电动汽车空调的现状与发展前途

电动汽车空调的现状与发展前途

The status and the trend of electric vehicle air conditioning

摘 要：本文分析了电动汽车空调系统的特点，介绍了国内外电动汽车空

调发展现状，根据现状和实际使用需求叙述了电动汽车空调的发展趋势

Abstract:This paper analyses the characteristics of air conditioning

systems for electric vehicles which introduces the development status of electric vehicle air conditioners at home and abroad.The trend of electric vehicle air conditioning is described based on actual demand and status.

关键字：电动汽车( electric vehicles) 空调( air conditioning）发展现状（ the

development status） 液氮（ liquid-nitrogen ） 发展趋势（ the trend）

前言：

全球气候变暖、大气污染以及能源成本高涨等问题日趋严峻，汽车作为环境污染和能源消耗的主要来源之一，其节能减排问题受到了越来越广泛的重视，各国政府和汽车企业均将节能环保当作未来汽车技术发展的指导方向，这样节能环保的电动也就应运而生。电动汽车是集汽车技术、电子及计算机技术、电化学技术、能源与新材料技术于一体的高新技术产品，与普通内燃机汽车相比，具有无污染、噪声低及节省石油资源的特点。基于以上电动汽车的特点，它极有可能成为人类新一代的清洁环保交通工具，它的推广普及具有不可估量的重要意义。

电动汽车的出现也为电动汽车空调的研究开发提出了新的课题与挑战。汽车空调的功能就是把车厢内的温度、湿度、空气清洁度及空气流动性保持

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在使人感觉舒适的状态。在各种气候环境条件下，电动汽车车厢内应保持舒适状态，以提供舒适的驾驶和乘坐环境。另外，拥有一套节能高效的空调系统对电动汽车开拓市场也起到至关重要的作用。因此，在开发研制电动汽车同时,必然也要对其配套的空调系统进行开发与研制。

对于目前传统燃油汽车空调系统，制冷主要采用发动机驱动的蒸汽压缩式制冷系统进行降温，而制热主要采用燃油发动机产生的余热。而对于电动汽车中的纯电动汽车以及燃料电池汽车来说，没有发动机作为空调压缩机的动力源，也不能提供作为汽车空调冬天制热用的热源，因此无法直接采用传统汽车空调系统的解决方案；对于混合动力车型来说，发动机的控制方式多样，故空调压缩机也不能采用发动机直接驱动的方案。综合以上原因，在电动汽车的开发过程中，必须研究适合电动汽车使用的新型空调系统。对于电动汽车来说，车上拥有高压直流电源，因此，采用电动热泵型空调系统，压缩机采用电机直接驱动，成为电动汽车可行的解决方案。

正文：

1. 电动汽车空调的特点

电动汽车空调与普通空调装置相比，电动汽车空调装置以及车内环境主要有以下特点：

1) 汽车空调系统安装在运动的车辆上，要承受剧烈而频繁的振动与冲击，要求电动汽车空调装置结构中的各个零部件都应具有足够抗振动冲击的强度和良好的系统气密性能；

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2) 电动汽车大部分属于短距离代步，乘坐时间较短，加上电动汽车内乘员所占空间比大，产生的热量相对较多，相对热负荷大，要求空调具有快速制冷、制热和低速运行能力；

3) 电动汽车空调使用的是车上蓄电池提供的直流电源，压缩机工作效率高，控制可靠性高，维护方便；

4) 汽车车身隔热层薄，而且门窗多，玻璃面积大，隔热性能差，电动汽车也不例外，致使车内漏热严重；

5) 车内设施高低不平且有座椅，气流分配组织困难，难以做到气流分布均匀。

2. 国内外电动汽车空调发展现状 1) 国内电动汽车空调发展现状

早期的国产电动汽车由于受到蓄电池能力的限制，为了不影响电动汽车的续行里程，大多数电动汽车都没有配备空调系统。

随着国内电动汽车逐步产业化、市场化，电动汽车必然要配备空调系统。由于受到电动汽车独特性影响，对于电动汽车中的纯电动汽车以及燃料电池汽车来说，没有发动机作为空调压缩机的动力源，也不能提供作为汽车空调冬天制热用的热源，国内汽车厂家就从传统燃油汽车空调的基础上进行部分替换设计，将燃油发动机带动的压缩机替换成直流电机直接驱动的压缩机，控制上相应改变，来完成空调制冷的功能，目前替换设计效果基本能解决电动汽车空调的制冷问题，但制冷效率有待提高。由于没有燃油发动机产生的余热，制热功能国内厂家目前主要采用PTC加热和电热管加热，这些加热模式虽能满足制热效果，但这些加

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热模式都是硬消耗电动汽车上的蓄电池电能，制热效率相对较低，影响电动汽车的续行里程。

在空调的主要零部件选用上，目前国内的电动汽车除了压缩机和控制模式，其他主要零部件还是沿用燃油汽车空调的零部件，冷凝设备主要用的是平行流冷凝器，蒸发设备主要用的是层叠式蒸发器，节流装置仍然是热力膨胀阀，制冷剂仍然是R 134a。

据不完全了解，国内在大力开发电动汽车的厂家如奇瑞、比亚迪、一汽、上汽、江淮等 目前电动汽车空调配套情况基本差不多，都处于上述的发展现状。

2) 国外电动汽车空调发展现状

国外电动汽车空调发展相对国内来说较成熟，国外电动汽车空调不乏有跟国内相似的模式，但在热泵电动汽车空调上已经有了一定的基础，日本本田纯电动车就采用了电驱动热泵式空调系统，系统中内置了一个反换流器控制压缩泵。此外，在特别寒冷的地区使用时，部分车型顾客可以选装一个燃油加热器采暖系统。

日本电装（DENSO）公司早在几年前就开发了采用R 134a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和蒸发器的结构。电装（DENSO）公司在2003年还开发了由于自然工质CO2良好的热物理性能，日本电装公司也为电动车开发了一套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和外部冷凝器。

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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，这种空调座椅上装有热电热泵，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还可以改善驾驶、乘坐的舒适性，在电动汽车上配套使用比较适合。

因此，国外电动汽车空调从节能高效和实用性上有所突破，国内电动汽车空调行业应积极向国外先进技术学习、借鉴，并在此基础上有所创新突破。

3. 电动汽车空调的发展趋势

电动汽车驱动能量来源于蓄电池，有别于传统燃油汽车，使得它的空调系统也不同于燃油汽车空调，由于作为驱动能量来源的蓄电池容量有限，空调系统的能耗对电动汽车的续行里程有较大的影响。同燃油汽车相比，对电动汽车空调系统的节能高效提出了更高的要求。同时，电动汽车空调必须要解决制冷、制热两大问题。根据电动汽车特有性质，目前电动汽车空调可采用热电（偶）空调系统，电动热泵型空调系统和

液氮电动汽车空调系统。

1) 热电（偶）电动汽车空调系统

该项技术具有很多适合电动汽车使用的特点，并且与传统机械压缩式空调系统相比，热电空气调节具有以下特点:

a) 热电元件工作需要直流电源;

b) 改变电流方向即可产生制冷、制热的逆效果;

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c) 热电制冷片热惯性非常小，制冷时间很短，在热端散热良好冷端空载

的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差;

d) 调节组件工作电流的大小即可调节制冷速度和温度，温度控制精度可

达0.001℃，并且容易实现能量的连续调节;

e) 在正确设计和应用条件下，其制冷效率可达

90%以上，而制热效率

远大于1;

f)

体积小、重量轻、结构紧凑，有利于减小电动汽车的整备质量;可靠

性高、寿命长并且维护方便;没有转动部件，因此无振动、无摩擦、无噪声且耐冲击。

热电（偶）制冷、制热工作原理如图1所示：

图1 热电（偶）制冷、制热工作原理图

2) 热泵型电动汽车空调系统

该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机直接驱动，系统的工作原理图如图2所示。该系统与普通的热泵空调系统并无本质区别，由于在电动车上使用，压缩机等主要部

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件有其特殊性。而且国外热泵技术具备了一定的基础，该技术最大的优点就是制冷、制热效率高，相关企业开发的全封闭电动涡旋压缩机，是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，质量轻等优点。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 的能耗获得2.9kW 的制冷量；当环境温度为-l0℃ ，车内温度25℃，以1kW的能耗可以获得2.3kW 的制热量。在-l0℃～40℃的环境温度下，均能以较高的效率为电动汽车提供舒适的驾乘环境。若能在零部件技术上得到改进，相应效率还可以得到提高。

图2 热泵系统工作原理图

其工作原理如图2所示, 空调系统的制冷 / 制热模式由四通换向阀转换, 实线箭头表示制冷工况, 虚线箭头表示制热工况。从原理上讲, 该系统与普通

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的热泵空调并无区别, 但是用于电动车辆上, 其专门开发了双工作腔滑片压缩机、直流无刷电动机和逆变器控制系统。在热泵工况下, 系统从融霜模式转为制热模式时, 风道内换热器上的冷凝水将迅速蒸发, 在挡风玻璃上结霜, 影响驾驶的安全性。还有其采用的制冷 剂为CFC12, 已经不能满足环保法规的要求。因此日本电装公司开发采用HFC134a 制冷剂的电动汽车热泵空调统。

电装公司开发的采用HFC134a 制冷剂的电动汽车热泵空调统, 其在热泵系统的风道中采用了车内冷凝器和蒸发器的结构, 如图3所示。制冷工况循环为: 由压缩机经四通阀至车外冷凝器, 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, 再经电膨胀阀2、车外冷凝器、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。

图3：日本电装电动汽车热泵空调系统

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３．液氮电动汽车空调系统：为了解决目前电动汽车无法使用普通空调的问题，进而延长电动汽车的续行里程，同时，又能为电动汽车电机、电控、电池降温、提高整车安全性能。有必要采用液氮作为冷媒，吸收周围环境的热量，为司乘空间提供空调功能，为电动汽车电机、电控、电池降温的整体解决方案。空气中78% 的气体是氮气，是大气中含量最丰富的气体。在增大压力，将气温降到零下196度时，氮气就会变成液体，形成液氮。当压力回到大气压时，液氮仍是液态。液氮可以用普通的保温瓶储存。液氮在储存过程中，会吸收热量变成气体，这一过程称为汽化。汽化过程吸收的热量，称为汽化潜热。液氮的汽化潜热是47.4千卡/公斤，即198千焦耳/公斤。液氮的汽化是在零下196度发生的。在从这一温度升高至大气温度的过程中也要吸收热量。氮气每升高一摄氏度所需的热量基本上是一样的，这个热量值称为定压比热容，是1.04千焦耳/公斤/度。温度升到27摄氏度时吸收热量232千焦耳。

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图4;低温液氮与常温氮气之间的循环

在液氮和氮气的转化过程中，不存在任何污染，可以实现真正意义上的零排放。是真正意义上的可循环，可再生过程，与石化能源无法重复的过程相比具有更深远的意义。从环境保护的意义上讲，将有助于改善全球温室气体排放量和降低城市热岛效应。对缓解全球温度升高和降低温室效应有非常积极和长远的意义。

下图是液氮空调系统的结构示意图

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图5：液氮空调系统结构示意图

系统在工作过程中，将液氮排到汽化器箱体，液氮在汽化器箱体的管道内，吸收热量汽化，转变为气体，与车辆上的司乘空间、电机、电控、电池成组等需要降温空间，通过循环系统和汽化器箱体进行热量交换。实现车辆上司乘空间的空调功能以及电池、电控、和电池成组的降温功能。

该系统的整体功能和意义如下：

1、由于采用了预先装入的液氮作为冷源，整个制冷过程不需再消耗电动汽车的电池能量。电动汽车的续行里程就不会由于使用空调而降低。 2、电动汽车的驱动电机，长时间行驶时，发热量很大，过载时发热更加严重。如果不采取降温措施，电机很容易烧毁，进而引起整车抛锚。从蒸发器排出的氮气，温度相对电机较低，经过电机时，将电机产生的热量吸收，从而将电机的温升控制在安全范围内，保证了电机的安全，提高了电动汽车整

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车的安全性能。

3、低温氮气通过电动汽车电池箱时，将电池产生的热量带走，减小电池温升，从而减小电池“成组效应”。延长了电池成组使用寿命。

4、低温氮气降低电池的温升，避免电池过热引起的起火和爆炸事故。 5、利用空分厂副产品——液氮，使液氮能有较好的利用价值，同时，可使汽车空调的使用成本降低。

6、不仅可应用于电动汽车，还可应用普通燃油汽车、轮船、飞机等移动运输设备空间的制冷。

结论：

经过以上介绍和探讨,可以总结出电动空调系统相对于其他空调系统具有很多优点,但是在纯电动汽车上匹配时需要注意对整车性能的影响,特别是续驶里程和最高车速,不能厚此薄彼,要综合考虑,系统各部件的选用要以节能为中心。电动汽车上的空调系统目前主要采用的是电动压缩机空调系统,但是其它形式的空调系统也有很大的发展空间。

参考文献

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④http://www.ddczx.org/content.asp?id=586

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/26yr.html