摘要:由于深度混合动力汽车的发动机运行比例低于60%，使汽车无法通过发动机获得足够的余热用于采暖，不能沿用传统燃油汽车的空调系统来制冷制热。大部分深度混合动力汽车通过加装PTC热敏电队来协调解决这个问题。本文则设计一套热泵空调系统，并改装到装有PTC热敏电阻空调的深度混合动力汽车普锐斯上。然通过实车测试获取深度混合动力汽车运行能耗、采暖系统能耗、电动机发热情况和电池发热情况；在不同外界环境温下的采暖能耗，与原车的PTC采暖能耗进行经济性对比，由此来评浏深度混合动力汽车应用热泵采暖空调后对汽车的经济的影响。
关键词 深度混合动力汽车 空调系统优化 热泵空调 采暖 经济性
    虽然纯电动车被视为汽车节能环保领域里最佳的选择，但是纯电动车的应用受电池技术的制约，无论是在续航里程上，或者是能量充注速度上，远远无法满足人们的需求。我国城市内和公路上严重缺乏充电桩等相应配套措施，要满足电动汽车需要的配套设备最少需要十年时间，这使得电动汽车无法在我国短时间内得到普及。作为兼顾纯电动汽车和燃料汽车两者优点的混合动力汽车，不但实现以电能为驱动源的环保特性，降低了汽车尾气污染物的排放，也满足在无法充电地区可以用燃油作为驱动源的目的，成为了我国现阶段节能环保汽车的最佳选择。
    随着人们对汽车的舒适性要求日益提高，汽车空调系统成为了汽车里必不可少的设备。汽车空调起到了对汽车车厢内空气进行制冷、加热、换气和空气净化等用途，同时汽车空调能耗也占汽车电器设备能耗的最大部分。由于深度混合动力汽车的发动机运行时间占汽车总行驶时间的比例低于60%，不像传统燃油汽车可以持续利用发动机的余热对车厢内进行采暖。为了满足深度混合动力汽车制冷、采暖和除霜的要求，研究和开发具备制冷和采暖双向运行工况的高效混合动力汽车空调势在必行。
    市面上的混合动力汽车根据其混合程度的不同可以分为轻度混合动力汽车（混合度低于20%）、中度混合动力汽车（混合度接近30%）以及深度混合动力汽车（混合度超过40%）。深度混合动力汽车具备燃料汽车和电动汽车两者特性，由于其驱动方式和动力源与传统汽车有较大的差异，致使混合动力汽车空调采暖制冷系统的设置区别于传统汽车空调。
    传统汽车一般使用的空调系统仅仅满足夏季工况的制冷需求，而冬季工况的采暖则是利用发动机余热来加热车厢内空气来满足汽车室内舒适性的要求。但混合动力汽车的诞生，使得驱动电机逐步取代发动机成为汽车的主要动力源。而电动机由于其工作效率远远高于传统发动机，其产生的余热也远远低于传统发动机，因此不能单纯通过电动机的余热回收来为车内采暖。而随着混合动力汽车的混合程度逐步加深，电动机的运行时间大大超过发动机，发动机运行时间占整体工作时间也越来越少，因此其汽车空调系统不能沿用传统汽车空调。
    本文测试对象普锐斯为深度混合动力汽车，其混合动力超过45%，该款深度混合动力汽车的结构为混联式结构，即串联式与并联式的综合组成。它的发动机发出的功率一部分通过动力分配装置输送给驱动桥，驱动车辆行驶。另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能由控制器控制，输送给电机或蓄电池；电机产生的驱动力矩通过动力分配装置传送给驱动桥。一方面使发动机不受汽车行驶工况影响，始终在其最佳工作区稳定运行，并可选用功率较小的发动机。另一方面发动机在辅助汽车动力的同时，把多余的动力转换成电力存储起来，其机械效率损耗相对较低，所以深度混合动力汽车大部分时间都在纯电动驱动模式下运行，在电力不足或需要辅助动力时才会处于混合驱动模式。
    本次测试把原有空调系统改装成R134a热泵空调系统，该款热泵空调系统是把空气作为热源，在车厢内安装有蒸发器和冷凝器，通过电子控制方式控制四通阀等关键部件来实现制冷剂在车厢内外双向流动，实现了制冷、取暖、除湿、除霜的功效。
    由于本次研究目的是比对采用加装PTC采暖的空调系统与根据该系统进行改装成热泵空调系统后的采暖经济性。由于是在原有空调基础上进行采暖部分改装，因此整个空调系统的制冷部分与原制冷部分无太大差异，因此在对比经济性上不考虑制冷经济性对比。
    本次试验车辆在测功平台上以定速每小时40 km行驶，在行驶过程中平均每5 min进行一次制动模拟深度混合动力汽车实际路面运行情况，测试该车载不同模式下无空调的运行能耗，以及该车辆PTC采暖能耗。再根据车辆的冷热负荷把原有空调系统改装为热泵系统进行测试，最后对比加装PTC采暖车辆和热泵空调系统在不同环境温度、不同行驶公里和不同电池蓄电量下的采暖经济性。
    在本次测试过程中首先对电池、电动机和控制器进行发热量测试，测出车辆在室外温度为12℃，车厢温度为27℃的情况下数据，如表1所示：

    考虑到纯电动模式下电池、电动机和控制器的发热量达到车内采暖负荷的48%，因此在其原有的结构基础上进行改良，通过在电池和电动机上加装热回收装置来回收两者产生的热量并起到冷却作用。同时在发动机上加装余热回收装置，该装置与热泵系统相连，确保发动机余热能让热泵空调系统高效回收，其最后设计结果如图1所示：

   

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