新能源汽车 制冷和制热技术分析
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
PTC(PositiveTemperatureCoefficient)电加热器是目前新能源汽车最常用的制热装置。PTC材料具备正温度系数,即随温度上升,其电阻值急剧增大。这种特性使PTC加热器具有自限温功能,可有很大效果预防过热。PTC加热器结构相对比较简单,响应速度快,但能耗较高。
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。与PTC加热相比,热泵制热的能效比更高,但在低温度的环境下制热性能直线下降明显。另外,热泵系统增加了空调系统的复杂度,成本也相对较高。
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,可以明显提升整车热效率。常见的废热利用装置包含热管换热器、相变储热装置等。这类装置结构紧密相连、能效高,但热量的高效收集和智能控制仍有待进一步优化。
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。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,目前仍未得到普遍应用。
电动压缩机是新能源汽车制冷系统的核心部件,其性能直接影响到总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。为适应新能源汽车的宽工况运行,电动压缩机一般会用变频调速技术,实现制冷量的无级调节。
冷凝器的作用是使高温度高压力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是采用并流式或折流式翅片管换热器。其中,并流式冷凝器结构相对比较简单,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。
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含毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀。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愈来愈普遍的应用。
蒸发器是制冷剂吸收热量、实现制冷的核心部件。车用蒸发器一般会用板翅式换热器,具有传热面积大、紧凑度高的特点。为适应不一样的布置要求,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。
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。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。
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。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。
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。CO2系统采用跨临界循环,制冷和制热性能都很出色,但系统结构较为复杂、高压特性对部件的要求比较高。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(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。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。
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