一  熱泵空調(diào)的制冷與采暖

熱泵空調(diào)是一種高效節(jié)能裝置，既可制冷又可制熱，制熱時以逆循環(huán)方式迫使熱量從低溫物體流向高溫物體，它僅消耗少量的逆循環(huán)功，而可以得到較大的供熱量，從而達到節(jié)能的目的。

如圖1所示，熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要包括電動壓縮機、3個換熱器（車外冷凝器、車內(nèi)冷凝器及車內(nèi)蒸發(fā)器）、2個電磁閥（制冷電磁閥及采暖電磁閥）、2個電子膨脹閥（制冷電子膨脹閥及采暖電子膨脹閥）以及制冷劑壓力及溫度傳感器等。

圖1 熱泵空調(diào)制冷原理示意圖

空調(diào)壓縮機通過交流高壓電驅(qū)動，一般為定排量、渦旋式類型，通過電機轉(zhuǎn)速的變化向空調(diào)系統(tǒng)提供所需的制冷劑量；電磁閥為開關(guān)型，通電時工作而接通管路；電子膨脹閥是按照指令使步進電機轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)針閥軸向移動，通過改變閥口的流通面積來調(diào)節(jié)制冷劑的流量，使制冷劑流量與熱負荷相匹配。

1．制冷原理

熱泵空調(diào)制冷時，圖1中制冷電磁閥及制冷電子膨脹閥工作。從壓縮機出來的高溫高壓制冷劑，經(jīng)過制冷電磁閥后進入車外冷凝器，與室外空氣進行熱交換后變?yōu)楦邏褐袦匾簯B(tài)，經(jīng)過制冷電子膨脹閥節(jié)流后進入車內(nèi)蒸發(fā)器，吸收車內(nèi)熱量后液態(tài)制冷劑變?yōu)榈蛪旱蜏貧鈶B(tài)回流至壓縮機，完成制冷循環(huán)。

2．采暖原理

熱泵空調(diào)采暖時，圖2中采暖電子膨脹閥及采暖電磁閥工作。從壓縮機出來的高溫高壓制冷劑進入車內(nèi)冷卻器并放熱，放熱后制冷劑冷卻成高壓中溫的液體，經(jīng)過采暖電子膨脹閥節(jié)流后進入車外冷凝器，吸收車外環(huán)境的熱量后液態(tài)制冷劑變?yōu)榈蛪旱蜏貧鈶B(tài)，再經(jīng)過采暖電磁閥回流至壓縮機，完成采暖循環(huán)。

圖2 熱泵空調(diào)采暖原理示意圖

二 海豚車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

2021年9月，比亞迪電動3.0平臺海洋系列首款車型—海豚車上市，該車首次搭載了熱泵空調(diào)系統(tǒng)，對整車熱管理系統(tǒng)的效能有較大提升。

1．海豚車熱泵空調(diào)系統(tǒng)組成

如圖3所示，海豚車熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由電動空調(diào)壓縮機（最大功率6kW）、電子風扇、電機散熱器、車外冷凝器、車內(nèi)冷凝器與車內(nèi)蒸發(fā)器、動力電池直冷直熱板、氣液分離器、熱管理集成模塊以及板式換熱器（位于熱管理集成模塊下方）等組成，制冷劑為R1 34a（比亞迪部分純電動車型采用R410a）。

圖3 海豚車熱泵空調(diào)系統(tǒng)組成

熱管理集成模塊上集成了6個電磁閥、3個電子膨脹閥（圖4）以及9個制冷劑管接頭（圖5）。

圖4 熱管理集成模塊

圖5 熱管理集成模塊管路連接

2．海豚車熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理

海豚車熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理示意圖，如圖6所示。圖中PT-1、PT-2表示兩個制冷劑壓力及溫度傳感器，P-1，表示制冷劑壓力傳感器，T-1、T-2表示兩個制冷劑溫度傳感器。

圖6 海豚車熱泵空調(diào)原理示意圖

海豚車熱泵空調(diào)系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)電動汽車的高壓PTC加熱器，替換為低壓風加熱PTC加熱器（1kw），用于極低溫環(huán)境溫度下輔助采暖。

海豚車熱泵空調(diào)除了可以實現(xiàn)車內(nèi)制冷、車內(nèi)采暖功能外，還全球首次實現(xiàn)了通過制冷劑對動力電池直接冷卻、直接加熱功能，以及對驅(qū)動電機、電機控制器等電驅(qū)單元熱量利用等五大功能，并實現(xiàn)了整車智能綜合熱管理。搭載熱泵空調(diào)技術(shù)的海豚車冬季續(xù)航能力提升10％以上，車輛覆蓋了－30～40℃寬域溫度范圍，最低每百干米能耗降至10.3kWh。

（1）空調(diào)采暖

當車輛低溫行駛（或停止）時，打開空調(diào)系統(tǒng)采暖，熱泵空調(diào)系統(tǒng)開啟電動壓縮機，采暖電子膨脹閥工作、水源換熱電磁閥及空調(diào)采暖電磁閥均打開，制冷劑通過車內(nèi)冷凝器放熱，通過板式換熱器吸收驅(qū)動電機、電機控制器等電驅(qū)動單元的熱量。極低溫情況下，可以開啟PTC加熱器輔助加熱，提高熱泵空調(diào)的適用溫度范圍。

空調(diào)采暖時，制冷劑的流動路線為：壓縮機→車內(nèi)冷凝器→采暖電子膨脹閥→水源換熱電磁閥→板式換熱器→空調(diào)采暖電磁閥→氣液分離器→壓縮機（圖7）。

圖7 空調(diào)采暖

（2）動力電池加熱

當?shù)蜏丨h(huán)境下充電，為縮短充電時間，或者是車輛低溫行駛時，為改善低溫下整車的動力性，熱泵空調(diào)工作對動力電池直接進行加熱。此時，電池電子膨脹閥開啟工作，電池加熱電磁閥、水源換熱電磁閥和空調(diào)采暖電磁閥均打開，制冷劑通過板式換熱器吸收電驅(qū)動單元余熱，加熱動力電池直冷直熱板。

電池加熱時，制冷劑的流動路線為：壓縮機→電池加熱電磁閥→動力電池直冷直熱板→電池電子膨脹閥→單向閥1→水源換熱電磁閥→板式換熱器→空調(diào)采暖電磁閥→氣液分離器→壓縮機（圖8）。

圖8 動力電池加熱

（3）空調(diào)采暖和動力電池同時加熱

當車輛低溫行駛或低溫充電時，若需要同時給乘員艙采暖和動力電池加熱，熱泵空調(diào)系統(tǒng)開啟電動壓縮機，采暖電子膨脹閥和電池電子膨脹閥同時開啟工作，水源換熱電磁閥、電池加熱電磁閥及空調(diào)采暖電磁閥均打開，吸收電驅(qū)動單元余熱，車內(nèi)冷凝器和動力電池直冷直熱板放熱，若有必要，可以開啟PTC加熱器輔助加熱（制冷劑的流動方向參考圖7、圖8）。

（4）空調(diào)制冷

當車輛高溫行駛（或停止）時，打開空調(diào)系統(tǒng)制冷，熱泵空調(diào)系統(tǒng)開啟電動壓縮機，制冷電子閥膨脹閥工作，空調(diào)制冷電磁閥及空氣換熱電磁閥均打開，制冷劑通過車外冷凝器放熱，車內(nèi) 蒸發(fā)器 吸收車內(nèi)熱量。

空調(diào)制冷時，制冷劑的流動路線為：壓縮機。車內(nèi)冷凝器→空調(diào)制冷電磁閥→空氣換熱電磁閥→單向閥5→制冷電子膨脹閥→車內(nèi) 蒸發(fā)器 →單向閥4→氣液分離器→壓縮機（圖9）。

圖9 空調(diào)制冷

（5）動力電池冷卻

充電特別是大功率充電時，為了防止動力電池溫度過高，熱泵空調(diào)工作，對動力電池直接進行冷卻；車輛行駛時，當動力電池溫度高于設(shè)定值，熱泵空調(diào)也開始工作。此時，電池電子膨脹閥開啟工作，空調(diào)制冷電磁閥、空氣換熱電磁閥和電池冷卻電磁閥均打開。制冷劑通過車外換熱器放熱，通過動力電池直冷直熱板吸熱。

動力電池冷卻時，制冷劑的流動路線為：壓縮機→車內(nèi)冷凝器→空調(diào)制冷電磁閥→空氣換熱電磁閥→單向閥5→單向閥2→電池電子膨脹閥、動力電池直冷直熱板→電池冷卻電磁閥、單向閥3→氣液分離器升壓縮機（圖10）。

圖10 動力電池冷卻

（6）空調(diào)制冷和動力電池同時冷卻

車輛充電或者車輛行駛時，若同時需要車內(nèi)制冷以及動力電池冷卻，熱泵空調(diào)工作，此時電池電子膨脹閥和制冷電子膨脹閥同時開啟工作，空調(diào)制冷電磁閥、空氣換熱電磁閥和電池冷卻電磁閥均打開（制冷劑的流動方向參考圖9、圖10）。