新能源汽車制冷和制熱技術(shù)分析 | 電動(dòng)汽車氮化硼高導(dǎo)熱絕緣片

新能源汽車以電能或其他清潔能源作為動(dòng)力來(lái)源,具有節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn),已成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向[1]。然而,由于取消了內(nèi)燃機(jī)這一常規(guī)熱源,新能源汽車的制熱和制冷系統(tǒng)面臨諸多挑戰(zhàn)。合理設(shè)計(jì)制冷和制熱系統(tǒng),選擇適宜的制冷劑,對(duì)于提高新能源汽車的熱舒適性和能源利用效率具有重要意義。

一、新能源汽車制熱方式

1.1 PTC電加熱器

PTC(Positive Temperature Coefficient)電加熱器是目前新能源汽車最常用的制熱裝置[2]。PTC材料具有正溫度系數(shù),即隨溫度升高，其電阻值急劇增大。這種特性使PTC加熱器具有自限溫功能,可有效防止過(guò)熱。PTC加熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,響應(yīng)速度快,但能耗較高。

1.2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)利用制冷循環(huán)的逆向運(yùn)行實(shí)現(xiàn)制熱,即壓縮機(jī)將熱量從低溫?zé)嵩幢萌胲噧?nèi)[3]。與PTC加熱相比,熱泵制熱的能效比更高,但在低溫環(huán)境下制熱性能下降明顯。另外,熱泵系統(tǒng)增加了空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜度,成本也相對(duì)較高。

1.3 廢熱利用裝置

新能源汽車的電機(jī)、電控系統(tǒng)等部件在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量廢熱。利用廢熱進(jìn)行制熱,可以顯著提升整車熱效率[4]。常見(jiàn)的廢熱利用裝置包括熱管換熱器、相變儲(chǔ)熱裝置等。這類裝置結(jié)構(gòu)緊湊、能效高,但熱量的高效收集和智能控制仍有待進(jìn)一步優(yōu)化。

1.4 燃料電池余熱利用

燃料電池汽車以氫氣為燃料,通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電能和熱能。利用燃料電池的余熱可滿足汽車的采暖需求[5]。這種制熱方式清潔高效,但受限于燃料電池汽車的推廣速度,目前仍未得到廣泛應(yīng)用。

二、新能源汽車制冷系統(tǒng)組成 2.1 電動(dòng)壓縮機(jī)

電動(dòng)壓縮機(jī)是新能源汽車制冷系統(tǒng)的核心部件,其性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的制冷效果和能效水平。新能源汽車多采用轉(zhuǎn)子式或渦旋式電動(dòng)壓縮機(jī),具有體積小、重量輕、噪音低等優(yōu)點(diǎn)[6]。為適應(yīng)新能源汽車的寬工況運(yùn)行,電動(dòng)壓縮機(jī)通常采用變頻調(diào)速技術(shù),實(shí)現(xiàn)制冷量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

2.2 冷凝器

冷凝器的作用是使高溫高壓的制冷劑蒸氣放熱冷凝為高壓液體。新能源汽車?yán)淠髦饕捎貌⒘魇交蛘哿魇匠崞軗Q熱器[7]。其中,并流式冷凝器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于集成;折流式冷凝器換熱效率更高,但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜?？紤]到新能源汽車的布置空間限制,冷凝器的緊湊化設(shè)計(jì)已成為重要研究方向。

2.3 節(jié)流裝置

節(jié)流裝置的作用是使高壓液體制冷劑節(jié)流為低壓低溫的液氣混合物,并調(diào)節(jié)流入蒸發(fā)器的制冷劑流量。新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)常用的節(jié)流裝置包括毛細(xì)管、熱力膨脹閥和電子膨脹閥[8]。其中,電子膨脹閥憑借其精確的流量控制能力和快速的響應(yīng)特性,在新能源汽車上得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2.4 蒸發(fā)器

蒸發(fā)器是制冷劑吸收熱量、實(shí)現(xiàn)制冷的關(guān)鍵部件。車用蒸發(fā)器通常采用板翅式換熱器,具有傳熱面積大、緊湊度高的特點(diǎn)[9]。為適應(yīng)不同的布置要求,蒸發(fā)器可設(shè)計(jì)為單體式、分體式或一體化等多種形式。近年來(lái),微通道蒸發(fā)器以其優(yōu)異的換熱性能和模塊化設(shè)計(jì)的靈活性,在新能源汽車領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。

三、新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑選擇

3.1 R134a

R134a是目前汽車空調(diào)系統(tǒng)最常用的制冷劑,無(wú)毒無(wú)味,熱力性能優(yōu)異,與常規(guī)油品相容性好[10]。但R134a的全球變暖潛能值(GWP)較高,已受到國(guó)際環(huán)保法規(guī)的限制。根據(jù)蒙特利爾協(xié)定,發(fā)達(dá)國(guó)家已于2021年起禁止在新車上使用R134a。

3.2 R1234yf

R1234yf是一種新型的氫氟烯烴(HFO)制冷劑,GWP值僅為4,是R134a的理想替代品[11]。R1234yf的熱力性能與R134a接近,但微燃性和高價(jià)格限制了其推廣速度。目前,已有部分汽車廠商開始在新車型上采用R1234yf。

3.3 R744(CO2)

R744即二氧化碳,是一種天然工質(zhì),ODP為0,GWP僅為1,是最環(huán)保的汽車空調(diào)制冷劑之一[12]。CO2系統(tǒng)采用跨臨界循環(huán),制冷和制熱性能都很出色,但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高壓特性對(duì)部件的要求較高。德國(guó)和日本等國(guó)已開發(fā)出多款CO2汽車空調(diào)樣機(jī),有望成為未來(lái)主流技術(shù)路線之一。

3.4 R290

R290(丙烷)是一種碳?xì)浠衔镏评鋭?ODP為0,GWP僅為3,環(huán)保性能優(yōu)異[13]。R290的熱力性能與R134a相近,但存在可燃性風(fēng)險(xiǎn)。目前,國(guó)內(nèi)外已有車企開展R290汽車空調(diào)系統(tǒng)的研發(fā)和示范運(yùn)行,但尚未大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):
[1] 王芳,萬(wàn)蕓,邱洪波.新能源汽車用空調(diào)系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].汽車工程,2019,41(10):1177-1185.
[2] 張偉,劉加華,張弛.電動(dòng)汽車用PTC加熱器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].汽車工程師,2017(2):34-37.
[3] 徐向陽(yáng),陳文輝,張鵬舉.電動(dòng)汽車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].制冷學(xué)報(bào),2020,41(3):45-54.
[4] 李茂,張亞云,王文東.基于模型預(yù)測(cè)控制的新能源汽車電池余熱利用研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2021,57(18):44-51.
[5] 柳屹,張華良,田彥君.燃料電池客車余熱利用系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2020,54(6):33-40.
[6] 馬國(guó)富,李先庚.電動(dòng)汽車用電動(dòng)壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀與展望[J].壓縮機(jī)技術(shù),2018(3):1-6.
[7] 王欣,張小松,何洪文.新能源汽車空調(diào)用微通道冷凝器設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào),2020,48(9):117-124.
[8] 孫健,陳林根,陳文龍.電子膨脹閥在電動(dòng)車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制冷與空調(diào),2019,33(5):537-542.
[9] 周雪芳,王補(bǔ)宣,張紀(jì)華.考慮冰蓄冷的電動(dòng)客車空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)器設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào),2021,51(3):642-649.
[10] 馬國(guó)富,李先庚.電動(dòng)汽車用R134a壓縮機(jī)潤(rùn)滑特性實(shí)驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2019,53(3):26-32.
[11] 趙亞莉,傅華威,廖華.R1234yf在新能源汽車熱管理系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2020,20(11):4493-4498.
[12] 吳江,羅超,程林.二氧化碳在電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].制冷學(xué)報(bào),2021,42(4):1-12.
[13] 吳志剛,周遠(yuǎn),張晨陽(yáng).R290在電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用中的安全性分析[J].應(yīng)用能源技術(shù),2018(8):59-63.