关键词：PTC加热装置；新能源汽车空调；热管理系统；余热利用

1 前言

随着传统内燃机汽车数量的不断增加，环境污染的形势越来越严峻，中国越来越大的石油进口量以及不可再生的化石能源的减少越来越成为制约我国汽车工业发展的瓶颈。能源问题是影响到我国长期可持续发展的代表性问题，新能源的开发运用及其对传统化石能源的代替，是解决和规避人类社会发展过程中真实遭遇的上述问题的重要实践途径^[1]。现在全国都在大力推行新能源汽车，国家和政府给予新能源汽车相应的购置补贴。作为新能源汽车上必不可少的配套零部件——新能源汽车空调，也面临着一个巨大的发展机遇。新能源汽车空调也将逐步摆脱模仿和受制于外资企业，逐步成长为中国创造和中国智造的成果，与我国的新能源汽车工业一同向上发展^[2]。
2 新能源汽车空调系统的现状

汽车空调产业的规模是由汽车产销量规模和汽车配置组合来决定的。在普通乘用车上，汽车空调更是成为必不可少的配置。而从手动空调到自动空调再到分区空调、变频空调的出现，新能源汽车空调的产业随着新能源汽车的发展，规模快速扩大 ^[3]

虽然目前新能源汽车空调的产业快速发展，但是还存在着如下一些问题制约着新能源汽车的发展和推广。现阶段占据新能源汽车销量大部分的还是纯电动汽车，汽车上所有部件的工作能量的来源都是汽车的动力电池。但是受制于汽车电池电量的限制，普通电动车的续航里程约为300km。一般来说，夏季纯电动汽车制冷降低100汽车里程，冬季制热续航里程最多会降低1/2。^[5]这大大限制了新能源汽车在实际使用中的便利性以及使用的范围，通常只能是在市区内短距离行驶。

如何降低新能源汽车空调的能耗而不降低乘员的舒适度体验成为了大家的研发重点。而只有解决了现阶段新能源汽车空调存在的发展瓶颈，才能够大规模地推广新能源汽车，并有力地促进新能源汽车行业的发展和技术的进步。也只有平衡了用户能耗和续航里程上的矛盾，才能够达到2020年新能源汽车累计产销量达500万辆的目标
3 新能源汽车空调系统与传统汽车的比较
3.1 传统汽车空调系统简介

传统汽车的空调系统已经非常成熟，该系统能够在微电脑的控制下合理地利用发动机的动力，并利用发动机的废热，实现能量的高效率利用。传统燃油汽车空调结构如图1所示，主要有：压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、储液罐、控制系统和送风及其管路系统。由于存在作为动力源的发动机，可以借助曲轴输出动力，为空调压缩机提供动力来源，实现制冷。传统汽车的空调主要能耗在压缩机和冷凝器上，由发动机直接提供动力，消耗发动功率约为20%，但效率转化值不足40%，^[6]能量的利用效率不够高。

图1  传统汽车空调结构图

而到了冬季，如图2所示，通过发动机冷却水循环，将发动机的废热通过热交换器和鼓风机传递到车厢内，实现冬季的采暖。并可以根据乘员的需求，控制风量和换热量，实现一定温度区间内的采暖需求。同时，这种利用冷却水模式的采暖，并不会额外增加其他能耗，反而提高了能量的利用效率。

图2  传统汽车利用发动机取暖示意图 
3.2 新能源汽车空调系统与传统汽车空调系统的区别                                                                                                                         

由于新能源汽车没有发动机提供动力源，也没有冷却水提供废热，夏季时依靠空调制冷，在冬季采暖时还要依靠汽车空调，因此新能源汽车空调的温度调节范围要求更大。在冬季采暖时，普遍采用的是PTC（正温度系数）加热装置来直接加热空气，或者采用加热管加热的模式，能量都直接取自动力电池。为了保持车厢内的温度，空调系统工作时间长，消耗大量电能，导致新能源汽车的续航里程大大减少，浪费了大量高品质的能量。新能源汽车空调系统是新能源汽车上能耗最大的附带部件。

4 现阶段量产的新能源汽车空调技术
4.1 加热模式（Air PTC加热模式）

目前纯电动汽车空调在制热模式时普遍采用的是PTC（正温度系数）加热装置以及电加热管加热的模式，如图3所示。这种模式下发热量完全由PTC芯体承担，因此该模式下的加热功率相对较大，常见的功率普遍高于4kW。其中PTC加热装置的使用更广泛，其具有能耗低，对过载电流反应迅速，性能稳定可靠；无极性，交直流都可用；体积小，最大工作电流可达数十安培；恒温发热，无明火，使用寿命长等特点^[7]，是作为电动汽车热源的优良选择。纯电动汽车空调系统的能量直接来源于动力电池，因此冬季采暖时直接使采暖芯体与动力电池相连，采暖芯体内置PTC电阻采暖元件，两者位置基本一致。根据乘员舱内设定的空调温度需求，通过微电脑调节电流的大小，发出合适的热量。鼓风机把热风鼔进乘员舱内，并可以通过风门进行调节，实现冬季的采暖。该方式结构简单，使用温度范围宽，并且其直接作用于进气，因而热损较小，温升速度快。但由于大功率加热在驾驶室内部进行，存在一定的高压电安全隐患。^[8]

图3  四段式PTC回路
4.2 制冷模式（电动压缩机制冷）                                                                                                                                     

目前纯电动汽车空调在制冷时与传统汽车在制冷时的模式大体上相类似。空调系统的电动压缩机直接由动力电池提供能源，直接利用蓄电池供电进行工作也是现在主流的量产模式。相比于利用电池供电带动无刷永磁直流电动机带动压缩机工作，这种模式可以在电子模块单元的控制下，调节压缩机工作的时间和转速，从而满足恒定的乘员舱温度并提高能量的利用效率。采用电动压缩机，具有结构简单，体积小，制冷效率高等优点，但是仍然影响电动汽车的续航里程。^[6]

虽然纯电动汽车空调系统的模式能够适应夏季和冬季对空调的使用需求，同时成本低并且使用方便快捷，但是其效率较低，损失了较大的续航里程，制约了纯电动汽车的普及。若是在北方的冬季使用，则续航里程更是可能损失超过50%，导致其在实际推广中还存在较大的困难。
5 新能源汽车空调系统前沿技术

制约新能源汽车发展的是其较小的电池容量与长续航里程需求的矛盾。如何更加合理地利用电池的电量将影响到新能源汽车未来的发展和推广。现在的新能源汽车空调系统的前沿技术，都是采用整车热管理系统，将新能源汽车空调系统与电池热管理系统联系起来，巧妙地利用汽车动力电池的废热，将其变为空调系统的动力源或者采暖设备的热源，从而提高了能源的利用效率，在保证了对续航里程影响极小的情况下，实现乘员舱对温度调节的要求，满足了舒适性指标。
5.1 纯电动汽车双通路热泵空调系统

图4  双通路热泵空调系统示意图

上图为双通路热泵空调系统的示意图。在这套新能源汽车空调系统中，设计了两条空气流动线路。风道在仪表台内部被挡板分割开。上部的风道对应的是外循环，新鲜空气从车外被吸入，通过空调滤芯过滤，再经过车内蒸发器和车内冷凝器的作用，达到合适的温度和湿度，再从挡风玻璃和头部出风口吹出，可以起到除霜除雾的效果，并满足乘员对吹向头部的风的需求。下部的风道对应的是内循环，车内的新鲜空气被吸入，同样通过相应的空调滤芯和加热装置，再从乘员的脚部出风口吹出。上部风道的气流，在蒸发器处，温度低，则相应的空气的含湿量下降，增加了空气的干度，而到冷凝器出被加热到合适的除霜温度，从而吹出具有适当干度的风，起到除霜的作用。而下部气流由于车内空气湿度较大，若是直接往三个出口吹出，会导致挡风玻璃上起雾，影响驾驶的安全。
5.2 燃料电池新能源汽车余热吸收式空调系统

燃料电池是一种高效率的电池，通过氧化还原反应将存在于化学物质中的化学能直接转换成电能，并输出供用电器使用。因为通过化学反应输出能量，因此其转化效率很高，可达60%左右。但由于存在电池内阻等因素，会有少部分的能量转化为汽化潜热、冷却废水等。将其作为动力源，实际能源利用效率是普通内燃机的2~3倍。但燃料电池过热，会导致其工作效率降低，性能恶化。^[15]燃料电池的工作温度比锂离子电池高，如何合理地利用好燃料电池的余热，对提高能量的利用效率有很大的影响。

鉴于质子交换膜燃料电池排出的废热可达80℃^[13]，在燃料电池汽车上采用吸收式制冷空调系统。利用废热作为热源来驱动热泵空调，而利用冷却水回路可以将燃料电池处的废热带到空调系统处，通过热量差，利用溶液的物理性质，可以实现温差制冷，而做功向冷源放热则可以把外界环境作为冷源。而只需要小功率的溶液泵带动冷却水循环即可。小功率的溶液泵只需要消耗极少的电能便能正常工作，这对于保证燃料电池汽车的续航里程有重要意义。

图5为一种燃料电池吸收式空调系统，可以满足利用燃料电池废热制冷的要求。燃料电池温度控制系统的换热器与余热吸收式空调系统的换热器直接耦合，进行热交换。空调系统换热器得到的热量作为驱动系统制冷的能量来源。而在燃料电池温度控制系统的循环水回路中，有调节泵控制的并联支路，可以调节换热量的大小，以满足乘员舱对不同温度的需求。在回路的下游部分，还有外接的辅助换热器，可以带走温度控制系统换热多余的热量，从而确保燃料电池回路中的热量始终合适，使得燃料电池能够始终运行在高效率区间。此系统的冷凝器、吸收器和燃料电池的辅助换热器共用一套冷却系统通至车外的风冷式换热器中。^[13]

图5  燃料电池吸收式汽车空调系统

如图6所示，这是一种燃料电池供暖系统的原理图。^[19]整个供暖系统分为两部分，一部分是燃料电池的温度控制系统，一部分是乘员舱的温度调节系统。当乘员设定乘员舱内采暖温度要求时，燃料电池温度控制系统中的三通阀换向，将冷却液导流至上部无冷却的管路内。而在中间换热器上将燃料电池的废热通过换热器交换到空调系统供暖管路内。此时截止阀开启，供暖管路开始流通，液体作为热量的载体，将热量达到车厢散热器进行热量交换。而车厢散热器加热空气，由鼓风机带动将热风吹入乘员舱内，实现乘员舱内的采暖。而如果温度较高，则通过调节截止阀开闭时间以及三通阀转换的时间，调节热量流向。当燃料电池产热过多时，可将部分的热量通过燃料电池散热去散发到车辆外部环境中去。电池散热器配备风扇，可以加强对流散热的效果，保证燃料电池始终工作在高效率区间。三通阀部分的判定温度要设定一定的温度裕度，转换时要有较高的阈值，以防止三通阀频繁切换，保证稳定的采暖效果。由于给乘员舱加热的热量来自于燃料电池工作时产生的废热，因此不需要消耗额外的能量来制热。汽车燃料电池只需要提供水泵运转的能量以及三通阀、截止阀开闭操纵机构运动即可，其功率小，能量消耗下，对燃料电池汽车实际续航里程影响极小，并且提高了能量的利用效率，因而具有广泛的使用前景。

图6  余热供暖系统
6 结语                                                                                                                                                            

随着我国对新能源汽车的大力推广，新能源汽车逐渐走进了千家万户。新能源汽车的热销也推动了作为重要部件的汽车空调的发展。由于新能源汽车电池容量的限制，对高效节能的新能源汽车空调的需求也愈发强烈。现阶段量产的PTC和电动压缩机空调，虽然满足了日常使用的需求，但极大地降低了新能源汽车的续航里程。而新型的热泵空调和燃料电池吸热式空调，虽然能够满足使用需求，同时对续航里程的影响极小，但由于零配件、成本以及匹配问题，目前还未大规模量产，相信这是未来新能源汽车空调的主要形式。而为了使新能源汽车空调更加节能高效，可以从以下几个角度去着重解决：（1）研发散热性能更好的微通道管；（2）开发控制更精准、更节能的硅电子膨胀阀；（3）采用高效的过冷式平行流冷凝器；（4）改善微通道蒸发器结构，使制冷剂蒸发更均匀。^[6]

总之，随着新能源汽车的发展，相关空调技术也会有极大的进步和突破。新能源汽车空调有望克服现有缺点，控制性能得到提升，变得更加智能和高效，更多新技术将会得到使用。这必将极大地推动我国新能源汽车工业的发展。