[摘要]為提高電動汽車的能源經濟性，減少低溫制熱性能衰減問題，提出并分析對比了3種用于低溫環境的熱泵空調系統解決方案:(1)余熱回收利用:回收利用電池、電機和電控系統的余熱，提高熱泵空調系統性能的同時，優化整車的能量消耗。(2)蒸汽噴射熱泵空調系統:對R1234yf制冷劑的蒸汽噴射熱泵空調系統進行了試驗研究。結果表明，開蒸汽噴射比不開蒸汽噴射時的熱泵系統的制熱COP約高10%～30%，環境溫度越低，制熱COP改善越明顯。(3)CO2制冷劑熱泵空調系統:研究顯示由于CO2制冷劑的特性，熱泵系統可在環境溫度-20℃穩定有效地采暖。得出的結論是，目前利用蒸汽噴射熱泵空調系統是解決新能源電動汽車低溫采暖的有效手段，而在未來，使用自然制冷劑CO2是必然趨勢。
關鍵詞:電動汽車;低溫熱泵;R1234yf;余熱回收;蒸汽噴射;CO2
前言隨著大氣污染日益加重和電動化技術快速發展，新能源汽車取代傳統燃油汽車已是大勢所趨。在國內，大部分量產新能源電動汽車冬季仍采用高耗能電加熱器供暖技術，嚴重影響汽車的經濟性和續航里程。在低溫-10℃時，采用電加熱器(positivetemperaturecoefficient，PTC)采暖能使電動汽車的續航里程下降50%以上，而利用熱泵空調系統采暖可以使續航里程改善35%以上[1]。因此，采用熱泵空調系統采暖可以有效提高電動汽車采暖的高能效比，有效延長續航里程，是重要的降低電動汽車能耗的技術手段。
新能源論文范例：基于數據驅動方式的電動汽車充電需求預測模型
國內外已量產搭載熱泵空調系統的新能源電動汽車中，目前幾乎所有都使用傳統制冷劑R134a。并且，在這些量產車型中有一半以上限制了熱泵空調系統工作的環境溫度不能低于-10℃，這是制冷劑物性和系統架構原因所導致的限制。在冬季更加寒冷的北方地區，單使用熱泵空調系統不能滿足采暖的需求并會影響乘員的熱舒適性。提高熱泵空調系統在冬季采暖的能效，減少因開啟熱泵空調系統導致電動汽車續航里程的下降，是目前推廣新能源電動汽車廣泛應用需要解決的關鍵技術問題之一。
為解決熱泵空調系統在低溫環境下有效采暖并提高乘員艙的熱舒適性，本文中對熱泵空調系統的利用提出了3種解決方案并進行了分析。一是回收電池與電驅的余熱;二是蒸汽噴射熱泵空調系統;三是利用CO2制冷劑的熱泵空調系統。各方案都有其各自的特點和使用限制，應根據實際情況逐步過渡采用不同方式推廣熱泵空調系統應用，提升關鍵技術的同時，提高電動汽車的續航里程。
1我國關于電動汽車的相關政策與評價標準和分析
1.1相關政策與評價標準
國家的相關扶持政策是新能源汽車產業化進程的直接助推器。為應對氣候變化、推動綠色發展的戰略舉措，2012年國務院發布實施《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020)》，將純電動汽車確定為新能源汽車發展和汽車產業轉型的重要戰略路線，新能源汽車產業發展取得了舉世矚目的成就，成為引領世界汽車產業轉型的重要力量。
2019年我國汽車銷量2576.9萬輛，其中新能源汽車銷量120.6萬輛，滲透率為4.7%。為推動新能源汽車產業高質量發展，加快建設汽車強國，工信部于2019年12月發布了《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035年)》征求意見稿，意見稿明確到2025年，新能源汽車新車銷量占比達25%左右。因此，需進一步強化部門協同，完善支持政策，積極穩定和擴大新能源汽車消費，堅定不移地推動產業持續健康發展。制定新能源電動汽車的國家標準對于規范生產、提高質量和增強消費者信息至關重要，是新能源電動汽車推廣應用的基礎。包括在2020年5月最新發布的關于電動汽車安全要求的標準。
1.2EV-TEST(電動汽車測評)為引導我國汽車企業生產節能環保的新能源純電動汽車，并方便消費者挑選合適的電動汽車，中國汽車技術研究中心結合電動汽車標準與技術，在2017版的基礎上發布了2019版《EV-TEST(電動汽車測評)管理規則》[2]。
從EV-TEST指標體系中可以看出續航與電耗在各測評項目中的權重占比較大，以常規車為例占總指標的30%。其中高低溫續航里程合計權重占比11%。電動汽車在高低溫行駛過程中，由于電池衰減和電池熱管理，加上制冷與采暖功能的利用，使電動汽車的續航里程有所下降。因此，在高低溫環境時，對乘員艙采暖、制冷以及對電池進行溫度管理的電量消耗對電動汽車的續航與電耗評價的高低尤為重要，在評價體系中作為重要指標進行考核。
以高溫/低溫續駛里程相對常溫續駛里程下降率為評分依據。其中，制冷與采暖性能，根據規定也計入評分，最高扣除20分。在高溫情況下，空調開啟制冷功能對乘員艙進行降溫的同時，需要根據電池的溫度對電池進行有效散熱保證乘車安全。目前國內大部分配有空調系統的電動汽車都利用空調系統對電池進行間接冷卻 的方法有效散熱。因此，空調系統的效率在很大程度上決定了電動汽車在高溫續航里程的下降率，是評價電動汽車能耗的重要系統。在低溫情況下，續航里程下降率的評分要求比高溫情況低。
一是因為電池容量在低溫環境下會嚴重衰減，二是因為乘員艙采暖需要消耗電能。目前，量產電動汽車在低溫環境下對乘員艙采暖的同時都會對電池進行加熱，利用PTC電加熱器或熱泵系統加熱的方式。利用PTC加熱的效率較低，制熱能效系數(coefficientofperformance，COP)一般約為0.9，使電動汽車續航里程下降率較大。而利用熱泵空調系統在低溫環境下制熱COP一般大于1.5，節能效果明顯優于PTC，可有效減少電動汽車續航里程的下降率。因此，根據評分規則，平衡電動汽車續航里程下降率與達到乘員艙的目標溫度的時間，利用熱泵空調系統與PTC電加熱器相結合，有效控制優化PTC開啟時間，對提升電動汽車的性能非常重要。
2制冷劑R1234yf熱泵空調系統性能試驗研究
溫室效應使地球表面的溫度上升，引起全球性氣候反常，氟利昂等制冷劑的使用對此有著重要的影響。而汽車空調系統一直是泄漏到大氣中制冷劑的主要來源之一。目前汽車空調研究主要集中在以R134a、R1234yf和R744(CO2)為制冷劑的空調系統。R134a是全世界的汽車空調供應商采用的主要制冷劑，其全球變暖潛質GWP高達1420，在歐盟地區已嚴禁使用，隨著《蒙特利爾議定書》基加利修正案的簽訂和生效，R134a在我國也將被逐步淘汰。R1234yf作為替代制冷劑之一，其GWP為4，物性與R134a相近，在汽車空調上只需對零部件與系統進行適當優化便可直接替代R134a使用。通過理論與試驗研究對制冷劑R1234yf與R134a熱泵系統性能進行了對比分析[3-5]。
結果表明，R1234yf熱泵系統的制熱COP和制熱量比R134a系統低10%以內。本文中利用直接式熱泵空調系統通過試驗對制冷劑R134a與R1234yf的臺架性能進行了對比分析。壓縮機出口的高溫高壓氣體經過室內冷凝器與空氣換熱后經過電子膨脹閥節流，在室外換熱器中吸熱后進入氣液分離器后回到壓縮機。電池溫度管理通過熱泵系統冷卻和PTC加熱進行。試驗主要考察了電動汽車在低溫冷起動時和在部分新風負荷工況時的熱泵系統性能。試驗結果表明，在相同試驗條件和設備的情況下，制冷劑R1234yf的制熱量比R134a低約5%左右，而制冷劑R1234yf的制熱COP比R134a低約10%左右。
3電動汽車低溫熱泵空調系統方案
3.1余熱回收
利用汽車行駛過程中電池、電機和發熱元件產生的熱量，可以將熱泵空調系統通過優化控制策略與精確的控制實現不同零部件之間熱量的轉移。在低溫冷起動時，乘員艙中對熱負荷的需求較大，而電動汽車的驅動系統和電池在達到一定溫度時有散熱需求。利用回收電驅動系統和電池回路的余熱，提高熱泵空調系統能效的同時，優化整車的能量消耗。在冬季，純電驅動模式中可回收電驅系統和電池回路的余熱作為熱泵空調系統的熱源。可以看出，將1.7kW的電機驅動余熱作為熱泵空調系統的低溫熱源，電動壓縮機和風扇電機等消耗2.5kW的能量，可給乘員艙提供3.4kW的熱量。但是隨著環境溫度的降低，電機與電池的發熱量將會減少，余熱回收的能量有限。
4結論
純電動汽車在低溫環境下續航里程的減少是影響其發展的主要因素之一。本文中分析了3種用于純電動汽車低溫環境熱泵空調系統的解決方案。(1)利用余熱回收方式需優化整車能量消耗，熱管理系統復雜，集成度較高，且由于隨環境溫度降低回收熱量有限，僅可作為輔助加熱手段。
(2)利用傳統制冷劑R134a蒸汽噴射系統可作為低溫熱泵系統的解決方案之一。新型制冷劑R1234yf的蒸汽噴射系統的制熱效果提升較明顯，亦可作為制冷劑替代的過渡階段。(3)自然制冷劑CO2熱泵空調系統，不僅是環保制冷劑，由于其在低溫環境下制熱的能力較高且穩定，是未來純電動汽車低溫熱泵空調系統的最佳解決方案。
參考文獻
[1]MEYERJJ，LUSTBADERJ，AGATHOCLEOUSN，etal.Rangeextensionopportunitieswhileheatingabatteryelectricvehicle[C].SAEPaper2018-01-0066.
[2]中國汽車技術研究中心.EV-TEST(電動汽車測評)管理規則[S].2019.ChinaAutomotiveTechnologyResearchCenter.EV-TESTmanagementrules[S].2019.
作者：汪琳琳1，2，焦鵬飛2，王偉2，伊虎城2，牟連嵩2，劉雙喜2，許翔3
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