比亚迪纯电动汽车热泵空调技术详解

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一  热泵空调的制冷与采暖热泵空调是一种高效节能装置，既可制冷又可制热，制热时以逆循环方式迫使热量从低温物体流向高温物体，它仅消耗少量的逆循环功，而可以得到较大的供热量，从而达到节能的目的。
如图1所示，热泵空调系统主要包括电动压缩机、3个换热器（车外冷凝器、车内冷凝器及车内蒸发器）、2个电磁阀（制冷电磁阀及采暖电磁阀）、2个电子膨胀阀（制冷电子膨胀阀及采暖电子膨胀阀）以及制冷剂压力及温度传感器等。


图1 热泵空调制冷原理示意图
空调压缩机通过交流高压电驱动，一般为定排量、涡旋式类型，通过电机转速的变化向空调系统提供所需的制冷剂量；电磁阀为开关型，通电时工作而接通管路；电子膨胀阀是按照指令使步进电机转动而实现针阀轴向移动，通过改变阀口的流通面积来调节制冷剂的流量，使制冷剂流量与热负荷相匹配。1．制冷原理热泵空调制冷时，图1中制冷电磁阀及制冷电子膨胀阀工作。从压缩机出来的高温高压制冷剂，经过制冷电磁阀后进入车外冷凝器，与室外空气进行热交换后变为高压中温液态，经过制冷电子膨胀阀节流后进入车内蒸发器，吸收车内热量后液态制冷剂变为低压低温气态回流至压缩机，完成制冷循环。2．采暖原理
热泵空调采暖时，图2中采暖电子膨胀阀及采暖电磁阀工作。从压缩机出来的高温高压制冷剂进入车内冷却器并放热，放热后制冷剂冷却成高压中温的液体，经过采暖电子膨胀阀节流后进入车外冷凝器，吸收车外环境的热量后液态制冷剂变为低压低温气态，再经过采暖电磁阀回流至压缩机，完成采暖循环。


图2 热泵空调采暖原理示意图

二 海豚车热泵空调系统

2021年9月，比亚迪电动3.0平台海洋系列首款车型—海豚车上市，该车首次搭载了热泵空调系统，对整车热管理系统的效能有较大提升。
1．海豚车热泵空调系统组成
如图3所示，海豚车热泵空调系统主要由电动空调压缩机（最大功率6kW）、电子风扇、电机散热器、车外冷凝器、车内冷凝器与车内蒸发器、动力电池直冷直热板、气液分离器、热管理集成模块以及板式换热器（位于热管理集成模块下方）等组成，制冷剂为R1 34a（比亚迪部分纯电动车型采用R410a）。


图3 海豚车热泵空调系统组成
热管理集成模块上集成了6个电磁阀、3个电子膨胀阀（图4）以及9个制冷剂管接头（图5）。


图4 热管理集成模块



图5 热管理集成模块管路连接

2．海豚车热泵空调系统工作原理

海豚车热泵空调系统原理示意图，如图6所示。图中PT-1、PT-2表示两个制冷剂压力及温度传感器，P-1，表示制冷剂压力传感器，T-1、T-2表示两个制冷剂温度传感器。



图6 海豚车热泵空调原理示意图

海豚车热泵空调系统取消了传统电动汽车的高压PTC加热器，替换为低压风加热PTC加热器（1kw），用于极低温环境温度下辅助采暖。海豚车热泵空调除了可以实现车内制冷、车内采暖功能外，还全球首次实现了通过制冷剂对动力电池直接冷却、直接加热功能，以及对驱动电机、电机控制器等电驱单元热量利用等五大功能，并实现了整车智能综合热管理。搭载热泵空调技术的海豚车冬季续航能力提升10％以上，车辆覆盖了－30～40℃宽域温度范围，最低每百干米能耗降至10.3kWh。（1）空调采暖
当车辆低温行驶（或停止）时，打开空调系统采暖，热泵空调系统开启电动压缩机，采暖电子膨胀阀工作、水源换热电磁阀及空调采暖电磁阀均打开，制冷剂通过车内冷凝器放热，通过板式换热器吸收驱动电机、电机控制器等电驱动单元的热量。极低温情况下，可以开启PTC加热器辅助加热，提高热泵空调的适用温度范围。
空调采暖时，制冷剂的流动路线为：压缩机→车内冷凝器→采暖电子膨胀阀→水源换热电磁阀→板式换热器→空调采暖电磁阀→气液分离器→压缩机（图7）。


图7 空调采暖

（2）动力电池加热
当低温环境下充电，为缩短充电时间，或者是车辆低温行驶时，为改善低温下整车的动力性，热泵空调工作对动力电池直接进行加热。此时，电池电子膨胀阀开启工作，电池加热电磁阀、水源换热电磁阀和空调采暖电磁阀均打开，制冷剂通过板式换热器吸收电驱动单元余热，加热动力电池直冷直热板。

电池加热时，制冷剂的流动路线为：压缩机→电池加热电磁阀→动力电池直冷直热板→电池电子膨胀阀→单向阀1→水源换热电磁阀→板式换热器→空调采暖电磁阀→气液分离器→压缩机（图8）。



图8 动力电池加热（3）空调采暖和动力电池同时加热
当车辆低温行驶或低温充电时，若需要同时给乘员舱采暖和动力电池加热，热泵空调系统开启电动压缩机，采暖电子膨胀阀和电池电子膨胀阀同时开启工作，水源换热电磁阀、电池加热电磁阀及空调采暖电磁阀均打开，吸收电驱动单元余热，车内冷凝器和动力电池直冷直热板放热，若有必要，可以开启PTC加热器辅助加热（制冷剂的流动方向参考图7、图8）。
（4）空调制冷当车辆高温行驶（或停止）时，打开空调系统制冷，热泵空调系统开启电动压缩机，制冷电子阀膨胀阀工作，空调制冷电磁阀及空气换热电磁阀均打开，制冷剂通过车外冷凝器放热，车内 蒸发器 吸收车内热量。
空调制冷时，制冷剂的流动路线为：压缩机。车内冷凝器→空调制冷电磁阀→空气换热电磁阀→单向阀5→制冷电子膨胀阀→车内 蒸发器 →单向阀4→气液分离器→压缩机（图9）。



图9 空调制冷

（5）动力电池冷却
充电特别是大功率充电时，为了防止动力电池温度过高，热泵空调工作，对动力电池直接进行冷却；车辆行驶时，当动力电池温度高于设定值，热泵空调也开始工作。此时，电池电子膨胀阀开启工作，空调制冷电磁阀、空气换热电磁阀和电池冷却电磁阀均打开。制冷剂通过车外换热器放热，通过动力电池直冷直热板吸热。

动力电池冷却时，制冷剂的流动路线为：压缩机→车内冷凝器→空调制冷电磁阀→空气换热电磁阀→单向阀5→单向阀2→电池电子膨胀阀、动力电池直冷直热板→电池冷却电磁阀、单向阀3→气液分离器升压缩机（图10）。



图10 动力电池冷却
（6）空调制冷和动力电池同时冷却
车辆充电或者车辆行驶时，若同时需要车内制冷以及动力电池冷却，热泵空调工作，此时电池电子膨胀阀和制冷电子膨胀阀同时开启工作，空调制冷电磁阀、空气换热电磁阀和电池冷却电磁阀均打开（制冷剂的流动方向参考图9、图10）。
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