隨著世界對環保的關注，新能源汽車越來越受到重視。那么，對于新能源汽車而言，汽車空調熱泵系統設計有什么特殊的？需要注意什么？設計重點又是什么？我們一起來看。
任何制冷/熱泵系統在實際應用前都需要進行最佳的充注量試驗。研究表明：
當充注量不足：壓縮機會吸氣過熱度過大，排氣溫度過高；
當充注量過多：會導致排氣壓力過高，過熱度過小的影響。
對于制冷系統而言，其充注量大致由系統內各個管路及零部件內容積確定。而其具體數值則由不同零部件內單相區的平均密度和兩相區的空泡系數有關。張春路對于一個帶氣分的熱泵系統
有研究表明（張春路《一個帶氣分的熱泵系統》）：
在制冷模式下：
超過60%的制冷劑分布在冷凝器中，而蒸發器內的制冷劑由于壓力低，體積孔隙率大，而其包含的制冷劑并不多。此外壓縮機內，也有相對一部分的制冷劑溶于潤滑油中。
制熱模式下：
由于室內換熱器容積較小，其制冷劑含量占比小于制冷模式。并且氣液分離器中制冷劑含量上升明顯如下面兩圖所示。說明在相同的吸排氣管路徑容積運行下，制熱模式充注量不如制冷模式多。但若制熱時的高壓供液管容積若遠大于制冷時或蒸發器內容積遠大于冷凝器時，制熱模式時的制冷劑容量將比制冷模式時需求的更多。
圖 制冷工況下制冷劑在系統內分布
圖 制熱工況下制冷劑在系統中的分布
然而，對于在冷凝器后布置有儲液罐的系統，其中所充注的多余制冷劑將會以液態方式存貯在其內部。并且，隨著充注量的不斷增大，儲液罐中所含制冷劑量將占比也將逐漸增大并與其實際容積有關。由于儲液罐以高壓液態方式存貯，在系統的充注量試驗中將會出現一個明顯的壓力/過冷度平臺。在平臺期間，系統的制冷/制熱量幾乎不變且系統COP最大。
新能源汽車熱泵系統中，制冷模式時的蒸發器和相應吸氣管路和制熱模式時的內部冷凝器管路在相反的模式將會被截止閥截止。因此，在不同模式下所實際需求的制冷劑充注量的差別將增大。
由于儲液罐的儲液特性，其在制冷及制熱模式時的充注量容易出現交叉平臺，如下圖所示。而對于只有氣液分離器的系統，其交叉平臺可能會大大縮短甚至沒有。此時，需額外考慮管路設計并實現不同模式下的制冷劑充注量平臺。
圖 制冷模式下某新能源車充注量
圖 制熱模式下某新能源車充注量
在傳統汽車空調中，系統各零部件只需承擔單一制冷下的功能且各零部件都會參與進循環過程。而在添加熱泵系統的功能后，系統內零部件和管路近似翻倍的增加。不僅大大提升了系統內容積和管路復雜度。在低溫工況下，潤滑油的粘度隨著溫度的降低而增大。故在低溫環境下，潤滑油的粘度過大將造成壓縮機的啟動困難，運動機構缺少潤滑而功耗增大。
此外，現階段的熱泵管路及零部件多受限于各大車企的空間布置。因而，往往會出現不合理的管路走向且缺少類似家用空調中的回油設計。如過小的管徑會引起壓縮機吸氣流阻的迅速增大和排氣壓力的上升，而過大的管徑則會導致制冷劑流速過慢，潤滑油回油不良的問題。在此情況下，壓縮機的回油會進一步困難從而大大降低了熱泵系統的能力及可靠性。另外，氣液分離器通常布置與壓縮機進口管路，其原本用作系統冷啟動時避免制冷劑快速遷移和控制失控時液擊損壞壓縮機。但同時，也不可避免的將會把一部分潤滑油分離其內。因此，氣液分離器自身的回油孔設計也是壓縮機殘油率的影響關鍵因素之一。
當系統運行時，由于在蒸發器內與潤滑油互溶的制冷劑受熱蒸發而與潤滑油發生分離而造成氣液流速的不同而影響回油。特別的當壓縮機轉速越低，系統內質量流量較小時，對壓縮機的回油越不利。
為解決系統壓縮機的回油問題，熱泵系統可考慮額外添加間歇性的回油策略。比如，在長時間低轉速運行后，將壓縮機的轉速提高，從而通過制冷劑的高速流動將潤滑油帶回壓縮機內。同時，在壓縮機的設計上也可設置離心式擋油裝置、內部壓差回油的油路設計或在壓縮機上布置一額外的油分離器。
在熱泵工況下，外部換熱器需運行在蒸發模式。此時表面溫度低于進風露點溫度時，換熱器表面處于濕工況，換熱器表面結露。并且隨著環境溫度的降低，當其表面溫度即低于露點溫度又低于水的三相點溫度時，空氣內的水將會在換熱器表面以固態凝結，發生結霜現象。
目前，普遍認為當環境溫度介于-12.8 ℃和5.8 ℃，且相對濕度大于67%時，容易表面結霜，姜益強繪制了空氣源熱泵的理論結霜區。
當室外換熱器結霜時，會使換熱器自身空氣流動阻力增大，風量減小，換熱器換熱溫差增大，壓縮機吸排氣壓差增大，制冷劑質量流量降低。從而導致壓縮機耗功增大，供熱能力顯著降低。更為嚴重時，將會導致壓縮機吸氣壓力小于環境大氣壓，壓縮機吸入不凝性氣體和發生停機保護。
從換熱器自身的工藝角度應對凝結水和結霜時，一般采用親水涂層和疏水涂層的方式。親水涂層抑霜的機理是由于親水涂料含有強吸水性物質，能夠在結霜初期把凝結在冷表面上的水珠吸附到由涂料制成的親水涂層內部，同時涂層內含有能降低水冰點的物質，使吸附到內部的水珠不發生凍結。此外，與普通鋁箔相比，親水鋁箔表面殘留化霜水的蒸干率明顯快于不同鋁箔，即使出現結霜現象，親水換熱器表面的霜層更容易在除霜過程中被完全除掉，而普通鋁箔表面的殘留水珠容易進入相鄰的結霜循環，從而形式二次結霜。
此外，還應通過抑制結霜和快速化霜的邏輯以解決此問題。當換熱器表面結霜時，理應快速判斷并盡快開始除霜。常規的除霜監控方式有定時除霜控制法，溫度-時間除霜控制法，內，外雙傳感器除霜控制法、溫差-時間除霜控制法、空氣壓差除霜控制法、風機電流和蒸發溫度聯合控制除霜法、模糊智能控制除霜法等。目前，在電動汽車熱泵系統中常用的方法主要結合傳感器的室外雙傳感器除霜控制方法——即檢測室外環境溫度和蒸發溫度的兩者之差作為除霜判斷依據。但這種方式無法考慮濕度的影響。同時，由于車輛行駛工況的復雜，在不同行駛速度下和冷卻風扇功率的下迎面風速也一直變化。此時，需要經過多次的標定作為除霜的判斷依據。
圖 理想的除霜控制過程
而對于除霜工作模式而言，可通過逆循環除霜法，熱氣旁通法，顯熱除霜等實現。逆循環化霜法即系統從原來的熱泵模式切換為制冷模式。從能量分析來看，該化霜方法利用的能源主要來源與乘客艙內。會對乘員艙的溫度造成較大的波動。同時，閥等機構的快速變化也會導致系統壓力發生巨大的波動而產生噪聲。熱氣旁通法，與顯熱除霜法皆是在系統內額外布置旁通管路將一部分制冷劑氣體引入電磁閥或電子膨脹閥前，從而把高壓或節流后的低壓氣體直接引入室外蒸發器內融霜后進入壓縮機再次循環。
武衛東等經電動汽車熱泵的除霜試驗研究得出，與傳統的逆循環相比熱氣旁通除霜法與顯熱除霜法時的高低壓波動小于逆循環除霜。同時，系統融霜階段的壓焓圖如下圖所示，壓縮機排氣壓力最高的為顯熱除霜法，其次為逆循環除霜法，最低的為熱氣旁通除霜法。最后比較得出，高壓除霜耗時最短，最節能。而顯熱除霜下耗時最長，且耗能較多。
圖 3種除霜循環下的系統理論壓焓圖
但也有學者提出，在熱氣旁通的融霜階段，吸氣過熱度一直維持在0℃，導致排氣過熱度不斷降低，融霜后的制冷劑液體進入氣液分離器。因此，這將會危及壓縮機的安全。
制冷系統的節流裝置有毛細管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等。電子膨脹閥相比熱力膨脹閥有著控制偏差小，流量調節范圍更大，允許負荷變化大等優良特性，十分符合空氣源熱泵系統對于全年廣范溫區下的系統控制要求。基于其靈活可調性，電子膨脹閥通過不同的反饋信號可實現制冷循環的過熱度控制，過冷度控制和壓縮機排氣過熱度（或排氣溫度）控制。
對于新能源汽車熱泵系統而言，在不同的設計方案下，系統所需實現的控制方式不同。當系統中只能布置儲液罐時，為了避免壓縮機進口吸入大量制冷劑發生液擊，系統需要控制合適的蒸發側換熱器的過熱度。而當系統中，只能布置氣液分離器且把其作為低壓儲液器時，蒸發器出口過熱度為零。因此，此時的電子膨脹閥不能以蒸發器出口參數進行調節，只能通過系統內冷凝器側的過冷度和排氣溫度來側面控制整個系統的流量。
