基于熱泵利用電驅(qū)動(dòng)汽車產(chǎn)生的余熱

李 赟

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031)

熱泵(Heat Pump)是一種將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的裝置，也是全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù)。它不同于人們所熟悉的可以提高位能的機(jī)械設(shè)備“泵”；熱泵通常是先從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，經(jīng)過電力做功，然后再向人們提供可被利用的高品位熱能。

電驅(qū)動(dòng)汽車產(chǎn)生的余熱要比內(nèi)燃機(jī)汽車少得多,熱泵的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了利用電動(dòng)傳動(dòng)系元件的余熱對(duì)車內(nèi)空間進(jìn)行加熱。通過擴(kuò)展制冷劑及冷卻液回路，可以回收余熱用于加熱，這樣可使電動(dòng)加熱運(yùn)行模式的效率得到顯著提升。熱泵會(huì)將電動(dòng)傳動(dòng)系元件散失的熱量收集起來(lái)，然后使流經(jīng)熱交換器的冷卻液達(dá)到更高的溫度水平。

熱泵優(yōu)點(diǎn)在于溫度預(yù)調(diào)節(jié)利用電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)和高電壓加熱裝置(PTC)，在夏季行駛前可以對(duì)車內(nèi)空間提前制冷，冬季提前加熱，熱泵無(wú)需輔助加熱就可以維持在22 ℃左右的舒適溫度。熱泵的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以避免車窗在潮濕氣候條件下蒙上水霧,通過它可首先對(duì)吸入的空氣進(jìn)行冷卻并除濕，接著通過熱泵重新高效地加熱。電動(dòng)車輛的傳統(tǒng)加熱系統(tǒng)為此需要消耗兩次能量。

1 熱泵的工作原理

熱泵系統(tǒng)的工作原理與制冷系統(tǒng)的工作原理是一致的。兩者的主要部件及組成是一樣的：壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器。

在夏季空調(diào)降溫時(shí)，按制冷工況運(yùn)行，由壓縮機(jī)排出的高壓蒸汽，經(jīng)換向閥進(jìn)入冷凝器，制冷劑蒸汽被冷凝成液體，經(jīng)節(jié)流裝置進(jìn)入蒸發(fā)器，并在蒸發(fā)器中吸熱，將室內(nèi)空氣冷卻，蒸發(fā)后的制冷劑蒸汽，經(jīng)換向閥后被壓縮機(jī)吸入，這樣周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。

在冬季取暖時(shí)，熱泵工作，于是由壓縮機(jī)排出的高壓制冷劑蒸汽，經(jīng)換向閥后流入室內(nèi)蒸發(fā)器，制冷劑蒸汽冷凝時(shí)放出的潛熱，將室內(nèi)空氣加熱，達(dá)到室內(nèi)取暖目的，冷凝后的液態(tài)制冷劑，從反向流過節(jié)流裝置進(jìn)入冷凝器，吸收外界熱量而蒸發(fā)，蒸發(fā)后的蒸汽經(jīng)過換向閥后被壓縮機(jī)吸入，完成制熱循環(huán)。這樣，將外界空氣(或循環(huán)水)中的熱量"泵"入溫度較高的室內(nèi)，故稱為“熱泵”。

2 熱泵的熱管理系統(tǒng)

熱泵的熱管理系統(tǒng)屬高電壓系統(tǒng)部件，包括空調(diào)器制冷、熱泵、冷卻等功能。熱管理系統(tǒng)控制器讀取來(lái)自溫度和壓力傳感器的信號(hào)，控制泵和閥門?？刂破骺梢詤f(xié)調(diào)由熱泵新加入的部件的請(qǐng)求，協(xié)調(diào)子系統(tǒng)的請(qǐng)求，并嘗試調(diào)節(jié)最節(jié)能的工作點(diǎn)。高電壓加熱裝置(PTC)會(huì)加熱車內(nèi)空間的暖風(fēng)熱交換器中的冷卻液。這是在電動(dòng)行駛和溫度預(yù)調(diào)節(jié)時(shí)進(jìn)行的,只有當(dāng)熱泵的加熱功率不足以加熱車內(nèi)空間時(shí)，高電壓加熱裝置才會(huì)投入工作。

熱泵的熱管理系統(tǒng)的另一元件是電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)，它是種新開發(fā)汽車空調(diào)系統(tǒng)的核心部件。電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)以低壓吸入低溫氣態(tài)制冷劑。它在壓縮機(jī)中被壓縮，同時(shí)提高壓力，制冷劑的溫度上升。壓縮后的高溫氣態(tài)制冷劑從空調(diào)壓縮機(jī)流入閥體，然后根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)，制冷運(yùn)行模式時(shí)，流向冷凝器；熱泵運(yùn)行模式時(shí)，流向用于熱泵運(yùn)行的熱交換器。電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)在必要時(shí)不僅負(fù)責(zé)車內(nèi)的加熱和制冷，也負(fù)責(zé)混合動(dòng)力蓄電池單元的加熱和冷卻。制冷劑斷流閥布置在一個(gè)緊湊的閥體內(nèi)，通過LIN總線受控制器促動(dòng),閥門的開關(guān)位置決定了系統(tǒng)的運(yùn)行。此外系統(tǒng)還包含電子膨脹閥(熱管理系統(tǒng)控制器通過LIN總線促動(dòng))，用于截流蒸發(fā)器的制冷劑斷流閥,止回閥可以保證制冷劑在不同運(yùn)行模式下沿正確方向流動(dòng)。

3 熱泵的熱管理系統(tǒng)的工作過程

混合動(dòng)力蓄電池?zé)峤粨Q器是一臺(tái)板式熱交換器，制冷劑在其中被蒸發(fā)。該部件用于冷卻蓄電池回路，并在熱泵運(yùn)行時(shí)吸收來(lái)自低溫回路的熱量。帶制冷劑收集器的，用于熱泵運(yùn)行的熱交換器將來(lái)自制冷劑回路和冷卻回路的熱量傳遞給加熱回路。高溫氣態(tài)制冷劑在板式熱交換器中冷凝，同時(shí)將熱量散至加熱回路。制冷劑回路不同于傳統(tǒng)系統(tǒng)，它有另外的熱泵部件，制冷劑回路的兩個(gè)保養(yǎng)接口(高壓和低壓)分別位于低壓側(cè)空調(diào)壓縮機(jī)上游以及高壓側(cè)閥體下游。新的部件有帶閥門的閥體、用于熱泵運(yùn)行模式的熱交換器、內(nèi)部熱交換器、制冷劑膨脹閥及4個(gè)止回閥。

熱泵的3種運(yùn)行狀態(tài)為加熱運(yùn)行、制冷運(yùn)行和用于空氣除濕的再加熱運(yùn)行模式。

1)加熱運(yùn)行模式：如圖1示，加熱車內(nèi)空間時(shí)，電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)壓縮氣態(tài)制冷劑使其急劇升溫。用于熱泵運(yùn)行的熱交換器是一款緊湊型的板式熱交換器，將高溫氣體的熱量傳遞至車內(nèi)空間的加熱回路，在此過程中氣體冷卻并液化。液態(tài)制冷劑經(jīng)電動(dòng)膨脹閥泄壓，接著在混合動(dòng)力蓄電池?zé)峤粨Q器中蒸發(fā)。同時(shí)混合動(dòng)力蓄電池?zé)峤粨Q器吸收電動(dòng)傳動(dòng)系低溫回路的熱量，后者溫度由此降低約3 ℃～5 ℃。通過這一過程，熱泵可將電動(dòng)動(dòng)力總成的廢熱用于加熱車內(nèi)空間。

圖1 加熱運(yùn)行模式運(yùn)行狀態(tài)

2)制冷運(yùn)行模式：如圖2所示，氣態(tài)制冷劑不像在加熱運(yùn)行模式下一樣在用于熱泵運(yùn)行的熱交換器內(nèi)液化，而是在車輛前端的大冷凝器中液化。它通過熱膨脹閥膨脹、在空調(diào)器的蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)并由此對(duì)車內(nèi)空間進(jìn)行制冷。

圖2 制冷運(yùn)行模式運(yùn)行狀態(tài)

3)再加熱運(yùn)行模式：如圖3所示，在再加熱運(yùn)行模式下，空氣首先冷卻，同時(shí)除濕，接著重新受熱，用于熱泵運(yùn)行的熱交換器將制冷劑冷卻空氣時(shí)吸收的熱量提供給車內(nèi)空間，必要時(shí)系統(tǒng)還可以通過混合動(dòng)力蓄電池?zé)峤粨Q器獲取電動(dòng)傳動(dòng)系的余熱，通過這種運(yùn)行模式避免車窗蒙上水霧。

圖3 再加熱運(yùn)行模式運(yùn)行狀態(tài)

車內(nèi)空間加熱用于向車內(nèi)提供熱量。它是冷卻液回路的組成部分。它與傳統(tǒng)車輛加熱回路的區(qū)別在于額外集成的高電壓加熱裝置(PTC)和用于熱泵運(yùn)行的熱交換器。這些元件讓混合動(dòng)力車輛即使在較低環(huán)境溫度也能夠運(yùn)行，無(wú)任何舒適性影響。電動(dòng)行駛時(shí)，車內(nèi)空間加熱回路通過切換閥門而與內(nèi)燃機(jī)的冷卻回路斷開，這樣可以將通過高電壓加熱裝置(PTC)和用于熱泵運(yùn)行的熱交換器帶來(lái)的能量提供給車內(nèi)空間。

4 結(jié)束語(yǔ)

熱泵可以節(jié)能，有利于能源的綜合利用，環(huán)境的保護(hù)；并且熱泵是冷熱結(jié)合，設(shè)備應(yīng)用率高，節(jié)省初投資，同時(shí)它是電驅(qū)動(dòng)，調(diào)控也比較方便，所以熱泵技術(shù)在電動(dòng)力上的應(yīng)用將成為趨勢(shì)。