新能源汽車空調與傳統汽車空調的區別是采用電動壓縮機取代了傳統皮帶驅動的空調壓縮機。制冷工作原理基本相 同，取暖通常采用電加熱方式，主要分為兩種：一種是混合動力模式時利用發動機冷卻液作為熱源，為加熱器芯提供熱量;另一種是純電動模式下通過PTC加熱器直接加熱空氣或加熱冷卻液再間接加熱空氣，但是這些方式不僅能耗高而且制熱效率低。

熱泵型空調技術可以解決電動汽車取暖能耗高及對發動機余熱的依賴。熱泵空調系統以電動空調壓縮機，利用制冷循環可逆轉的特點，集制冷與制熱為一體，具有通用性好、對整結構改變小、結構緊湊、高效節能、環保等優點，成為了國內外專家研究的熱點和將來電動汽車空調發展趨勢。

本文針對新能源汽車熱泵空調系統控制技術發展和應用方面進行探討和研究。

1 熱泵空調系統工作模式

熱泵空調采用四通換向閥使蒸發器與冷凝器功能互相對換，改變熱量的轉移方向，從而達到夏天制冷和冬天制熱的效果。車用熱泵空調系統在四通換向閥基礎上做了改進：工作可靠，結構簡單。

以大眾e-Golf 車型為例，工作原理如圖1所示，主要由電動壓縮機、室內外換熱器、膨脹閥、切斷閥和氣液分離器等組成，使用切斷閥可以改變熱量轉移方向，將熱泵空調的蒸發器和冷凝器功能互相對換。制冷時，膨脹閥EV1關閉，由壓縮機排出的高壓蒸氣，先經熱冷凝器，再經切斷閥SV1進入冷凝器，制冷劑蒸氣被冷凝成液體，經膨脹閥EV2進入蒸發器，并在蒸發器中吸熱，將室內空氣冷卻，蒸發后的制冷劑蒸汽，經切斷閥SV4和氣液分離器后被壓縮機吸入，這樣周而復始，實現制冷循環。

(a)制冷模式

(b)制熱模式

圖 1 車用熱泵空調系統原理圖

取暖時，僅通過使用外部空氣的熱量為車輛內部供暖，電動空調壓縮機壓縮驅動制冷劑。氣態制冷劑高溫時所受壓 力較高。在熱冷凝器中，制冷劑將熱量傳到空氣中并開始冷凝。空氣受熱后，作為熱源流入車內，切斷閥 SV1 和 SV4關閉。膨脹閥 EV1 使壓力降低，液態制冷劑的溫度也相應下 降，這時蒸發器用作冷凝器，流入的制冷劑冷凝、開始釋放 熱量，這時預熱空氣進一步流向熱冷凝器，膨脹閥 EV3關閉，膨脹閥 EV2 進一步使制冷劑壓力降低，此時制冷劑溫度低于環境溫度，進而在冷凝器中蒸發，制冷劑蒸發時，會吸收外部較暖空氣熱量，使其溫度降低，氣態制冷劑流經切斷閥SV5，沿空調壓縮機方向流出冷凝器。

2 熱泵空調技術研究

熱泵空調系統中的電力驅動，會影響電動汽車的行駛里程，而且低溫下熱泵系統效率嚴重下降和車外換熱器容易結霜。因此，現階段研究主要集中在低溫環境中如何提高熱泵空調制熱能力、熱管理系統研究、最佳的制冷工質選擇、壓縮機的控制、換熱器除霜問題等方面。

2.1 低溫環境下提高熱效率

熱泵空調系統具有能效比高的特點，但工作溫度范圍受到制冷工質和空調系統結構的影響，發揮最大效率時的室外溫度范圍是 -5 °C 到 15 °C 之間，隨著環境溫度的降低，制熱能力衰減嚴重，在極端寒冷條件下，能效比下降明顯，需借助于高壓 PTC 進行輔助加熱。解決低溫工況制熱能力衰 減的主要應對措施有：補氣曾晗技術，提高制冷劑流量，增大散熱量;雙級壓縮中間冷卻技術，減小壓縮比，降低排 氣溫度;優化車外換熱器，改變可變進氣格柵等。

2.2 熱管理研究

為彌補熱泵空調低溫工況性能的不足，同時為了節約能 耗，大部分電動汽車都有一套綜合的熱管理系統：涵蓋采暖， 制冷，蓄熱，熱回收等技術。所有具有利用價值的熱元件如 高壓蓄電池、驅動電機、電子功率裝置、車載充電機都將在 這套系統的科學管理下工作。研究表明：純電動汽車在車 速變化時，電池散熱量迅速增加，即廢熱增加;當廢熱回收熱泵系統在 2 ℃的工況下運行時，換熱量最大可增加至 3 797 W，能效比范圍為 1.82～2.43，增加的廢熱能滿足制熱要求;當溫度降到-7 ℃ 時，換熱量最大可增至 2 407 W，能效比范 圍為 1.56～2.63，回風溫度可達 13.2 ℃，但仍需提供額外熱 源才能滿足制熱要求。

2.3 制冷工質的選擇

表1 幾種常見制冷劑的主要性能比較

2016 年 11 月蒙特利爾議定書第 28 次締約方大會中，汽車空調制冷劑R134a被列入《基加利修正案》限控清單;R134a在全球范圍內各國逐步禁用 R134a 作為汽車空調制冷劑。R410 因溫室效應較高，沒有被大量使用。與 R1234yf 相比，CO2更適合作為熱泵系統的制冷劑，其在極低溫(-3~20 ℃) 仍有較高的 COP(能效比)。CO2 具有良好的熱物理性能，并且 CO2使全球變暖的潛在能力(GWP)是 R134a 的千分之 一。?20 ℃的低溫環境下，CO2 熱泵電動車的采暖能力顯著大于 PTC 電動車，與傳統燃油車相近;在?5 ℃的環境下，相比 PTC 電動車，CO2 熱泵系統電動車在正常模式下的續航里程可增加 23.6%。

2.4 壓縮機控制技術

壓縮機是空調系統的核心部件，在已上市的搭載有熱泵空調系統的電動汽車上采用高壓電動渦旋壓縮機，具有結構 簡單、噪音低、體積小、重量輕、運行平穩、效率高等優點。在壓縮機中間腔補充中壓氣體，增加排氣量，降低排氣溫度，能夠提高制熱能力，所以采用補氣增焓技術的渦旋壓 縮機可以有效改善低溫環境下單級渦旋壓縮機的排氣溫度過高和制熱能力低下的問題，研究表明，在外界溫度-7 ℃ 時，準雙級壓縮機比單級壓縮機排氣溫度降低了 10 ℃;隨著外界溫度升高，壓縮機排氣質量流量逐漸增大，相比單 級壓縮機，準雙級壓縮機排氣量增大 12.9%～17.4%，制熱能力提升效果明顯。

2.5 除霜問題研究

在制熱模式下，車外換熱器被當作蒸發器使用，其表面溫度低于0℃時會引起換熱器表面結霜或者結冰，從而使換熱性能急劇下降，為此，可考慮給換熱器表面進行除霜，除霜方法主要有逆循環法和熱氣旁通法[14]。逆循環法除霜是通過改變四通換向閥的方向，切換至短暫的制冷模式，車外換熱器作為冷凝器使用，從而融化掉其表面的霜，但未被 蒸發的水還是容易導致二次結冰，也會降低系統的性能。熱氣旁通法除霜通常是指將壓縮機排氣旁通到蒸發器入口 處，利用壓縮機排出的高溫高壓制冷劑的潛熱來融霜。除霜 還可以采用更精準的熱開發控制、更節能更精準的硅電子膨脹閥，高效的過冷式平行流冷凝器，改善微通道蒸發器結構，使制冷劑蒸發更均勻。

3 熱泵空調的應用

熱泵空調系統已在電動汽車上逐漸得到應用和推廣，大 眾的 e-Golf 和新上的 ID4、奧迪 R8 和 Q7e-tron、寶馬 i3、雷 諾 Zoe、標致 2008、捷豹 i-Pace 均已量產裝車，特斯拉于 2020年量產的 Model Y 同樣已搭載熱泵空調，國內主要在長安CS75 PHEV、一汽奔騰 B30EV、上汽榮威 Ei5 和榮威 Marvel X 都應用了熱泵空調系統，而且覆蓋純電和混動車型。據報道，榮威在旗下車型上搭載的全工況熱泵空調系統在-7 ℃的環境前提下高效的熱泵將會相較于其他空調系統節能37.5%。在同樣供暖條件下搭載熱泵空調的電動車將會比傳統系統的電動車續航里程增加 15%~30%。

國內主機廠從 2000 年開始熱泵系統地研究和應用，2018年，格力也發布了旗下車載熱泵空調產品，搭載雙級增晗技術，并且已經解決超低溫環境下制熱量不足的問題，并在-30~54 ℃大溫度區間可靠運行，而格力更表示搭載該空調系統的車型在測試中空調耗電量降低 60%，整車續航里程提升13%。

4 熱泵空調故障診斷研究

車用熱泵空調系統中常見的故障為：壓縮機內泄漏故障;冷凝器側空氣流量不足故障，即冷凝器管路出現問題，會導致空氣側流量降低;蒸發器側空氣流量不足故障，即蒸發器 管路出現問題，會導致空氣側流量降低;液體管路阻塞故障， 即液體管路變形或干燥器過濾器結垢;制冷劑充注量不足或 充注量過多。故障原因主要集中在壓縮機、制冷劑循環系統、 電氣控制系統等方面，由于壓縮機由高壓電動機驅動，所以在高壓系統的電路檢查與處理時，必需由經過車輛高壓系統操作培訓的專業維修人員來操作，操作時要做好安全防護措 施，嚴格按照安全維修操作規程對高壓系統斷電后方可進行。鼓風機與風門電機電路的控制傳統電路基本一樣，熱泵空調系統故障診斷思路與傳統汽車空調差異不大，可用故障診斷儀讀取故障碼對相應模塊進行檢查。

審核編輯：湯梓紅