新能源汽车空调与暖风系统构成

纯电动汽车没有传统汽车的发动机，没有了热源，因此需要靠PTC加热器的热能来采暖。PTC是正温度系数（Positive Temperature Coefficient）的英文缩写。

传统燃油汽车是利用发动机余热加热冷却液，通过暖风机等部件将冷却液的热量送至车厢内，以提高车厢内温度。而电动汽车由于没有发动机，所以不能沿用传统燃油汽车的空调系统方案。所以在冬季需要采取其他采暖措施对车室内空气温度、湿度以及流速进行调节。目前电动汽车主要采用电加热辅助空调系统，即单冷空调（AC），外加热敏电阻（英文简称PTC）加热器辅助加热，主要有两种方案：一种是采用PTC空气加热器直接加热空气，冷空气直接流经加热器表面，加热后送入车内，由于高压PTC接入乘员舱内，存在一定的安全风险；第二种方案是采用PTC水暖加热，采用水加热器间接加热空气，加热器先把水加热，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。PTC水暖加热是目前成熟且安全的采暖方案，广泛应用于电动汽车上，其主要缺点是对动力电池的消耗极大，严重缩短了电动汽车的续驶里程。

PTC加热器采用PTCR热敏陶瓷元件，由若干单片组合后与波纹散热铝条经高温胶黏结而成，加热器PTC内可以由两组电热阻丝并联组成，单独控制，PTC上有温度传感器可以实时监测加热器本体的温度，控制加热器PTC导通和切断，具有热阻小、换热效率高的显著优点。并且高压控制盒内有PTC熔断器用来防止加热器失控发生火灾。

新能源汽车空调采暖系统

图5-30　PTC加热器

图5-31　PTC水暖加热器示意图

图5-32　PTC水暖加热工作原理图

热泵空调系统具有良好的制冷和制热性能，是电加热辅助空调系统的最佳替代方案。热泵，顾名思义就是把“热”从一个地方“泵”到另一个地方的工具，既可以实现制热又可以实现制冷，只不过循环方向一正一反。家用热泵空调系统是通过使用四通阀使“蒸发器”和“冷凝器”相互切换，即可实现制冷和采暖的功能。目前车用空调系统可以使用四通阀实现热泵的功能，也可以通过两个电磁阀控制两个回路之间的切换，实现夏天制冷和冬天制热。

1．热泵型空调系统制热

热泵型空调系统是在原有燃油汽车上进行改进的，压缩机是由永磁直流无刷电动机直接驱动，由于客车空间大，所以多用于客车，系统的工作原理图如图5-33所示。

图5-33　热泵系统工作原理图

热泵空调系统制热能效比远高于PTC加热，大幅提升冬天电动汽车的电池续航能力。热泵空调系统制热能效比可达到2～3，远高于通过PTC加热器辅助加热能效比1，将大大优化冬天新能源汽车的电池续航能力。

（1）三菱重工曾经为电动车开发过一个热泵系统，用该系统分别在0℃、5℃和10℃三个环境温度里进行了制热试验，车内保持25℃，车速40km/h，试验结果发现随着车外温度的升高，热泵系统的优势越来越明显，在车外温度为10℃时热泵系统的能耗比PTC水暖加热方式低60%。

（2）宝马i3纯电动车热泵空调系统试验显示，为了获得5k W的输出热量，由于电阻损失，电加热器需要消耗5.5k W的电能，而带热泵的空调系统只需要2.5k W的电能。

目前，热泵型电动汽车空调最大的问题是低温制热，这个难题已从以下几个角度得以解决：开发更高效的直流涡旋压缩机，开发控制更精准、更节能的硅电子膨胀阀，采用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。

图5-34　雷诺ZOE使用的热泵空调系统

汽车空调热泵系统与普通的家用空调比较相近，是相对普通家用空调的一种使用场合的扩展。(www.xing528.com)

新能源汽车使用热泵空调为行业趋势。PTC水暖加热作为目前广泛应用于电动汽车上的采暖方案，冬天采暖时对动力电池的消耗极大，严重缩短了电动汽车的续驶里程。热泵空调系统制热能效比远高于PTC加热，具有良好的应用前景。自主品牌车企中暂无使用热泵空调系统的新能源汽车车型，国外车企中包括雷诺Zoe、日产Leaf（部分配置）、宝马i3（选装）等车型均使用了热泵空调系统。目前制约热泵空调系统大规模应用的缺点主要包括三方面：

（1）热泵空调系统管路较普通空调系统复杂很多，增加了布置难度；

（2）普通热泵空调系统在－10℃以下温度工作时，其制热能效会大打折扣；

（3）热泵空调系统成本明显高于普通空调系统。随着热泵空调系统管路设计的优化，更优良制热性能的制冷剂的逐步使用以及成本下降，未来热泵空调系统在纯电动汽车上的应用将越来越多。热泵空调系统使用二氧化碳冷媒为未来趋势。

目前热泵空调系统使用的冷媒大多为R134a，但是使用R134a会存在两个问题：一是制热能效比随环境温度降低而降低，当环境温度很低时，制热能效比将达不到1；二是R134a的GWP（一种物质产生温室效应的一个指数）值较高，不够环保。相比现有制冷剂R134a，二氧化碳不仅满足环保要求，而且有着优良的制热性能，使用二氧化碳作为热泵冷媒是解决低温下热泵制热性能不足的很好方法。但是，利用二氧化碳作为制冷剂的空调系统，具有极高的工作压力，为传统空调系统的10倍，其零部件尚处于前期开发阶段。二氧化碳作为冷媒的空调系统流量控制精度要求更高，普通的热力膨胀阀难以满足要求，需升级为电子膨胀阀，目前电子膨胀阀在奔驰S级等高端乘用车型中已有使用。

2．驻车加热器制热

驻车加热器的工作原理：遥控器或定时器给ECU一个起动信号，计量油泵从油箱泵油并以脉冲形式将燃油打到燃烧室前的金属毡上，笔状点火器加热到900℃左右，将喷溅的细小油滴气化，空气由燃烧空气鼓风机吸入，与汽油混合后并点燃，火焰将热能传递给发动机冷却液，电动循环水泵推动冷却液循环进入蒸发箱内散热器，鼓风机吸入使车内冷空气通过散热器，把变热的空气鼓入车内。

3．PTC加热器的电制热方式

若电动汽车采用加热器的电制热方式时，加热器一般配置在驾驶席和副驾驶席之间的地板下方，加热器由可用电发热的PTC（Positive Temperature Coefficient）加热器元件，将提供的热量传送至散热剂（冷却液）的散热扇、散热剂流路和控制底板等组成，因要求加热器要有较高的制热性，所以，电源使用的是驱动电动机的锂离子充电电池的高压，而非辅助电池（12V），如果是纯电动汽车（EV）专用产品，也可以不使用冷却液，直接用鼓风机吹送经PTC加热器加热的风.

4．暖风热交换器工作原理

本文以宝马530Le（F18 PHEV）为例，如图5-35所示为插电式混动车型的暖风热交换器集成在发动机和电机的冷却液循环中。由于混合动力车辆的特殊性，行驶时发动机无法将冷却液循环加热至必需的温度，所以空调暖风系统还配备了一个电加热器。

图5-35　空调暖风系统配备的电加热器

暖风系统部件安装位置，如图5-36。

图5-36　暖风系统部件安装位置

电加热装置的功能在原理上和直通式加热器相同。通过一个转换阀（图5-37）可建立一个独立的加热回路，由电动冷却液泵维持回路的循环。

图5-37　空调电加热装置转换阀

冷却液温度较低时，例如发车后不久或在纯电动行驶模式中，通过接线盒电子装置控制电动转换阀。电动转换阀阻止发动机冷却液循环的进流。现在，电动冷却液泵将冷却液抽到电加热装置中并进行加热，并通过双水阀按照需要将冷却液输送到暖风热交换器中。

图5-38　空调暖风热交换器循环图

冷却液温度较高时，被发动机加热的冷却液流经不通电而打开的转换阀、电加热装置和双水阀，到达暖风热交换器（图5-38）。冷却液在这里将一部分热量排向流经暖风热交换器的空气，最后重新流回发电机冷却液循环中。电加热装置此时关闭，但电动冷却液泵激活。