空调系统作为现代汽车的标准配置,其设计和性能对车内热舒适环境和行车体验有着重要影响。与传统燃油汽车不同,电动汽车采用电力驱动,这使得其空调系统在制冷制热原理、系统构成、控制策略等方面存在显著差异。
空调系统作为现代汽车的标准配置,其设计和性能对车内热舒适环境和行车体验有着重要影响。与传统燃油汽车不同,电动汽车采用电力驱动,这使得其空调系统在制冷制热原理、系统构成、控制策略等方面存在显著差异。
传统燃油汽车空调的制冷多采用蒸气压缩循环。如图1所示,其基本构成包括:压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器[6]。在压缩机的作用下,制冷剂在系统内完成"压缩-冷凝-节流-蒸发"的闭式循环,不断吸收蒸发器侧的热量,并在冷凝器侧放热,从而实现制冷效果。
(1)低温低压的气态制冷剂由压缩机吸入,被压缩成高温高压状态,然后排入冷凝器。
(2)在冷凝器中,高温制冷剂与外界空气换热,放出热量,逐步冷却,最终冷凝成高压液体。
(3)高压液态制冷剂通过节流装置(如膨胀阀)节流降压,变为低压低温的气液混合物,进入蒸发器。
(4)在蒸发器内,制冷剂吸收空气热量蒸发为气体,使管壁温度下降,带走空气热量,到达蒸发器出口的制冷剂全部气化,重新进入压缩机,完成循环[7]。
电动汽车空调在制冷循环上与燃油汽车并无本质区别,同样采用蒸气压缩制冷,由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器等部件构成。但在压缩机驱动和系统配置上,则存在明显不同。
综上,电动汽车和燃油汽车空调在制冷循环上并无本质差异,均采用蒸气压缩制冷原理。但电动汽车空调在压缩机驱动、系统配置、部件功能等方面更具优势和灵活性,
(1)采用电驱压缩机,可实现无级调速,转速范围宽,且可正反转运行,改善了部分负荷性能;
(2)系统配置更复杂,设有独立冷却回路,与座舱回路耦合,可利用驱动系统废热,提高效率;
(3)部件集成度高,如兼具制冷和制热功能的四通阀,可实现冷热模式切换,简化系统;
(4)热管理更加智能化,电池冷却与座舱供冷互补,可根据工况灵活调配冷量。
传统燃油汽车的冬季供暖主要利用发动机废热。通过板换将高温冷却液的热量传递给空调系统的冷却水,再由冷却水将热量带入汽车空调箱体内的暖风芯体,加热经过的空气,最终通过通风管道送入车内[14],如图3所示。
与燃油汽车不同,电动汽车没有发动机废热可供利用,因此需采用其他制热方式。目前,电动汽车的冬季制热主要有电加热和热泵两种技术路线。
电加热是利用电阻丝通电时产生的焦耳热对空气直接加热。常见的電加热装置有PTC加热器和电加热芯体。PTC加热器利用PTC材料的电阻随温度升高而快速增大的特性实现自身温度调节,具有加热速度快、安全性高等优点[16]。
热泵制热是利用压缩机将低温热源(如环境空气)中的热量"泵"至高温区域(如车内),实现制热的技术。其原理与蒸气压缩制冷相似,只是在冬季工况下,通过四通换向阀改变制冷剂流动方向,使冷凝器作为暖风换热器向车内供热,蒸发器作为环境换热器吸收外界冷空气热量[18]。
综上,电动汽车和燃油汽车在冬季制热原理上存在明显差异,具体表现为:
(1)燃油汽车主要利用发动机废热供暖,而电动汽车需要专门的电加热或热泵装置;
(2)电加热制热虽然响应快,但能效低;热泵制热能效高,但在低温环境性能不佳;
(3)电动汽车多采用热泵+PTC组合供热方式,兼顾舒适性与经济性。
压缩机离合器通过接通或切断电磁线圈的电源,实现压缩机与发动机之间动力的接合与分离,进而控制制冷系统的启停。其控制逻辑通常为:当车内温度高于设定值时,接通离合器,启动压缩机制冷;当车内温度低于设定值一定范围时,切断离合器,停止压缩机运行[21]。
鼓风机的转速控制采用电阻调速或PWM调速的方式,改变送风量,调节制冷/制热量。模式风门控制采用拨叉+ 拉索机构,由空调控制面板上的旋钮拨动,切换出风模式[22]。
电动汽车空调在硬件配置上更加丰富,在控制策略上也更加智能化。其控制的主要对象包括:压缩机转速、电子膨胀阀开度、鼓风机转速、空调风门、水泵转速、四通阀切换等。
电动汽车普遍采用高压电驱动压缩机,通过改变电机转速来调节压缩机排量,进而控制制冷/制热量。由于电机响应速度快、调速范围宽,因此可实现压缩机无级调速控制,根据负荷需求连续调节转速,避免频繁启停,提高控制精度和舒适性[23]。
电子膨胀阀作为节流装置,其开度影响制冷剂流量,进而影响蒸发温度和制冷量。电动汽车空调普遍采用电子膨胀阀替代传统的热力膨胀阀,通过调节阀门开度,实现蒸发温度的精确控制,提高系统效率[24]。
电动汽车的鼓风机普遍采用无刷电机驱动,响应速度快,调速范围宽,可实现精确的风量控制。空调风门也多采用电动执行器,通过闭环控制实现风门角度的自动调节[25]。这种鼓风机与风门的联动可根据设定温度和环境条件自动优化送风状态,减少人工调节。
水泵转速的控制可调节冷却液流量,优化冷却系统与空调系统的换热量和效率。四通阀的切换控制可改变制冷剂流向,实现制冷和制热功能的切换,为冬夏模式转换提供了便利[26]。
电动汽车空调普遍采用模糊控制、预测控制等智能控制算法,根据车内环境参数和用户设定,自动调节压缩机转速、鼓风机转速、风门角度等,快速、准确地达到目标温度,并在满足舒适性的同时兼顾节能[27]。部分车型还具有远程控制、语音控制等功能,大大提升了用户体验。
综上,电动汽车空调在控制系统和控制策略上较传统燃油车更占优势,主要体现在:
(1)采用更多电控执行器,实现了压缩机、膨胀阀、风门等部件的精确调控;
(2)引入先进控制算法,实现了温度、风量、模式的智能调节,兼顾舒适节能;
(3)整车热管理更加系统化,统筹协调制冷、制热、除湿、除霜等功能;
(4)加入远程控制等人性化设计,提高了交互便利性。
