【技术】汽车空调采暖（热泵系统）
采暖系统是汽车空调的热源，利用汽车发动机冷却液或废气的余热等，在加热器芯内进行热交换，加热进入车内的空气，提高车内的温度。汽车上应用最广泛的是非独立式水暖系统，利用发动机冷却液通过加热器时的热交换加热空气， 再通过鼓风机将暖气吹入车内。
汽车采暖系统的主要有3类
1、水暖式采暖系统
水暖式采暖系统主要由加热器、鼓风机、热水阀、通风道等组成。
发动机起动后，温度未达到正常工作温度以前，节温器会关闭水泵与散热器的通道，水泵和发动机冷却液出口通道相连，冷却液处于小循环状态，发动机温度迅速升高。当发动机温度达到工作温度（约为80-90℃）时，节温器接通水泵和散热器的通道，同时关闭水泵与发动机冷却液出口通道，冷却液通过散热器形成大循环。同时，部分高温冷却液进入加热器，并通过热传导和热对流将热量传递给周围的空气，再由鼓风机将加热后的空气吹入车内。在加热器中已释放了热量后的中文冷却液由水泵抽回发动机，如此反复循环。
2、PTC采暖系统
由于电动汽车空调系统没有可利用的发动机余热，其制热可通过PTC加热器实现。PTC加热器包括PTC空气加热器和PTC液体加热器两种。
1）PTC液体加热器
采用PTC水加热器间接加热空气。保留传统空调的暖风芯体，外接一套PTC加热循环回路。PTC先把水加热，热水流入暖风芯体与冷空气换热，冷空气被加热后送入乘员舱内。整套回路布置与前舱内，避免了高压接入乘员舱内的安全隐患；加热后的水温不会烤热塑料而发出异味。但这套系统增加了PTC、水泵、管路等零部件，成本较高。
此方案的缺点在于加热模式对蓄电池的消耗较大，在寒冷气候条件下，PTC 加热器的使用可使电动汽车的续驶里程缩短约 30% 到 45%，极大地影响电动汽车的续驶里程，增加电动汽车的生产成本。
2）PTC空气加热器
采用PTC空气加热器直接加热空气，取代传统车上的暖风芯体。冷空气直接流经加热器表面，加热后送入车内。这种方案成本比较低，但由于PTC接入乘员舱内，存在一定的安全风险。此外，加热器表面温度比较高，容易将周边塑料烤热发出异味，在设计加热器的安装位置时需要留意。
3、热泵系统
电动汽车因其节能和环保的优势受到了越来越多的关注，代表了未来汽车的发展方向。纯电动汽车空调系统制冷、供暖和除霜所需能量均来自整车动力电池，是电动汽车功耗的最大辅助子系统。电动汽车没有发动机余热作为供暖热源，需自身具有供暖功能，能够制冷制热双向运行的热泵型空调系统为汽车空调系统的设计提供了新的技术思路。
热泵系统1、热泵系统的原理
热泵系统原理我们已经很熟悉，这里不作介绍，用两张图来说明下问题。
2、热泵系统的结构（以宝马i3为例）
热泵系统的主要元件有热泵控制器、制冷剂温度传感器和压力-温度传感器、制冷剂截止阀、电控膨胀阀（EXV）、储液干燥器、热泵换热器等组成。
A. 热泵控制器
热泵控制器根据传感器数值执行指令，模拟通道评估制冷剂温度传感器和制冷剂压力-温度传感器信号，控制制冷剂截止阀和制冷剂电控膨胀阀（EXV）等执行器。
B.制冷剂温度传感器和压力-温度传感器
热泵的空调制冷剂管路上有三个温度传感器，两个压力-温度传感器，用于把制冷剂温度和压力值传递给热泵控制器。安装位置如下图所示。
C. 制冷剂截止阀
管路上的四个制冷剂截止阀用于控制制冷剂回路，开关阀门可以引起制冷剂在冷凝器和蒸发器中的不同流向，导致热泵有制冷、加热和混合三种不同的运转模式。制冷剂截止阀只能全开或全关，其中三个阀门在断电时打开，另一个阀门在断电时关闭。在热泵的加热模式，关闭的阀门打开，使制冷剂从冷凝器通过储液干燥器流回电动压缩机。
D. 电控膨胀阀（EXV）
由于使用了热泵，高电压蓄电池冷却回路中的热控膨胀阀(TXV)和组合的膨胀截止阀(ETXV)被三个电控膨胀阀(EXV)取代。这三个阀使用步进电机在0~100%之间控制制冷剂管路。
E. 储液干燥器
带热泵的储液干燥器要满足空调压缩机的进气要求，同时储存润滑用冷冻机油。作为储存罐，储液干燥器能够补偿压缩机长期运转缓慢减少的制冷剂，保证热泵回路的正常工作。
F. 热泵换热器
热泵换热器将高温高压制冷剂的热量传递给暖风加热管路流动的冷却液。
3、热泵系统的应用
当前适用于纯电动汽车的空调系统主要有：电动压缩机驱动制冷与PTC电加热结合的空气调节系统、热电空调系统及热泵空调系统等。因为能效比高、环保等优点，热泵空调技术已经成为未来纯电动汽车乃至新能源汽车的主要研究方向和发展趋势。对于车用热泵空调系统，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空调系统。其中比较成熟的技术是R134a热泵空调技术和CO2热泵空调系统。
A.R134a热泵空调系统
下图是独立式电动压缩机驱动形式的热泵空调系统，压缩机由单独电机驱动，电池组分别向动力系统驱动电机和电动压缩机供电。该系统以自然空气为热源，在车内同时安装有冷凝器和蒸发器，通过四通阀等部件进行控制以实现制冷器在车舱内外的双向循环，从而达到制冷、供暖、除霜等功能。新鲜空气从上部进入经加热后从挡风玻璃内部表面吹出除霜，内部循环空气则由下部风道导入经加热向乘客脚部吹出。此种方式不仅比传统的全新鲜空气流动方案节省能耗，而且解决了当外界环境温度较低且车内湿度较大时由车内空气再循环引起的结霜问题。
上述热泵空调系统性能参数如下表所示，其在-10℃到40℃时间均有良好的工作性能。
B. CO2热泵空调系统
CO2作为一种自然工质，其GWP（全球变暖潜能值）仅为1，且由于来源广泛、环保等优势，引起很多研究者的关注。国外许多企业均已研制出CO2汽车空调样机，系统示意图如下图所示。室温的水作为气体换热器和蒸发器的换热流体，通过控制水的流量，可将气体冷却器和蒸发器出口的水温分别保持在73℃和4℃。
有学者研究了用于燃料电池余热回收的CO2热泵型汽车空调，实验用热水供给系统模拟从燃料电池中回收的余热。制冷/制热循环包括一个半密闭式压缩机，超临界压力下的微通道换热器（气体冷却器和车内换热器），微通道蒸发器，内部换热器，膨胀阀和一个集热器。具体的制/制热循环如下图所示：
但CO2热泵型汽车空调压力较高，对系统的控制提出了更高的要求，同时成本也较高。目前热泵的发展方向有：
1. 开发更高效的直流涡旋压缩机
2. 开发控制更精准，更节能的电子膨胀阀
3. 采用高效过冷式平行流冷凝器
4. 改善微通道蒸发结构，使制冷剂蒸发更均匀
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