1.3 新能源汽車熱系統研究進展與發展趨勢

1.3.1 新能源汽車熱系統研究進展

新能源汽車中，純電動汽車目前占比最大且其熱系統變化大，所以這里僅介紹純電動汽車熱系統的研究進展。根據熱系統架構與集成化程度，將電動汽車熱系統的發展歸納為單冷加PTC（正溫度系數）加熱器供暖、常規熱泵應用、寬溫區熱泵及一體化熱系統三個階段[6]。

1.第一階段：單冷加PTC加熱器供暖

在電動汽車產業化起步階段，基本是以電池、電機等動力系統的替代為核心技術發展起來的，車室空調、車窗防霧除霧、電池/電機/電控溫控等輔助系統是在傳統燃油汽車熱系統基礎上逐步改進而來的。純電動汽車空調與燃油汽車空調都是通過蒸氣壓縮式制冷循環來實現制冷功能的，兩者的不同之處在于，燃油汽車空調壓縮機由發動機通過傳動帶驅動，而純電動汽車則直接使用電驅動壓縮機。燃油汽車冬季直接利用發動機的余熱來對乘員艙進行供暖，而純電動汽車的電池和電機余熱無法滿足冬季供暖的需求，因此冬季制熱是純電動汽車需要解決的問題。正溫度系數（Positive Temperature Coefficient，PTC）加熱器是由PTC陶瓷發熱元件與鋁管組成的，具有熱阻小、換熱效率高等優點，并且在燃油汽車車身基礎上改動較小，因此早期的電動汽車采用蒸氣壓縮式制冷加PTC加熱器制熱來實現車室全年空調（圖1-5），例如早期三菱公司的i-MiEV電動汽車便采用上述方式進行車室空調[7]。電動汽車的動力電池充電和正常運行放電時會產生熱量，溫度升高，需要對電池進行降溫。電池冷卻的方法主要有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、熱管冷卻等幾種方式[8]，由于空氣冷卻結構簡單、成本低、便于維護，在早期的電動汽車上得到了廣泛應用。這一階段的熱系統主要形式是各個獨立的子系統分別來滿足不同系統和部件的熱需求。

2.第二階段：常規熱泵應用

電動汽車冬季供暖采用PTC加熱器制熱，從熱力學角度來說其COP（性能系數）始終小于1，使得PTC加熱器制熱耗電量較高，能源利用率低，嚴重制約了電動汽車的行駛里程。而熱泵技術利用蒸氣壓縮式循環將環境中的低品位熱量進行利用，制熱時的理論COP大于1，因此使用熱泵系統來代替PTC加熱器可以增加電動汽車制熱工況下的續駛里程[9]。例如，圖1-6所示為應用于電動汽車的常規熱泵系統示意圖，圖1-7所示為寶馬i3車型采用的熱泵系統，此外一汽奔騰與紅旗、上汽榮威等也都在部分車型上采用了熱泵系統。然而在低溫環境下，傳統熱泵系統制熱量衰減嚴重，無法滿足電動汽車低溫環境制熱需求，需要額外的加熱器輔助加熱[10]，因此熱泵加PTC加熱器輔熱的制熱方式成為電動汽車冬季低溫環境下乘員艙制熱的主要方式。隨著動力電池容量與功率的進一步提升，動力電池運行過程的熱負荷也逐漸增大，傳統的空氣冷卻無法滿足動力電池的溫控需求，因此液冷成為當前電池溫控的主要方式。并且，由于人體所需的舒適溫度和動力電池正常工作所處的溫度相近，因此可以通過熱泵系統中并聯換熱器的方式來分別滿足車室空調與動力電池冷卻的需求。通過換熱器以及二次冷卻間接帶走動力電池的熱量，電動汽車整車熱系統集成化程度有所提高。但是這一階段的熱系統只對動力電池冷卻與車室空調進行了簡單整合，電池、電機余熱未得到有效利用。

3.第三階段：寬溫區熱泵及一體化熱系統

傳統熱泵空調在低溫環境下制熱效率低、制熱量不足，制約了其在電動汽車上的應用。因此，一系列提升熱泵空調低溫工況下性能的方法得以開發應用，例如采用中間補氣渦旋壓縮機的準二級壓縮熱泵系統[11]。另外，通過合理增加二次換熱回路，在對動力電池與電機系統進行冷卻的同時，對其余熱進行回收利用，以提高電動汽車在低溫工況下的制熱量；試驗結果表明，余熱回收式熱泵空調與傳統熱泵空調相比，制熱量顯著提升[12]。熱系統各子系統耦合程度更深的余熱回收式熱泵以及集成化程度更高的整車熱系統在如圖1-8所示的特斯拉Model Y、大眾ID4.CROZZ等車型上已經得到應用。然而當環境溫度更低，余熱回收量更少時，僅通過余熱回收依然無法滿足低溫環境下的制熱量需求[13]，仍然需要使用PTC加熱器來彌補上述情況下制熱量的不足[14]。隨著電動汽車整車熱系統集成程度的逐漸提升，可以通過合理地增大電機發熱量的方式來增加余熱的回收量[15]，從而提高熱泵系統的制熱量與COP，避免了PTC加熱器的使用，在進一步降低熱系統空間占用率的同時滿足電動汽車在低溫環境下的制熱需求。除了電池、電機系統余熱回收利用以外，回風利用也是降低低溫工況下熱系統能耗的方式。筆者研究結果表明[16]，低溫環境下，合理的回風利用措施能夠在避免車窗起霧、結霜的同時使電動汽車所需制熱量下降46%～62%，最大能夠降低約40%的制熱能耗。日本電裝（DENSO）公司也開發了相應的雙層回風/新風結構，能夠在防起霧的同時降低30%由通風引起的熱損失。這一階段電動汽車熱系統在極端條件下的環境適應能力逐漸提升，并朝著集成化、高效化的方向發展。

為進一步提高動力電池高功率情況下的熱管理效率，降低熱系統復雜程度，將制冷劑直接送入電池組內部進行換熱的直冷直熱式電池溫控方式也是目前的技術方案之一。直冷技術能夠提高換熱效率與換熱量，使電池內部獲得更均勻的溫度分布，減少二次回路的同時增大系統余熱回收量，進而提高電池溫控性能。但由于電池與制冷劑直接換熱技術需要通過熱泵系統運行提高換熱量，一方面電池溫控受限于熱泵空調系統的起停，并對制冷劑環路的性能有一定的影響，另一方面也限制了過渡季節的自然冷源利用，因此該技術仍需開展進一步的研究改進與應用評估。

另外，針對我國雙碳目標和《基加利修正案》對氫氟碳化物的管控，汽車熱系統的制冷劑替代研究也成為行業研究熱點。關于潛在替代制冷劑的研究應用主要集中在R1234yf、CO₂、R290三種純工質及其混合物上，其中R1234yf和CO₂熱泵系統已經在電動汽車上成功應用，R290作為易燃制冷劑需要解決應用安全問題，其示范應用正在進行中。