1.3 新能源汽车热系统研究进展与发展趋势
1.3.1 新能源汽车热系统研究进展
新能源汽车中，纯电动汽车目前占比最大且其热系统变化大，所以这里仅介绍纯电动汽车热系统的研究进展。根据热系统架构与集成化程度，将电动汽车热系统的发展归纳为单冷加PTC（正温度系数）加热器供暖、常规热泵应用、宽温区热泵及一体化热系统三个阶段[6]。
1.第一阶段：单冷加PTC加热器供暖
在电动汽车产业化起步阶段，基本是以电池、电机等动力系统的替代为核心技术发展起来的，车室空调、车窗防雾除雾、电池/电机/电控温控等辅助系统是在传统燃油汽车热系统基础上逐步改进而来的。纯电动汽车空调与燃油汽车空调都是通过蒸气压缩式制冷循环来实现制冷功能的，两者的不同之处在于，燃油汽车空调压缩机由发动机通过传动带驱动，而纯电动汽车则直接使用电驱动压缩机。燃油汽车冬季直接利用发动机的余热来对乘员舱进行供暖，而纯电动汽车的电池和电机余热无法满足冬季供暖的需求，因此冬季制热是纯电动汽车需要解决的问题。正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）加热器是由PTC陶瓷发热元件与铝管组成的，具有热阻小、换热效率高等优点，并且在燃油汽车车身基础上改动较小，因此早期的电动汽车采用蒸气压缩式制冷加PTC加热器制热来实现车室全年空调（图1-5），例如早期三菱公司的i-MiEV电动汽车便采用上述方式进行车室空调[7]。电动汽车的动力电池充电和正常运行放电时会产生热量，温度升高，需要对电池进行降温。电池冷却的方法主要有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、热管冷却等几种方式[8]，由于空气冷却结构简单、成本低、便于维护，在早期的电动汽车上得到了广泛应用。这一阶段的热系统主要形式是各个独立的子系统分别来满足不同系统和部件的热需求。
图1-5 单冷加PTC加热器供暖的电动汽车热系统
2.第二阶段：常规热泵应用
电动汽车冬季供暖采用PTC加热器制热，从热力学角度来说其COP（性能系数）始终小于1，使得PTC加热器制热耗电量较高，能源利用率低，严重制约了电动汽车的行驶里程。而热泵技术利用蒸气压缩式循环将环境中的低品位热量进行利用，制热时的理论COP大于1，因此使用热泵系统来代替PTC加热器可以增加电动汽车制热工况下的续驶里程[9]。例如，图1-6所示为应用于电动汽车的常规热泵系统示意图，图1-7所示为宝马i3车型采用的热泵系统，此外一汽奔腾与红旗、上汽荣威等也都在部分车型上采用了热泵系统。然而在低温环境下，传统热泵系统制热量衰减严重，无法满足电动汽车低温环境制热需求，需要额外的加热器辅助加热[10]，因此热泵加PTC加热器辅热的制热方式成为电动汽车冬季低温环境下乘员舱制热的主要方式。随着动力电池容量与功率的进一步提升，动力电池运行过程的热负荷也逐渐增大，传统的空气冷却无法满足动力电池的温控需求，因此液冷成为当前电池温控的主要方式。并且，由于人体所需的舒适温度和动力电池正常工作所处的温度相近，因此可以通过热泵系统中并联换热器的方式来分别满足车室空调与动力电池冷却的需求。通过换热器以及二次冷却间接带走动力电池的热量，电动汽车整车热系统集成化程度有所提高。但是这一阶段的热系统只对动力电池冷却与车室空调进行了简单整合，电池、电机余热未得到有效利用。
图1-6 电动汽车常规热泵系统
图1-7 宝马i3电动汽车热泵系统
3.第三阶段：宽温区热泵及一体化热系统
传统热泵空调在低温环境下制热效率低、制热量不足，制约了其在电动汽车上的应用。因此，一系列提升热泵空调低温工况下性能的方法得以开发应用，例如采用中间补气涡旋压缩机的准二级压缩热泵系统[11]。另外，通过合理增加二次换热回路，在对动力电池与电机系统进行冷却的同时，对其余热进行回收利用，以提高电动汽车在低温工况下的制热量；试验结果表明，余热回收式热泵空调与传统热泵空调相比，制热量显著提升[12]。热系统各子系统耦合程度更深的余热回收式热泵以及集成化程度更高的整车热系统在如图1-8所示的特斯拉Model Y、大众ID4.CROZZ等车型上已经得到应用。然而当环境温度更低，余热回收量更少时，仅通过余热回收依然无法满足低温环境下的制热量需求[13]，仍然需要使用PTC加热器来弥补上述情况下制热量的不足[14]。随着电动汽车整车热系统集成程度的逐渐提升，可以通过合理地增大电机发热量的方式来增加余热的回收量[15]，从而提高热泵系统的制热量与COP，避免了PTC加热器的使用，在进一步降低热系统空间占用率的同时满足电动汽车在低温环境下的制热需求。除了电池、电机系统余热回收利用以外，回风利用也是降低低温工况下热系统能耗的方式。笔者研究结果表明[16]，低温环境下，合理的回风利用措施能够在避免车窗起雾、结霜的同时使电动汽车所需制热量下降46%～62%，最大能够降低约40%的制热能耗。日本电装（DENSO）公司也开发了相应的双层回风/新风结构，能够在防起雾的同时降低30%由通风引起的热损失。这一阶段电动汽车热系统在极端条件下的环境适应能力逐渐提升，并朝着集成化、高效化的方向发展。
图1-8 一体化热系统
为进一步提高动力电池高功率情况下的热管理效率，降低热系统复杂程度，将制冷剂直接送入电池组内部进行换热的直冷直热式电池温控方式也是目前的技术方案之一。直冷技术能够提高换热效率与换热量，使电池内部获得更均匀的温度分布，减少二次回路的同时增大系统余热回收量，进而提高电池温控性能。但由于电池与制冷剂直接换热技术需要通过热泵系统运行提高换热量，一方面电池温控受限于热泵空调系统的起停，并对制冷剂环路的性能有一定的影响，另一方面也限制了过渡季节的自然冷源利用，因此该技术仍需开展进一步的研究改进与应用评估。
另外，针对我国双碳目标和《基加利修正案》对氢氟碳化物的管控，汽车热系统的制冷剂替代研究也成为行业研究热点。关于潜在替代制冷剂的研究应用主要集中在R1234yf、CO2、R290三种纯工质及其混合物上，其中R1234yf和CO2热泵系统已经在电动汽车上成功应用，R290作为易燃制冷剂需要解决应用安全问题，其示范应用正在进行中。