动力源与传统燃油汽车有着本质的不同，其空调系统也有着较大的差别。

汽车空调作用有三个，一是调节乘舱内的空气温度，二是吸入新鲜空气，保持乘舱内的空气流动和清洁度；三是实现挡风玻璃的去霜功能，保持驾驶员有一个良好的视野。传统燃油汽车空调装置实现上述功能，是依靠来自于发动机曲轴的动力，驱动压缩机和水泵（发动机余热）进行工作，而电动汽车就不能依靠机械动力实现上述功能。

1 目前电动汽车空调设计现状

1.BSG电动汽车空调系统：BSG电动汽车，也就是轻度混合电动汽车，其电机不直接参与动力驱动，仅仅是作为快速启动发动机时的扭力来源。因此，对于BSG电动汽车的空调系统与传统燃油发动机的空调系统基本一样，制冷装置的压缩机的动力来源于发动机曲轴上的机械动力，取暖仍然是利用发动机的余热，只是机械水泵换成电动水泵。

2.ISG电动汽车的空调系统：ISG电动汽车，即中度混合电动汽车，其电机参与动力驱动，但还不具备纯电动汽车的行驶模式。由于ISG电动汽车配有小容量的高压电池，其空调系统与传统燃油汽车相比有一定的变化。其制冷系统多采用双模系统，即发动机运行时，空调压缩机动力来自于发动机，发动机停止运转时，压缩机由电机驱动。其取暖方式与ISG相同。

3.PHEV电动汽车空调系统：PHEV电动汽车，即插电式混合动力汽车，不仅配有大容量的高压电池，还可以利用外部电源进行充电。其电机不仅参与发动机的动力驱动，还可以以纯电动模式进行动力驱动。因此，其空调系统与ISG相比，又有了进一步的改进。其制冷装置的压缩机不是依靠发动机或驱动电机提供动力的机械是压缩机，而是电动压缩机。其优点是重量轻、体积小、噪声低、制冷效率高，而且控制精度高，已成为电动汽车空调系统的发展趋势。其取暖装置分别采用发动机余热+电动水泵+空气PTC辅助加热和发动机余热+电动水泵+独立的燃料加热器两种方式。

4.EV电动汽车的空调系统：EV电动汽车，即纯电动汽车，没有发动机，所有动力来源只能是蓄电池。其制冷系统与PHEV基本相同，但取暖装置只能依靠于高压大容量电池。目前有两种方式：高压PTC水加热器+电动水泵和高压PTC空气加热器。

5.FCEV电动汽车的空调系统：FCEV电动汽车，即燃料电动汽车，就是将燃料的化学能转化成电能（即燃料电池），作为汽车的运行动力。由于燃料电池在能量转化过程中，只能部分转化成电能，而其余部分则转化成热能。因此，其取暖装置可以利用燃料电池工作时产生的余热+电动水泵的方式来提高舱室的温度。其制冷装置依靠于电动压缩机的方式工作。

2 电动汽车空调的发展趋势

电动汽车的发展方向必将是由混合动力向纯电动汽车和燃料电动汽车方向发展，其空调动力来源也是由机械动力转为电源动力。但对于电动汽车有限的电能源而言，如何降低最大辅助耗能的空调能源消耗，提高制冷（热）效率，无疑对于延长电动汽车的行驶里程有着重要的意义。国内外高校和企业在研究电动汽车的同时，也相应地开展了空调系统的配套研究。由于传统的燃油汽车车舱内冬季采暖一般采用发动机的余热，而电动汽车尤其是纯电动汽车冬季取暖不可能再依靠发动机余热，这就需要一种既能制冷又能制热的车用空调。就目前国内外的研究动向，电动汽车的空调倾向于热泵技术空调。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，市场上大约40%左右的家用空调运用热泵技术。对汽车热泵空调系统的研究目前仅仅局限于实验室。目前汽车热泵空调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.R134a热泵空调系统：R134a热泵空调系统是日本电装公司开发的电动汽车空调系统。该系统是以空气为热源，在车舱内同时安装有蒸发器和冷凝器，通过四通阀等关键部件的控制，可以实现制冷剂车舱内外双向流动，达到制冷、取暖、除湿、除霜的功能，其原理如图1。该空调系统经试验测试，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，系统的制冷效能比（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（COPh）达2.3。目前，该空调系统还停留在实验室研究阶段，其主要应用瓶颈在于压缩机要求是高效能的纯电动压缩机。另外，由于该系统采用的制冷剂R134ad的GWP(全球变暖潜能)值较高（1300），这与欧盟制定的“自2017年1月1日起，在欧洲境内生产和销售的所有新车，禁止使用GWP＞150的制冷剂。”相冲突，因此需要进一步研究和改进。

图1 R134a热泵空调原理图

2. CO2热泵空调系统：CO2作为一种自然制冷剂在100年前曾经广泛应用，只是到了上世纪30年代，有了“较合理”的氟利昂制冷剂所代替。目前，随着人们环保意识的增强和空调标准的提高，尤其是对制冷剂的GWP值要求的降低，CO2（GWP值为1）作为一种来源广泛、价格低廉、无毒、安全的天然气体重新列入空调制冷剂的方向。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。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（图1）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。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。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还仅仅停留在实验室研究阶段。

3.电加热辅助热泵空调系统：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。三菱汽车2009年7月上市的电动汽车“i-MiEV”采用了电加热器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（图2）。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。

图2 i-MiEV电动汽车电加热器

4.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。由于汽车空调在制冷时需要几千瓦的功率，而目前在轿车顶部安装不足2m2太阳能电池一小时只能产生200-300W的能量，要完全依靠太阳能电池来驱动压缩机目前还不可能。但是可以驱动风扇电机，尤其是在夏季阳光下泊车时，在减少车舱内因太阳照射升温的同时，可以驱动风扇，加强车舱内的空气流通，能在乘车人进入车内时有一个较好的环境。

5.冷热电联合储能电动汽车空调系统：本技术以水为介质，通过蓄冷/蓄热供应电动汽车的空调/暖气，代替现有的电驱动空调和电加热器，由此大幅度提高电动汽车的续程能力，同时大幅度降低储能设备的成本。夏季，汽车充电时，制冷系统启动，为蓄能器制冰蓄冷。冬季，汽车充电时，通过电加热系统（PTC），为蓄能器蓄热。该空调系统的最大优点是减少了对有限能源的依赖，从而延长了电动汽车的行驶里程。不足之处就是增加了汽车的重量和蓄冷/蓄热设施。

3 结论

空调作为电动汽车最大辅助系统，随着动力源的变化，其工作形式也必将发生质的变化。目前国内外对电动汽车空调、尤其是纯电动汽车空调系统的研究大多是停留在实验室研究阶段，虽然提出许多设计方案（除了上述五种方案外，还有座椅空调系统），但最根本的一点就是提高空调制冷/制热效率，减少有限电能消耗，保证汽车有效的持续里程。

[1] 谢卓，陈江平，陈芝久．电动车热泵空调系统的设计分析[J]．汽车工程，2006（8）

[2] 曹中义．电动汽车空调系统解决方案[J]．汽车电器，2008（3）

[3] 欧阳光．热泵型电动汽车空调系统性能试验研究[D]．华南理工大学，2011