基于热泵利用电驱动汽车产生的余热

2018-09-06李赟

山西电子技术 2018年4期

李赟

(山西交通职业技术学院，山西太原 030031)

热泵(Heat Pump)是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置，也是全世界倍受关注的新能源技术。它不同于人们所熟悉的可以提高位能的机械设备“泵”；热泵通常是先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，然后再向人们提供可被利用的高品位热能。

电驱动汽车产生的余热要比内燃机汽车少得多,热泵的应用实现了利用电动传动系元件的余热对车内空间进行加热。通过扩展制冷剂及冷却液回路，可以回收余热用于加热，这样可使电动加热运行模式的效率得到显著提升。热泵会将电动传动系元件散失的热量收集起来，然后使流经热交换器的冷却液达到更高的温度水平。

热泵优点在于温度预调节利用电动空调压缩机和高电压加热装置(PTC)，在夏季行驶前可以对车内空间提前制冷，冬季提前加热，热泵无需辅助加热就可以维持在22 ℃左右的舒适温度。热泵的另一个优点是，可以避免车窗在潮湿气候条件下蒙上水雾,通过它可首先对吸入的空气进行冷却并除湿，接着通过热泵重新高效地加热。电动车辆的传统加热系统为此需要消耗两次能量。

1 热泵的工作原理

热泵系统的工作原理与制冷系统的工作原理是一致的。两者的主要部件及组成是一样的：压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器。

在夏季空调降温时，按制冷工况运行，由压缩机排出的高压蒸汽，经换向阀进入冷凝器，制冷剂蒸汽被冷凝成液体，经节流装置进入蒸发器，并在蒸发器中吸热，将室内空气冷却，蒸发后的制冷剂蒸汽，经换向阀后被压缩机吸入，这样周而复始，实现制冷循环。

在冬季取暖时，热泵工作，于是由压缩机排出的高压制冷剂蒸汽，经换向阀后流入室内蒸发器，制冷剂蒸汽冷凝时放出的潜热，将室内空气加热，达到室内取暖目的，冷凝后的液态制冷剂，从反向流过节流装置进入冷凝器，吸收外界热量而蒸发，蒸发后的蒸汽经过换向阀后被压缩机吸入，完成制热循环。这样，将外界空气(或循环水)中的热量"泵"入温度较高的室内，故称为“热泵”。

2 热泵的热管理系统

热泵的热管理系统属高电压系统部件，包括空调器制冷、热泵、冷却等功能。热管理系统控制器读取来自温度和压力传感器的信号，控制泵和阀门。控制器可以协调由热泵新加入的部件的请求，协调子系统的请求，并尝试调节最节能的工作点。高电压加热装置(PTC)会加热车内空间的暖风热交换器中的冷却液。这是在电动行驶和温度预调节时进行的,只有当热泵的加热功率不足以加热车内空间时，高电压加热装置才会投入工作。

热泵的热管理系统的另一元件是电动空调压缩机，它是种新开发汽车空调系统的核心部件。电动空调压缩机以低压吸入低温气态制冷剂。它在压缩机中被压缩，同时提高压力，制冷剂的温度上升。压缩后的高温气态制冷剂从空调压缩机流入阀体，然后根据运行状态，制冷运行模式时，流向冷凝器；热泵运行模式时，流向用于热泵运行的热交换器。电动空调压缩机在必要时不仅负责车内的加热和制冷，也负责混合动力蓄电池单元的加热和冷却。制冷剂断流阀布置在一个紧凑的阀体内，通过LIN总线受控制器促动,阀门的开关位置决定了系统的运行。此外系统还包含电子膨胀阀(热管理系统控制器通过LIN总线促动)，用于截流蒸发器的制冷剂断流阀,止回阀可以保证制冷剂在不同运行模式下沿正确方向流动。

3 热泵的热管理系统的工作过程

混合动力蓄电池热交换器是一台板式热交换器，制冷剂在其中被蒸发。该部件用于冷却蓄电池回路，并在热泵运行时吸收来自低温回路的热量。带制冷剂收集器的，用于热泵运行的热交换器将来自制冷剂回路和冷却回路的热量传递给加热回路。高温气态制冷剂在板式热交换器中冷凝，同时将热量散至加热回路。制冷剂回路不同于传统系统，它有另外的热泵部件，制冷剂回路的两个保养接口(高压和低压)分别位于低压侧空调压缩机上游以及高压侧阀体下游。新的部件有带阀门的阀体、用于热泵运行模式的热交换器、内部热交换器、制冷剂膨胀阀及4个止回阀。

热泵的3种运行状态为加热运行、制冷运行和用于空气除湿的再加热运行模式。

1)加热运行模式：如图1示，加热车内空间时，电动空调压缩机压缩气态制冷剂使其急剧升温。用于热泵运行的热交换器是一款紧凑型的板式热交换器，将高温气体的热量传递至车内空间的加热回路，在此过程中气体冷却并液化。液态制冷剂经电动膨胀阀泄压，接着在混合动力蓄电池热交换器中蒸发。同时混合动力蓄电池热交换器吸收电动传动系低温回路的热量，后者温度由此降低约3 ℃～5 ℃。通过这一过程，热泵可将电动动力总成的废热用于加热车内空间。

图1 加热运行模式运行状态

2)制冷运行模式：如图2所示，气态制冷剂不像在加热运行模式下一样在用于热泵运行的热交换器内液化，而是在车辆前端的大冷凝器中液化。它通过热膨胀阀膨胀、在空调器的蒸发器内蒸发并由此对车内空间进行制冷。

图2 制冷运行模式运行状态

3)再加热运行模式：如图3所示，在再加热运行模式下，空气首先冷却，同时除湿，接着重新受热，用于热泵运行的热交换器将制冷剂冷却空气时吸收的热量提供给车内空间，必要时系统还可以通过混合动力蓄电池热交换器获取电动传动系的余热，通过这种运行模式避免车窗蒙上水雾。

图3 再加热运行模式运行状态

车内空间加热用于向车内提供热量。它是冷却液回路的组成部分。它与传统车辆加热回路的区别在于额外集成的高电压加热装置(PTC)和用于热泵运行的热交换器。这些元件让混合动力车辆即使在较低环境温度也能够运行，无任何舒适性影响。电动行驶时，车内空间加热回路通过切换阀门而与内燃机的冷却回路断开，这样可以将通过高电压加热装置(PTC)和用于热泵运行的热交换器带来的能量提供给车内空间。