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技术 | 新能源汽车热泵空调技术汽修培训

汽车培训培训中心2019 - 05 - 20汽车培训培训中心汽车培训

  随着新能源汽车汽修培训的日趋成熟以及国家政策的鼓励支持,新能源汽车越来越受到人们的追捧。空调作为驾乘舒适性的功能要求,也必然会有着越来越高的要求。在新能源汽车空调系统方面,目前受限于电池技术的发展和续航里程的短板,使得空调系统的节能高效成为首要考虑因素。
  从空调技术的发展和工作效率来说,热泵型空调系统良好的工作性能将成为重要的发展趋势。本文针对目前新能源汽车空调行业痛点进行解构和分析,并将泰铂科技的热泵技术作为案例参考推介,针对新能源汽车空调降低能耗、提升性能提供经验与实例。

  一、新能源汽车热管理典型技术方案

  汽车热管理主要作用是为驾驶舱乘客提供适宜的温度环境,并使汽车各部件在适合的温度范围工作。广义的汽车热管理包括空调系统和对汽车上其它发热设备的管理,狭义的热管理仅指后者。
  新能源汽车热管理系统比传统汽车更复杂。传统汽车热管理系统主要包括两部分:发动机冷却系统和汽车空调系统。新能源汽车不仅包括传统汽车空调系统(插电混合动力汽车还包括发动机冷却系统),而且新增电池、电机等冷却需求。
  从热管理需求划分的话,新能源车热管理系统主要包括电池包环境、功率电子器件、电机散热、汽车空调等。其中最主要的是空调系统与电池热管理系统。
  相对于传统燃油汽车更多注重发动机的热管理,新能源汽车热管理系统需要从系统集成和整体角度出发,统筹热量与动力总成及整车之间的关系,采用综合手段控制和优化热量传递的系统。
  传统燃油汽车的空调系统主要由两部分组成,制冷系统采用的是由发动机提供动力的蒸汽压缩式制冷,制热系统主要是通过将冷却液的热量引入到车内。纯电动汽车夏季制冷时,空调压缩机是由电动机来驱动的,然而冬季没有发动机余热,所以需要其他的方法来解决供暖问题。由于纯电动汽车与传统燃油汽车能量来源不同,纯电动汽车空调系统主要存在以下几种方案。
  1)蒸汽压缩式制冷+PTC电加热供暖系统
  夏季汽车制冷时,电动机带动空调压缩机运转,制冷原理与燃油车相同,同样能够达到制冷的目的。冬季取暖时,通过消耗蓄电池的电量来加热PTC,这种加热方式目前是电动汽车常用的一种方式。
  PTC加热器分为两种,一种是通过加热液体采暖,一种是加热空气取暖。蒸汽压缩式制冷+PTC电加热供暖系统可靠性高,能够满足车内成员对温度调控的需要,但是热效率低,能源利用率低,成本高,研究表明搭载该系统的车辆续航行使里程大约会降低1/3左右。
  2)利用余热供暖系统
  纯电动汽车在工作过程中,利用变频器、电机、电池等元件产生的热量对车内进行加热。研究表明此种模式下产生的温度在50℃左右,普通制热情况下能够基本满足乘车需要,但在较低的温度下很难为车内提供足够的热量。因此这种方案只能作为辅助制热。
  3)半导体式制冷声制热空调系统
  半导体式制冷/制热空调系统利用特种半导体材料构成的P-N结,形成热电偶对,产生珀尔帖效应。该系统不需要任何制冷剂,没有污染源,没有震动、噪音,既能制冷又能制热,容易实现遥控、程控、计算机控制,制热时间快,可以实现从90-130℃温度范围内变化。目前存在着热电材料的优值系数较低,制冷性能不够理想,并且热电堆产量受到构成热电元件元素产量的限制,不具备电动汽车空调节能高效的要求。
  4)热泵空调系统
  热泵空调系统以电动机为动力驱动空调压缩机运转,利用制冷循环可逆转的特点,集制冷与制热为一体,具有结构紧凑、高效、环保等优点,成为了国内外专家在电动汽车空调系统方面研究的热点。

  二、新能源汽车热泵空调主流技术方案

  热泵是一种可以将低位热源的热能强制转移到高位热源的空调装置,类似可以将低处的水泵到高处的“水泵”。使用四通换向阀可以使热泵空调的蒸发器和冷凝器功能互相对换,改变热量转移方向,从而达到夏天制冷冬天制热的效果。
  热泵的理论基础来源于热力学逆卡诺循环,热泵型空调系统的制冷和制暖,均采用专用的电动压缩机驱动制冷或制热循环,其中冬季采暖时不再像现有电动空调这样只采用PTC制热,而是使用电动压缩机驱动实现制热。
  目前,电动汽车热泵空调的研究主要分为3种类型:1)基于现有制冷剂R134a的热泵系统;2)制冷剂CO2的热泵技术;3)太阳能热泵空调系统。根据换热器的数目,这些系统又可分为单换热器和双换热器两种;根据压缩机的不同,系统又分滑片压缩机和涡旋压缩机两种不同类型。
  按制冷剂划分,热泵空调系统主要有R134a型和CO2型。虽然CO2具有良好的热物理性能,并且CO2使全球变暖的潜在能力(GWP)是R134a的千分之一,但由于目前各种汽车空调系统主要使用制冷剂R134a,零部件设计、生产及售后服务及维护,均依据R134a制冷剂物理性能设计,R134a型热泵空调系统成为当前研发的主流技术。
  以R134a作为制冷剂,电动汽车热泵空调系统结构上通常有以下两种方案:
  1、方案一:系统由电动空调压缩机、气液分离器、HVAC总成(包括车内冷凝器、蒸发器、蒸发风机、辅助加热PTC)、车外换热器以及多个电磁阀组成。总体上是在现有电动汽车普遍使用的电动空调基础上,使用电动压缩机,车外换热器为垂直“V"形翅片平行流换热器形式,在HVAC总成内部增加车内冷凝器和辅助加热PTC,在空调管路上增加多个电磁阀,通过控制多个电磁阀的开启和关闭,实现制冷剂流向控制。多个电磁阀的组合实现既可以切换冷媒流向,也可以膨胀冷媒的作用。
  2、方案二:使用电动压缩机,通过四通换向阀改变制冷剂的流向,采用电子膨胀阀可实现制冷剂的双向流动,车外换热器使用垂直“V”形翅片平行流换热器,增加辅助加热。
  方案二这种形式的热泵空调系统,制冷制热的原理与方案一类似,不同之处在于四通换向阀能够同时起到方案一的制冷TXV阀和热泵TXV阀的冷媒切换作用,电子膨胀阀同时起到制冷TCV和热泵TXV的膨胀冷媒作用。该系统的工作由专用的热泵控制器控制。
  以上两种方案在所涉及的零部件存在着差异:
  方案一所涉及零部件都较成熟可靠,实现制冷和采暖功能的难度较小。但系统零部件较多,为实现冷媒切换和膨胀功能,增加了电磁阀换向阀和电磁膨胀阀。为实现车内换热功能,在蒸发器的基础上增加了一个车内冷凝器。管路空间布置困难,空调主机需重新设计。因方案涉及到的阀体较多,管接头过多,制冷剂流阻较大,高效节能略显不足。控制精度方面,难以精确控制,总体上开发成本较高。
  方案二系统架构简洁,涉及的零部件较少,核心是四通换向阀和电子膨胀阀。由于车内换热器同时起到车内冷凝器和蒸发器的作用,因此空调主机可直接借用,管路复杂程度较低。控制精度方面,国内电子膨胀阀和四通换向阀的成熟产品相对较少,主流的阀类零部件厂家正在攻关开发;需专用热泵空调控制器,可实现精确控制,这也是各主机企业在空调开发方面重点实施的工作。现阶段开发标定费用较多,系统成本与方案一相当,但随着产品的普及和量的提升,价格会有明显下降。目前,国内外各主机企业均采用该方案。
  在现有行业背景下要实现热泵系统的大批量产业化,开发方案二所示的热泵空调系统是趋势。产业界需培育高速高效电动压缩机、车外和车内换热器、四通换向阀、电子膨胀阀等核心零部件,推动零部件尽快成熟可靠,主机企业在热泵系统集成方面要提升控制开发能力。

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