引言
从工作原理角度来说，传统燃油和新能源汽车空调系统工作原理相同，只是在暖风产生方式和驱动空调压缩机方式方面，有一定的差异性。通过高压电，新能源汽车能够驱动空调系统电动压缩机，通过压缩，电动空调压缩机能够在冷凝器中加压低压低温的蒸汽，从而循环环绕制冷剂系统。本文将对新能源汽车热泵空调技术研究进行深入剖析。
1新能源汽车热泵空调系统
新能源汽车指的是使用高效环保能源的汽车，包括电能驱动、混合动力驱动、太阳能驱动、氢能驱动等多种形式。因为新能源汽车需要更为舒适的驾驶与乘坐环境，所以在开发过程中必须对空调系统进行改进完善。目前，电动涡旋压缩机这种压缩机形式最为符合新能源汽车，仅有少数厂商具有生产能力。新能源汽车与传统汽车相比具有显著的节能降耗特点，大力发展新能源汽车有助于我国摆脱对原油的过度依赖，对于国家战略安全具有重要价值。为了更好地促进新能源汽车的发展，我国政府已经发布了新能源汽车的发展规划，环保化与电动化已逐渐成为发展方向。
热泵空调并没有十分复杂的原理，在制热或者是制冷环境下，都能转移热量。电动压缩机在车内制冷的过程中，会将低压高温的冷媒转化成高压高温的液体形态，采用控制阀的方法，朝着车外流向液体，转化为热器，相较于车内来说，车外温度低，在降温后，冷媒会转化为液体，此液体低温且高压，通过阀的膨胀后，冷媒膨胀经过车内换热器转化为低压低温的液珠，降低车内气温。而后，冷媒朝着低压高温气体方向转化，并直接流入电动压缩机。就在这样循环的状态下，能够实现制冷车内的目的。电动压缩机在车内制热的过程中，会将低压高温的冷媒转化成高压高温的液体，经过切换阀，在车内热交换器中流入冷媒，这样的环境下，会升高车内温度，与此同时，会将冷媒转化为液体，此液体高压且低温，通过膨胀的电子阀后，冷媒膨胀为液珠，此液珠低压低温，并朝着车外换热器内流向；相较于车外来说，冷媒没有较高的温度，在对车外气体热量完全吸收过后，会相应的转变为气体，气体具有较高的温度和较低的气压，而后朝着电动压缩机流。在这样的循环情况下，能够实现制热车内的目的。
与普通制冷空调相比，热泵空调系统增加了电磁阀、电子膨胀阀以及各连接管路。对于电动涡旋压缩机而言，应用于热泵空调系统具有显著的特点：其一，热泵空调系统所需的压缩机转速范围大，为了保证润滑效果，润滑油与制冷工质的比率远远高于普通制冷空调压缩机；其二，热泵系统使用温度一般低于-10℃，润滑油与冷媒的溶解度不断降低，冷媒比容开始增加，吸气质量与润滑油质量逐渐降低，因此电动涡旋压缩机转速高时就需要更多的润滑油量；其三，制热时的吸气压力更小，电动涡旋压缩机的压比不断增加，因此排气温度也随之提高，由此就可能导致润滑油炭化效果不理想，严重则可能出现电动涡旋压缩机损坏的情况。
对于热泵空调系统而言，由于差异化的换热量需求与管路数量的变动，制热时需要的制冷剂充注量往往高于制冷工况，此时就应在系统中进行气液分离设置。气液分离既可保证液体不会大量进入电动涡旋压缩机，同时也能使回油结构设计更为合理化。需要强调的是，合理设计应包含进出气管位置与回油孔位置，回油孔位置合理，能够保证一定的制冷剂与油液持续不断地回到电动涡旋压缩机的吸气管路上面。要关注的是，液态制冷剂此时处于低温低速气体状态，润滑油极其容易析出，因此管路要尽可能短些。而设置有气液分离时，蒸发器可以考虑设置适当的孔板，以此使制冷剂流速增加并减缓集油速度。
2部分传感器以及执行器选型
2.1电磁阀SOV
电流在线圈影响作用下，会发生一定的电磁吸力，对内部芯片进行上下移动，在开启控制阀后，来有效控制介质流通的一种执行器件，即为电磁阀。Dc9V-16V是该热泵控制系统选择的电磁阀电压具体的变化范围，12V为额定电压值，0.8A为具体的工作电流额定值，10W为具体的额定功率，介质具体流动的方向为单向，适宜且合理的制冷剂为R134a，具体工作压力值不大于3.6MPa。感性负载为负载的具体类型。组成内容为两pin脚，且不分负正，一个引脚高低电平引脚，另一个引脚需要接地。
2.2电子膨胀阀EXV
在电动车空调系统中，热力膨胀阀会逐渐替代为电子膨胀阀。通过对电子膨胀阀的使用，能够提高控制过热度的精确性和准确性，从而强化最终的节能效果。LIN控制是热泵控制系统选择的电子膨胀阀。12V为具体的额定电压值，9V-16V为具体的工作电压范围，0.35V为最大的额定电流值，30-120PPS为具体的驱动频率范围，依据脉冲数，对膨胀阀开度进行改变，如若0为具体的脉冲数时，就会紧闭膨胀阀，如若480为具体的脉冲数时，就会全开膨胀阀，适合的制冷剂有多种，包括：R410A等等，双向为介质的具体流动方向。
3新能源汽车热泵空调技术研究与应用
近年来，随着环境和能源安全形势日益紧迫，汽车电气化的浪潮迅猛席卷全球。新能源车与传统燃油车最显著的不同是动力系统：由于新能源纯电汽车取消了经典的内燃发动机，导致了空调系统和动力系统方面的热管理技术压力陡然上升，同时电池系统的热管理又是保障目前主流架构电池应用安全的关键屏障。热泵空调系统中的电力驱动，会影响电动汽车的行驶里程，而且低温下热泵系统效率严重下降和车外换热器容易结霜。因此，现阶段研究主要集中在低温环境中如何提高热泵空调制热能力、热管理系统研究、最佳的制冷工质选择、压缩机的控制、换热器除霜问题等方面。
3.1低温环境下提高热效率
热泵空调系统具有能效比高的特点，但工作温度范围受到制冷工质和空调系统结构的影响，发挥最大效率时的室外温度范围是-5°C到15°C之间，随着环境温度的降低，制热能力衰减严重，在极端寒冷条件下，能效比下降明显，需借助于高压PTC进行辅助加热。解决低温工况制热能力衰减的主要应对措施有：补气曾晗技术，提高制冷剂流量，增大散热量；双级压缩中间冷却技术，减小压缩比，降低排气温度；优化车外换热器，改变可变进气格栅等。
3.2热管理研究
为弥补热泵空调低温工况性能的不足，同时为了节约能耗，大部分电动汽车都有一套综合的热管理系统：涵盖采暖，制冷，蓄热，热回收等技术。所有具有利用价值的热元件如高压蓄电池、驱动电机、电子功率装置、车载充电机都将在这套系统的科学管理下工作。研究表明：纯电动汽车在车速变化时，电池散热量迅速增加，即废热增加；当废热回收热泵系统在2℃的工况下运行时，换热量最大可增加至3797W，能效比范围为1.82～2.43，增加的废热能满足制热要求；当温度降到-7℃时，换热量最大可增至2407W，能效比范围为1.56～2.63，回风温度可达13.2℃，但仍需提供额外热源才能满足制热要求。
3.3压缩机控制技术
压缩机是空调系统的核心部件，在已上市的搭载有热泵空调系统的电动汽车上采用高压电动涡旋压缩机，具有结构简单、噪音低、体积小、重量轻、运行平稳、效率高等优点。在压缩机中间腔补充中压气体，增加排气量，降低排气温度，能够提高制热能力，所以采用补气增焓技术的涡旋压缩机可以有效改善低温环境下单级涡旋压缩机的排气温度过高和制热能力低下的问题，研究表明，在外界温度-7℃时，准双级压缩机比单级压缩机排气温度降低了10℃；随着外界温度升高，压缩机排气质量流量逐渐增大，相比单级压缩机，准双级压缩机排气量增大12.9%～17.4%，制热能力提升效果明显。
3.4电动涡旋压缩机技术应用
研发适用于新能源汽车空调系统的新型电动涡旋压缩机已成为产业迫切所需。新能源汽车空调电动涡旋压缩机具有四方面特点，其一般构成包括静涡旋盘、电机定转子、驱动控制器、滚动轴等部件。在这之中，骡动塔负责与ECU通讯将直流电转变为交流电；动静盘、滚动轴、曲轴等组成压缩泵；电机定转子需要将电能转化为机械能由此驱动压缩泵，通过电机传递驱动将低温低压气体吸入动静盘中压缩为高温高压气体。在电动涡旋压缩机之中，主要包括7个摩擦副，压缩时7个摩擦副都需要进行润滑，此时润滑油主要发挥减少摩擦、导热、降噪的功能；另外在压缩中，润滑油还可进行径向密封。因而，若压缩机内缺少润滑油，那么就会导致摩擦副的摩擦损耗与动静盘间的密封性欠佳，压缩机的性能将会显著下降。电动涡旋压缩机在结构方面可分为高压腔与低压腔，新能源汽车空调普遍采用的是低压腔，润滑油在主轴作用下提供离心力到达需要润滑的表面。虽然润滑油对电动涡旋压缩机的导热与润滑非常重要，但油从排气离开压缩机后，其本质就是气体污染。制冷剂中含有油分，不仅会损耗压缩机自身性能，同时也会在制冷系统内部各部件中集油，弱化换热器效能。因为制冷剂与油之间存在较好的互溶性，所以油液在运行时必定会随着制冷剂流动而流动。为了分离油液，部分压缩机会在后盖部位进行油气分离设计，该原理充分利用了离心力。但无论何种措施，油气都不能完全分离，而对于新能源汽车空调而言，鉴于空间限制极少安装气液分裂装置。由此可知，新能源汽车空调与系统相比，其含油率较高。除此之外，制冷量与能效比是新能源汽车空调系统性能的核心评判标准。制冷量与电动涡旋压缩机能耗随着转速提高而提高，而能效比则随着电动涡旋压缩机转速的提高而下降。由此可知，转速高时能够得到较多制冷量，有利于减少车内降温时间，但对能效提高没有较大帮助，所以还要从各方面进行充分考虑。
3.5除霜问题
研究在制热模式下，车外换热器被当作蒸发器使用，其表面温度低于０℃时会引起换热器表面结霜或者结冰，从而使换热性能急剧下降，为此，可考虑给换热器表面进行除霜，除霜方法主要有逆循环法和热气旁通法。逆循环法除霜是通过改变四通换向阀的方向，切换至短暂的制冷模式，车外换热器作为冷凝器使用，从而融化掉其表面的霜，但未被蒸发的水还是容易导致二次结冰，也会降低系统的性能。热气旁通法除霜通常是指将压缩机排气旁通到蒸发器入口处，利用压缩机排出的高温高压制冷剂的潜热来融霜。除霜还可以采用更精准的热开发控制、更节能更精准的硅电子膨胀阀，高效的过冷式平行流冷凝器，改善微通道蒸发器结构，使制冷剂蒸发更均匀。
4热泵空调故障诊断研究
车用热泵空调系统中常见的故障为：压缩机内泄漏故障；冷凝器侧空气流量不足故障，即冷凝器管路出现问题，会导致空气侧流量降低；蒸发器侧空气流量不足故障，即蒸发器管路出现问题，会导致空气侧流量降低；液体管路阻塞故障，即液体管路变形或干燥器过滤器结垢；制冷剂充注量不足或充注量过多。故障原因主要集中在压缩机、制冷剂循环系统、电气控制系统等方面，由于压缩机由高压电动机驱动，所以在高压系统的电路检查与处理时，必需由经过车辆高压系统操作培训的专业维修人员来操作，操作时要做好安全防护措施，严格按照安全维修操作规程对高压系统断电后方可进行。鼓风机与风门电机电路的控制传统电路基本一样，热泵空调系统故障诊断思路与传统汽车空调差异不大，可用故障诊断仪读取故障码对相应模块进行检查。
结束语
总而言之，热泵空调系统能效比较高，在新能源汽车中应用热泵空调系统，具有较多益处。为此，相关人员要全面掌握和熟悉热泵空调系统技术，明确实际应用方法，从而最大程度的发挥出热泵空调系统功能，进而推动新能源汽车的健康发展。
参考文献：
[1]张婷,邱家彩.基于单片机STM32新能源电动汽车热泵空调系统设计[J].内燃机与配件,2020(21):18-19.
[2]汪琳琳,焦鹏飞,王伟,等.新能源电动汽车低温热泵型空调系统研究[J].汽车工程,2020,42(12):1744-1750,1757.
[3]郑美玲.新能源汽车二氧化碳热泵高压空调管的开发[J].汽车零部件,2020(11):1-5.
[4]杨少柏,李尾,钟昌,等.新能源汽车热泵空调控制系统设计实现[J].汽车科技,2020(4):62-68.
[5]高红波,聂光辉,王庆合.提高新能源汽车热泵空调能效比的策略分析[J].中国新技术新产品,2020(11):42-44.
[6]孙小霞.新能源汽车电动空调控制系统及其实现与研究[J].黑龙江科学,2018(18):150-151.
