【康沃真空網(wǎng)】新能源汽車熱管理技術(shù)的最大突破來自于熱泵技術(shù)的進(jìn)一步普及和推廣。
一、何為熱泵技術(shù)？
新能源車的熱泵技術(shù)是解決純電動(dòng)車冬季續(xù)行里程變短的有效方案。利用空調(diào)的“逆卡諾”循環(huán)，熱泵可將車外低溫空氣中的熱量，“泵”至相對(duì)高溫的乘座室內(nèi)。冬季使用熱泵空調(diào)制熱，與使用傳統(tǒng)PTC制熱相比，可降低60%的能耗，增加約25%左右的續(xù)行里程。
傳統(tǒng)空調(diào)的制冷原理，是利用制冷劑的物態(tài)變化，由氣態(tài)變液態(tài)會(huì)散發(fā)熱量，而由液態(tài)變氣態(tài)則會(huì)吸熱的原理。用于車內(nèi)制熱的“逆卡諾”循環(huán)與傳統(tǒng)空調(diào)的制冷原理相反，利用一個(gè)“四通電磁換向閥”，即可實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)或制熱循環(huán)，使車內(nèi)得到冷氣或熱氣?？照{(diào)制冷劑在循環(huán)中，利用了高溫高壓氣體在冷凝器里液化成高壓液體過程中，會(huì)釋放出大量熱量，這就是熱泵放熱的原理。冬天利用換向閥可改變空調(diào)制冷劑的流向，此時(shí)使蒸發(fā)器在反向循環(huán)中充當(dāng)冷凝器放熱，形成“熱源”。此時(shí)只消耗小部分電能，就能將外界大量熱量，搬運(yùn)“泵”進(jìn)純電動(dòng)汽車內(nèi)，成為熱泵。不過，熱泵在低溫環(huán)境下制熱效果還有待提升。
目前，熱泵系統(tǒng)從兩換熱器回路架構(gòu)到三換熱器回路架構(gòu)、帶中間換熱器的補(bǔ)氣增焓回路架構(gòu)、雙級(jí)壓縮回路都有熱管理系統(tǒng)供應(yīng)商在進(jìn)行開發(fā)，部分廠家已經(jīng)通過臺(tái)架測(cè)試并且裝車，實(shí)現(xiàn)了部分量產(chǎn)。
如奧迪e-tron、大眾 iD3、理想汽車ONE、小鵬P4、上汽乘用車ei5和Marvel X、一汽轎車B30EV、比亞迪的漢、蔚蘭汽車ET7、廣汽Aion LX、長(zhǎng)安汽車C211EV4、特斯拉model Y等，36%的電動(dòng)車已經(jīng)采用熱泵技術(shù)，預(yù)計(jì)2026年會(huì)達(dá)到60%以上。
同時(shí)，零部件集成度也在不斷提升，超級(jí)水壺和8通閥的導(dǎo)入，空調(diào)ECU被整合到整車ECU架構(gòu)中。主動(dòng)冷卻和主動(dòng)加熱技術(shù)已經(jīng)成為電池?zé)峁芾淼闹髁骷夹g(shù)選擇，并且在74%的新能源汽車上采用液冷技術(shù)，中高級(jí)轎車已經(jīng)全面采用液冷技術(shù)。
二、熱泵系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)
目前，新能源汽車熱管理系統(tǒng)仍亟需解決熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)如下：
1）熱泵系統(tǒng)需要針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)一步優(yōu)化與簡(jiǎn)化。熱泵技術(shù)的應(yīng)用也在和電池能量密度有強(qiáng)相關(guān)性，每kWh電池成本下降速度與熱泵每kW成本下降速度在進(jìn)行比賽，也決定了熱泵技術(shù)的應(yīng)用推廣速度和深度。目前提出的熱泵系統(tǒng)回路控制元件仍顯較多，系統(tǒng)控制仍較復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性不高；
2）電動(dòng)零部件集成化和模塊化需進(jìn)一步提高。如電子膨脹閥和電池冷卻器的集成化、四通換向閥及系統(tǒng)可靠性和耐久性等；
3）熱泵工況下系統(tǒng)性能進(jìn)一步提升。尤其是在-30℃北方使用場(chǎng)景下，R134a/R1234yf系統(tǒng)性能急劇降低，制熱量不夠、功耗增加，同時(shí)車室外換熱器在低溫工況如（2℃/1℃環(huán)境溫度）下嚴(yán)重結(jié)霜、系統(tǒng)性能惡化等問題；
4）熱泵系統(tǒng)成本需進(jìn)一步降低。新能源汽車熱泵系統(tǒng)由于其復(fù)雜性和更多零部件，使得其成本相對(duì)于常規(guī)熱管理系統(tǒng)不具備優(yōu)勢(shì)。一方面需要進(jìn)一步加大熱泵系統(tǒng)推廣力度，以攤薄設(shè)計(jì)和開發(fā)成本，另一方面通過技術(shù)改進(jìn)（如系統(tǒng)優(yōu)化、低成本替代材料等）和集成化設(shè)計(jì)與制造來降低成本；
5）CO2熱泵系統(tǒng)的研發(fā)不夠。在環(huán)保和熱泵等發(fā)展趨勢(shì)下，CO2熱泵系統(tǒng)具有天然的制熱性能優(yōu)勢(shì)，在業(yè)界受到越來越多的重視，但其中仍有很多技術(shù)問題亟需解決，如制冷和制熱性能的平衡考慮、系統(tǒng)高壓安全問題、系統(tǒng)關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與匹配、制造系統(tǒng)升級(jí)轉(zhuǎn)換和改造、售后維修服務(wù)系統(tǒng)改造升級(jí)等。
三、熱泵技術(shù)難點(diǎn)的解決方案
對(duì)于第二節(jié)中所述新能源汽車熱管理技術(shù)難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外主要汽車熱管理競(jìng)爭(zhēng)廠商都在做解決方案和產(chǎn)品開發(fā)。
在熱泵系統(tǒng)方面，國(guó)外有寶馬、特斯拉和大眾等已在電動(dòng)汽車產(chǎn)品上應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也有一汽奔騰B30EV、上汽榮威Ei5和榮威 Marvel X、小鵬汽車P5都已應(yīng)用熱泵空調(diào)系統(tǒng)。
日本三電還開發(fā)了使用CO2的熱泵系統(tǒng)用壓縮機(jī)，裝配到奔馳車型上。
國(guó)內(nèi)比亞迪開發(fā)和生產(chǎn)了使用R410A的熱泵產(chǎn)品，能夠滿足-40℃極寒環(huán)境的整車制熱需要，COP在-10℃時(shí)達(dá)到3.5，近期，又在研發(fā)R290熱泵空調(diào)。
上海加冷松芝開發(fā)的三換熱器乘用車R134a熱泵空調(diào)可以滿足環(huán)境溫度-20℃的使用，COP在-10℃達(dá)到1.8，并已成功應(yīng)用在江淮汽車全系新能源車型上和上汽通用五菱mini EV。此外，還開發(fā)和量產(chǎn)了帶中間換熱器和補(bǔ)氣増焓制冷回路的超低溫R410A大巴熱泵空調(diào)，可以滿足環(huán)境溫度-30℃的使用，COP在-20℃達(dá)到1.48。
特斯拉在熱泵系統(tǒng)開發(fā)上，采用了空氣回路、制冷劑回路、冷卻液回路耦合的系統(tǒng)，將電機(jī)電控余熱回收和再利用加入到熱泵系統(tǒng)中，并在Model Y上進(jìn)行量產(chǎn)應(yīng)用。
值得一提的是，特斯拉引入了在非效率區(qū)運(yùn)行電動(dòng)壓縮機(jī)和無刷風(fēng)機(jī)的輔助制熱模式，可以在不增加零部件的情況下充分利用已有零部件進(jìn)行輔助制熱，大幅提高了制熱能力和制熱能效，又可以有效地降低系統(tǒng)構(gòu)件成本。
綜上所述，國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)廠商在熱泵空調(diào)技術(shù)開發(fā)上基本上還是齊頭并進(jìn)、各有千秋，都覆蓋制冷、制熱、除濕、預(yù)冷、預(yù)熱以及多種混合模式的乘員艙和電池?zé)峁芾硪蟆２贿^，在乘用車領(lǐng)域，國(guó)外技術(shù)商業(yè)化量產(chǎn)比國(guó)內(nèi)略早，在大型客車領(lǐng)域，中國(guó)廠商仍是相對(duì)領(lǐng)先的狀態(tài)。
