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新能源汽车低温变频热泵空调系统

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新能源汽车低温变频热泵空调系统

作者:
来源:
上海加冷松芝汽车空调股份有限公司
日期:
2018/01/09 15:33
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一、开发背景

 

2009年1月国家财政部、发改委等共同启动新能源汽车“十城千辆”的示范推广工作,新能源汽车的研发和应用得以飞速地发展。2012年共推广应用1.7万辆,2013-2014年推广应用10.1万辆,2015年跃升至37.9万辆,2016年生产51.7万辆,连续两年产销量居世界第一,累计推广超过100万辆,占全球市场保有量50%以上。

 

在新能源汽车销量的组成中,纯电动乘用车和纯电动客车的占比分别为50.7%和22.8%,纯电动汽车无疑是新能源汽车产销的主力军。空调系统是电动汽车动力电池的消耗大户。

 

研究表明,在冬季,采用PTC 制热的电动汽车空调会导致续航里程衰减达50%,极大地阻碍了电动汽车在北方低温环境下的应用。为了进一步提升电动汽车空调的能效,提高电动汽车续航里程,高效节能的热泵技术应运而生。

 

国内外厂商纷纷着手开发车用热泵系统,部分领先者已实现量产。然而受技术限制,当前热泵产品的工作温度通常在0℃附近,即使在近年量产的宝马i3车型上,使用热泵的最低环境温度也只能达到-5℃。因此,必须研可以在低温环境下(-20℃)使用的、高能效比的低温热泵空调。

 

低温热泵系统的应用存在诸多技术瓶颈:

 

1、系统性能衰减问题,低温下,热泵系统会出现能力不足、无法正常运行等现象,现有技术无法解决,需要另辟蹊径。

2、室外换热器结霜问题,汽车空调内常用的平行流换热器的防结霜性能很差,极易出现冰堵,目前业内尚无有效解决方案。

3、如何实现整车热能综合利用确保能效最大化。

 

这三个问题是业内公认的技术瓶颈,亟待解决。

 

二、成果创新点及解决的难点问题

 

针对上述存在的技术问题,项目开展相应工作,包括系统构架优化,低温热泵专用压缩机开发、防冰堵换热器开发、外置油分热泵系统开发及整车综合热管理技术等。

 

1)开发了三换热器系统架构,有效解决了低温运行环境下除雾问题;针对客车低温热泵空调系统,优化了系统结构,使得系统中换热器在制冷、制热工况下均能实现逆流换热,提高了系统效率。

 

1热泵空调系统结构形式

 

项目先后开发了三代乘用车热泵空调系统,第三代低温热泵系统可实现-20℃极低温环境启动下系统正常工作,冷启动时30分钟内乘客舱内部环境温度可上升到20℃。系统采用水路循环传导热量,降低了运行噪声,保证系统除霜时也可持续供热,提高了乘客的舒适性。

 

三换热器的系统结构可以实现乘客舱回风除雾(先制冷后制热),降低了制热负荷,避免了两换热器系统在除霜/除雾模式与制热模式切换时发生的“闪发凝雾”现象,提高了驾驶的安全性。

 

此外,第三代补气增焓低温热泵系统可以在水路循环上安装辅助PTC加热器,避免HVAC的重新设计,降低了开发成本。

经实车路试验证,该乘用车低温热泵系统在冬季运行时可维持乘客舱内接近20℃,整车续航里程相对原车提升25%,大大改善了车辆冬季运行情况。

 

2)针对乘用车低温热泵空调系统,项目开发了特有的涡旋压缩机,优化了压缩机补气结构,使得系统在-20℃工况下的性能提升27.1%;针对客车低温热泵空调系统,项目开发了补气增焓压缩机,使得-20℃下系统能效比提升34%,制热能力提升43.5%;在此基础之上,进一步开发了专用大排量压缩机,使得系统制热能效比进一步提升20.2%,制热能力提升84.6%。

 

3)研发了5mm小管径换热器,解决了乘用车低温热泵空调系统换热器冰堵问题;且其重量与同等面积的全铝微通道平行流换热器接近,换热能力更优;在客车低温热泵空调系统中,对室外换热器的分液进行了优化,由集流管分液优化为专用分液器分液,有效的解决了低温制热情况下分液不均、换热器结霜的问题。

 

在车用热泵系统开发中,最大的挑战在于室外换热器的结霜问题。在环境温度低于0℃且小于湿空气露点温度时,换热器表面在短时间内就会被霜层堵塞,特别是对于目前在乘用车上广泛应用的微通道平行流换热器,由于其百叶窗翅片间距较小,化霜后水分不易流出,再次冷却时易结成冰,发生“冰堵”现象,将彻底堵塞空气流通,使热泵系统无法工作。

 

目前量产的BMWi3的热泵系统亦无法突破该技术瓶颈,在环境温度-5℃以下就无法正常工作。本项目中创新性地采用了小管径铜管铝翅片结构的室外换热器,有效解决了上述微通道换热器在热泵模式下容易结霜的问题,实现了热泵系统在低温环境下的长时间工作。同时,通过管路排布、制冷剂分配器优化来改善换热器性能,使产品的重量、换热能力达到与微通道换热器相当的水平。

 

4)采用外置油分离器的热泵系统开发,解决了低温变频压缩机的回油问题,有效提升了系统运行的可靠性。在低温工况下,压缩机润滑油粘度变大,相比常温工况下更容易滞留在系统中。润滑油回油困难会导致两方面问题:

一方面压缩机由于缺乏润滑油而导致润滑变差,会使压缩机摩擦损失增加,效率降低、寿命缩短;

另一方面,滞留在系统中的润滑油极易停留在蒸发器中,增加制冷剂和管道之间的热阻,使得换热器性能变差,进一步降低系统性能。

 

为解决低温工况下压缩机的回油问题,我们在原有压缩机排气管上增加一个油分离器,确保润滑油可以快速回到压缩机。

 

外置油分离器的热泵系统示意图

 

5)开发了整车空调、电池、电机热管理集成控制系统,可有效利用电池、电机热源,实现热资源合理利用,以提升整车热利用效率,改善新能源车续航能力。

 

三、技术水平

 

当前,国内外同行同类技术研发情况如下表1和表2所示。在研究方面,目前国内外也集中在低温热泵方面,但多集中于理论探究,还未见具体装车路测。

 

表1 国外从事相关研究的主要机构

 

序号

机构名称

相关研究内容

相关研究成果

成果应用情况

1

GM Global Technology Operations LLC

汽车热泵系统及蓄热利用方法

提出了使用蓄热材料来存储热能并用于制热

处于研发阶段

2

Hyundai Motor Company

喷气增焓热泵系统在电车上的应用

喷气增焓系统适用于电车,同时可以提高出风温度

处于研发阶段

3

Hyundai Motor Company

带除湿功能的汽车热泵系统

带除湿功能的低温热泵空调系统

处于研发阶段

4

Behr GmbH

低温热泵及室外换热器除霜

0℃时可取得3Kw制热量

处在研究阶段

5

法雷奥集团

室外换热器性能及制热性能

-5℃时能效比为1.6,系统可满足舒适性需求

处在研究阶段

6

伊利诺伊大学

热泵制热性能及电子膨胀阀控制逻辑探究

可通过过冷度控制优化系统性能

处在研究阶段

 

 

在商业化产品方面,目前国内暂无已应用热泵产品;国外已搭载热泵系统的车型如下图所示。由表3中可以看出,目前国外厂商的产品多应用与0℃左右的环境中。温度更低时,受热泵系统性能限制,将会转换为PTC加热。

 

表2 近几年国外主机厂的热泵空调车型

 

序号

机构名称

车型

系统信息

1

Toyota Motor Corporation

PRIUS

热泵系统适用较低环境温度

2

Toyota Motor Corporation

IQ EV

搭载热泵系统

3

Nissan Motor Corporation

LEAF

热泵系统适用于0℃以上环境

4

Kia Motors

SOUL

搭载热泵系统

 

 

从国内外研究现状对比可以看出,本项目所达成的项目目标处在国际先进水平;其竞争力属于国内前沿。

 

项目核心技术新能源乘用车低温变频热泵空调系统及新能源客车低温变频热泵空调系统于2017年3月经中国科学院上海科技查新咨询中心,认为目前国内外公开文献中未见与该项目技术特点完全相同的技术公开,该项目具有新颖性。经检索,项目综合技术达到了国际先进水平。

 

核心产品经合肥通用机电产品检测院有限公司检测,系统制冷能效比EER达到2.64;-10℃下系统制热能效比COP1.66;-15℃系统制热能效比1.4。

 

2017年3月,中国制冷空调工业协会在上海组织召开了“新能源汽车低温变频热泵空调系统关键技术开发与应用”项目技术成果鉴定会。鉴定委员会听取了项目研发工作总结、科技查新等报告,参观了现场并审阅了相关技术资料,经讨论认为项目符合国家产业政策。项目研究成果达到国际先进水平,一致同意通过鉴定。

 

四、社会经济效益

 

新能源客车热泵空调系统已在比亚迪汽车、金龙客车、北汽福田等国内知名大型客车厂整车中得到应用,受到了北京、济南、上海、石家庄等公交集团客户的认可。

 

近三年累计实现销量46535 台,销售额181174.5 万元,利润54352.4 万元,税收9058.7 万元。预期2017年将实现销售100000万元。

 

本项目所推广的电动客车热泵空调系统可产生巨大的节能效应,为企业减少大量电费开支,从而产生间接经济效益。

以北汽福田电动客车为例,近三年累计销售超过4800台热泵型空调,用以取代原车PTC加热器。

 

以12米长客车为例,其配备PTC加热器功率通常为16kW;北京冬季时长共计3个月,每日电动大巴运营8小时,则其整个冬季在取暖方面将耗费5.53×107kWh的电能。取热泵空调系统制热时平均能效比为2,则其一年可节省电能2.76×107kWh.取工业谷电电费为0.37元/kWh,则可节省电能约102万元。该部分节省的电能还将减少大量二氧化碳排放。按照2014年国家发改委公布的华北地区电网基准线排放因子计算,每kWh电能将造成0.799kg二氧化碳排放。则本项目所产生二氧化碳减排量可达2.2万吨,减排效果十分明显。

 

项目核心内容填补了新能源电动汽车低温热泵空调系统相关技术的空白,推广了新能源节能技术,使得新能源电动客车可以在北方地区使用,极大的提高了新能源客车的应用范围。

 

项目技术成果产业化有力推动新能源汽车空调领域的技术发展,间接提升整车的市场竞争力,具有重大社会效益和间接经济效益。

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