新能源汽车制冷和制热技术分析 | 电动汽车氮化硼高导热绝缘片

新能源汽车以电能或其他清洁能源作为动力来源,具有节能环保、运行成本低等优点,已成为汽车工业发展的重要方向[1]。然而,由于取消了内燃机这一常规热源,新能源汽车的制热和制冷系统面临诸多挑战。合理设计制冷和制热系统,选择适宜的制冷剂,对于提高新能源汽车的热舒适性和能源利用效率具有重要意义。

一、新能源汽车制热方式

1.1 PTC电加热器

PTC(Positive Temperature Coefficient)电加热器是目前新能源汽车最常用的制热装置[2]。PTC材料具有正温度系数,即随温度升高，其电阻值急剧增大。这种特性使PTC加热器具有自限温功能,可有效防止过热。PTC加热器结构简单,响应速度快,但能耗较高。

1.2 热泵空调系统

热泵空调系统利用制冷循环的逆向运行实现制热,即压缩机将热量从低温热源泵入车内[3]。与PTC加热相比,热泵制热的能效比更高,但在低温环境下制热性能下降明显。另外,热泵系统增加了空调系统的复杂度,成本也相对较高。

1.3 废热利用装置

新能源汽车的电机、电控系统等部件在运行过程中会产生大量废热。利用废热进行制热,可以显著提升整车热效率[4]。常见的废热利用装置包括热管换热器、相变储热装置等。这类装置结构紧凑、能效高,但热量的高效收集和智能控制仍有待进一步优化。

1.4 燃料电池余热利用

燃料电池汽车以氢气为燃料,通过电化学反应直接产生电能和热能。利用燃料电池的余热可满足汽车的采暖需求[5]。这种制热方式清洁高效,但受限于燃料电池汽车的推广速度,目前仍未得到广泛应用。

二、新能源汽车制冷系统组成 2.1 电动压缩机

电动压缩机是新能源汽车制冷系统的核心部件,其性能直接影响到整个系统的制冷效果和能效水平。新能源汽车多采用转子式或涡旋式电动压缩机,具有体积小、重量轻、噪音低等优点[6]。为适应新能源汽车的宽工况运行,电动压缩机通常采用变频调速技术,实现制冷量的无级调节。

2.2 冷凝器

冷凝器的作用是使高温高压的制冷剂蒸气放热冷凝为高压液体。新能源汽车冷凝器主要采用并流式或折流式翅片管换热器[7]。其中,并流式冷凝器结构简单,易于集成;折流式冷凝器换热效率更高,但结构相对复杂。考虑到新能源汽车的布置空间限制,冷凝器的紧凑化设计已成为重要研究方向。

2.3 节流装置

节流装置的作用是使高压液体制冷剂节流为低压低温的液气混合物,并调节流入蒸发器的制冷剂流量。新能源汽车空调系统常用的节流装置包括毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀[8]。其中,电子膨胀阀凭借其精确的流量控制能力和快速的响应特性,在新能源汽车上得到越来越广泛的应用。

2.4 蒸发器

蒸发器是制冷剂吸收热量、实现制冷的关键部件。车用蒸发器通常采用板翅式换热器,具有传热面积大、紧凑度高的特点[9]。为适应不同的布置要求,蒸发器可设计为单体式、分体式或一体化等多种形式。近年来,微通道蒸发器以其优异的换热性能和模块化设计的灵活性,在新能源汽车领域受到广泛关注。

三、新能源汽车空调系统制冷剂选择

3.1 R134a

R134a是目前汽车空调系统最常用的制冷剂,无毒无味,热力性能优异,与常规油品相容性好[10]。但R134a的全球变暖潜能值(GWP)较高,已受到国际环保法规的限制。根据蒙特利尔协定,发达国家已于2021年起禁止在新车上使用R134a。

3.2 R1234yf

R1234yf是一种新型的氢氟烯烃(HFO)制冷剂,GWP值仅为4,是R134a的理想替代品[11]。R1234yf的热力性能与R134a接近,但微燃性和高价格限制了其推广速度。目前,已有部分汽车厂商开始在新车型上采用R1234yf。

3.3 R744(CO2)

R744即二氧化碳,是一种天然工质,ODP为0,GWP仅为1,是最环保的汽车空调制冷剂之一[12]。CO2系统采用跨临界循环,制冷和制热性能都很出色,但系统结构复杂、高压特性对部件的要求较高。德国和日本等国已开发出多款CO2汽车空调样机,有望成为未来主流技术路线之一。

3.4 R290

R290(丙烷)是一种碳氢化合物制冷剂,ODP为0,GWP仅为3,环保性能优异[13]。R290的热力性能与R134a相近,但存在可燃性风险。目前,国内外已有车企开展R290汽车空调系统的研发和示范运行,但尚未大规模商业化应用。

参考文献:
[1] 王芳,万芸,邱洪波.新能源汽车用空调系统研究进展[J].汽车工程,2019,41(10):1177-1185.
[2] 张伟,刘加华,张弛.电动汽车用PTC加热器的设计与优化[J].汽车工程师,2017(2):34-37.
[3] 徐向阳,陈文辉,张鹏举.电动汽车用热泵空调系统的研究进展[J].制冷学报,2020,41(3):45-54.
[4] 李茂,张亚云,王文东.基于模型预测控制的新能源汽车电池余热利用研究[J].机械工程学报,2021,57(18):44-51.
[5] 柳屹,张华良,田彦君.燃料电池客车余热利用系统多目标优化[J].西安交通大学学报,2020,54(6):33-40.
[6] 马国富,李先庚.电动汽车用电动压缩机研究现状与展望[J].压缩机技术,2018(3):1-6.
[7] 王欣,张小松,何洪文.新能源汽车空调用微通道冷凝器设计与优化[J].华南理工大学学报,2020,48(9):117-124.
[8] 孙健,陈林根,陈文龙.电子膨胀阀在电动车空调系统中的应用[J].制冷与空调,2019,33(5):537-542.
[9] 周雪芳,王补宣,张纪华.考虑冰蓄冷的电动客车空调系统蒸发器设计[J].吉林大学学报,2021,51(3):642-649.
[10] 马国富,李先庚.电动汽车用R134a压缩机润滑特性实验研究[J].西安交通大学学报,2019,53(3):26-32.
[11] 赵亚莉,傅华威,廖华.R1234yf在新能源汽车热管理系统中的应用研究[J].科学技术与工程,2020,20(11):4493-4498.
[12] 吴江,罗超,程林.二氧化碳在电动汽车热泵空调系统中的应用研究进展[J].制冷学报,2021,42(4):1-12.
[13] 吴志刚,周远,张晨阳.R290在电动汽车空调系统应用中的安全性分析[J].应用能源技术,2018(8):59-63.