純電動汽車“熱泵”原理及應(yīng)用

◆文/廣東 汪貴行 汪宇軒

純電動汽車在冬季續(xù)行里程變短是目前實(shí)際應(yīng)用中的最大問題。尤其是在北方氣溫低于零度的情況下，續(xù)航里程大幅降低，直接影響車輛的使用。蓄電池在低溫環(huán)境下，充放電能力會嚴(yán)重降低，導(dǎo)致續(xù)行里程大幅縮水。若對蓄電池進(jìn)行加熱，使蓄電池維持在最佳工作溫度區(qū)間，就可以使車輛續(xù)航里程得到提升。

影響續(xù)行里程變化量最大的因素是行駛車速和環(huán)境溫度，當(dāng)車輛行駛時速大于60km后，速度越高耗能越高。當(dāng)環(huán)境溫度處于零度以下時，溫度越低耗能越高，當(dāng)氣溫在-10℃時，車輛續(xù)行里程相對于氣溫22℃時會降低近一半。其中很大一部分原因是在車內(nèi)加熱消耗了較多的電能?，F(xiàn)代純電動汽車的熱管理系統(tǒng)非常重要！很多車都十分重視熱管理，尤其在冬季，相對于普通的純電動汽車，優(yōu)秀的熱管理系統(tǒng)的可增加15%～18%的續(xù)行里程。

一、冬季純電動汽車PTC加熱和熱泵加熱

純電動汽車在低溫時，駕駛乘座室需空調(diào)制熱，動力電池也需加溫，兩者加起來用電量大增，將使續(xù)行能力大幅縮減。為純電動汽車加熱有兩種方式，一是用PTC熱敏元件(圖1)，通電后吹出熱風(fēng)或加熱循環(huán)水來加熱，但缺點(diǎn)是極度消耗電能，幾乎一半的電量都用于制熱，使冬季續(xù)行里程雪上加霜，快速極度變短。另一種方式是采用了“熱泵”技術(shù)，雖然熱泵本身并不會產(chǎn)生出熱量，但可將車外的熱量“搬運(yùn)”到車內(nèi)來取暖，大大的給動力電池加溫，是當(dāng)前純電動汽車普遍追求的方式。

1.PTC“正溫度系數(shù)電阻”，是一種以鈦酸鋇摻合微量稀土元素為原料，燒結(jié)而成的加熱器件。PTC發(fā)熱體采用有PTC特性的陶瓷，與金屬鋁管共同組成，PTC加熱元件有換熱效率高和省電的優(yōu)點(diǎn)。與普通的加熱器件相比，其突出優(yōu)點(diǎn)在通電加熱到達(dá)設(shè)定的“居里”點(diǎn)溫度后，PTC的電阻會急劇升大，使恒溫區(qū)的功耗不會再增大，比較節(jié)省電能。同時有安全性能好的特點(diǎn)，在通電加熱的任何應(yīng)用情況下，PTC均不會使加熱器產(chǎn)生“發(fā)紅”的現(xiàn)象，不會引起燙傷和發(fā)生火災(zāi)的安全隱患。

2.PTC耗電會較大的減少續(xù)行里程。純電動汽車PTC元件耗用的電功率，一般可達(dá)6kW左右，其中給車內(nèi)加熱吹熱風(fēng)約耗用2~3kW的功率，PTC給循環(huán)水加熱則需要4~6kW左右。對典型的純純電動汽車為例，動力電池帶電量為35°，續(xù)行里程約為300km，冬天在城市以約30km/h的車速行駛，若PTC加熱需消耗大于2kW電功率，續(xù)行里程將縮減90km，比正常行駛減少30%，這時續(xù)行里程只約為210km。傳統(tǒng)PTC采取12V低壓供電，為提高PTC的發(fā)熱效率，現(xiàn)代有高電壓的PTC元件，如大眾GTE高爾夫車型的純電動汽車，就采取高電壓供電使PTC發(fā)熱(圖2)。

二、“熱泵”技術(shù)緩解冬天續(xù)行里程變短問題

熱泵能將車外低溫空氣中的熱量，“泵”到相對高溫的乘座室內(nèi)，熱泵技術(shù)是解決純電動汽車冬季續(xù)行里程變短的有效方案。冬季使用熱泵空調(diào)制熱，與使用PTC制熱相比，可降低60%的能耗，增加約25%左右的續(xù)行里程。比亞迪公司2021年宣布，安裝熱泵已成純純電動汽車的“標(biāo)配”，在冬季至少可提升10%的續(xù)行里程。

1.利用空調(diào)的“逆卡諾”循環(huán)，可將外界環(huán)境空氣中的大量熱量，搬運(yùn)“泵”進(jìn)純電動汽車內(nèi)，成為“熱泵”。傳統(tǒng)空調(diào)的制冷原理，是利用制冷劑的物態(tài)變化，由氣態(tài)變液態(tài)會散發(fā)熱量，而由液態(tài)變氣態(tài)則會吸熱的原理。壓縮機(jī)將低溫低壓氣態(tài)制冷劑，提升為高溫高壓的氣態(tài)制冷劑，經(jīng)過冷凝器釋放熱量后變成高壓液態(tài)制冷劑，再通過膨脹閥又變成低壓液態(tài)制冷劑，在蒸發(fā)器中吸收周圍空氣中的熱量，變成低溫低壓氣態(tài)制冷劑回到壓縮機(jī)中。蒸發(fā)器吸熱造成的局部空氣的低溫，通過鼓風(fēng)機(jī)將冷風(fēng)吹入乘座室內(nèi)，這就是冷空調(diào)的原理。

所謂逆卡諾循環(huán)與傳統(tǒng)空調(diào)的制冷原理相反，則可用于車內(nèi)的制熱。利用一個“四通電磁換向閥”，即可實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)或制熱循環(huán)，使車內(nèi)得到冷氣或熱氣。按基本的分子物理熱力學(xué)原理，氣態(tài)分子的能量比液態(tài)分子的能量大?？照{(diào)制冷劑在循環(huán)中，利用了高溫高壓氣體在冷凝器里液化成高壓液體過程中，會釋放出大量熱量，這就是熱泵放熱的原理。冬天利用換向閥可改變空調(diào)制冷劑的流向，這時使蒸發(fā)器在反向循環(huán)中充當(dāng)冷凝器放熱，形成“熱源”。此時只消耗小部分電能，就能將外界大量熱量，搬運(yùn)“泵”進(jìn)純電動汽車內(nèi)，成為熱泵。如圖3所示，利用四管道的電磁換向閥，形成制冷劑順向循環(huán)或逆向循環(huán)，從而得到制冷或制熱的不同目的。

2.市場上賣的“空氣能熱水器”，就是利用蒸發(fā)器變成“熱泵”來產(chǎn)生熱水的。如圖4所示，熱水器主機(jī)中的蒸發(fā)器，作為熱交換器從環(huán)境空氣中吸入熱量，加熱“低沸點(diǎn)”的制冷劑即冷媒，使其由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，即為蒸發(fā)過程中吸入環(huán)境空氣中的熱量。

制冷劑從壓縮機(jī)中獲得動能，由低溫低壓氣態(tài)升為高溫高壓氣態(tài)，進(jìn)入冷凝器的水箱使制冷劑冷凝液化，此過程中將產(chǎn)生的熱量釋放至水中。制冷劑經(jīng)過膨脹閥節(jié)流降壓后，進(jìn)入室外的熱交換器即蒸發(fā)器，再進(jìn)入下一個循環(huán)。熱量由此不斷的進(jìn)入水箱，將水加熱流向外部的熱水儲罐。熱水器的水溫一般設(shè)定在45～55℃。溫度高于55℃會自動停機(jī)加熱，低于45℃則自動啟動加熱，使水溫保持在55℃左右。

零下幾十度的空氣，也有熱量嗎？按照熱力學(xué)原理，氣體分子的能量總是大于液體分子的能量。室外極冷的空氣，也是由大量氣體分子組成的，就會有動能。將能量搬運(yùn)進(jìn)車內(nèi)，也就是將熱能泵進(jìn)車內(nèi)，即使零下幾十度的空氣，還是存有能量的，有能量就可以被“搬進(jìn)”車內(nèi)給動力電池加熱。當(dāng)然溫度過低時，熱泵的效率也會下降。

3.采取“熱泵”的制熱能效比COP遠(yuǎn)大于1。“制熱能效比COP”是空調(diào)將制冷循環(huán)所產(chǎn)生的冷量，與制冷所耗電功率之比；或是將制熱循環(huán)所產(chǎn)生的熱量，與制熱所耗電的功率之比，稱為COP值。PTC屬電加熱器，電流通過PTC產(chǎn)生熱量，1kW電量最多可產(chǎn)生1kW熱量，故PTC的制熱能效比COP值不超過1。而熱泵空調(diào)是利用低沸點(diǎn)的制冷劑將環(huán)境中的熱量帶入到車內(nèi)，車內(nèi)得到的熱量有兩項(xiàng)之和，一為消耗的電能，另一為吸收的低位熱能，所以熱泵的制熱能效比，也就是COP值一定大于1。

冷媒在“逆卡諾”循環(huán)過程中，消耗的只是驅(qū)動壓縮機(jī)的電機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電能，壓縮機(jī)將低溫低壓的氣態(tài)冷媒，提升到高溫高壓氣態(tài)，造成制冷劑的循環(huán)流動。制冷劑循環(huán)流動到蒸發(fā)器時，發(fā)生物態(tài)變化，制冷劑由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)過程中，吸收外界環(huán)境空氣中的大量熱量。即使環(huán)境氣溫很低到零下溫度，從熱力學(xué)角度來看，只要沒有到零下273℃絕對零度，外界空氣還總是有能量的。

冷媒在冷凝器中放出的熱量，也就是從熱泵獲取的熱量 Q獲，應(yīng)該是驅(qū)動壓縮機(jī)耗去的電能Q電，再加上從蒸發(fā)器吸入環(huán)境空氣中的能量Q空。從熱泵中獲取的熱量Q獲，可達(dá)耗電Q電的五倍。有下列公式：獲取能量Q獲= 消耗電能Q電+從環(huán)境空氣中吸入能量Q空。

4.“直接式”熱泵能提升制熱能效，傳統(tǒng)熱泵技術(shù)的不足之處是當(dāng)環(huán)境溫度低于－10℃以下，傳統(tǒng)熱泵的制熱效率變低。熱泵制熱時換熱器作為蒸發(fā)器，需吸收環(huán)境的熱量(圖5)。當(dāng)車外溫度很低時，或蒸發(fā)溫度與環(huán)境溫度接近時，換熱器不能有效從外界吸收熱量，導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)效率下降。當(dāng)車外空氣溫度低又濕度較大，空氣中的水分會在換熱器表面結(jié)霜，不能從環(huán)境中有效地吸入熱量，導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)不能繼續(xù)制熱。傳統(tǒng)解決辦法是熱泵與PTC加熱共用，當(dāng)環(huán)境溫度過低熱泵不能工作時，這時啟動PTC作為備用熱源，但會大幅影響續(xù)行里程。

我國吉利車系生產(chǎn)的“領(lǐng)克”純電動汽車，推出的熱管理系統(tǒng)較先進(jìn)，采取直接式熱泵技術(shù)，就是熱泵產(chǎn)生的熱量，不經(jīng)過水的中間介質(zhì)，而是直接將熱風(fēng)吹進(jìn)車內(nèi)加熱動力電池，制熱效果更理想。同時還使用更優(yōu)質(zhì)更低溫的制冷劑，采取冷媒的直接供熱技術(shù)，相比普通熱泵熱效率則提升10%。領(lǐng)克純電動汽車的熱管理系，對比傳統(tǒng)PTC模式，或是普通的熱泵模式，可在零下30℃的極寒條件下，將動力電池艙的溫度提升至15~20℃的正常工作溫度，提高動力電池釋放電能的能力。

三、利用純電動汽車的“余熱”提高熱效率

純電動汽車的大功率驅(qū)動電機(jī)的功率，高達(dá)100kW以上，以及變頻器內(nèi)部的絕緣柵雙極型場效應(yīng)IGBT管，在運(yùn)行過程中均會產(chǎn)生可觀的熱量，需要專門的液壓系統(tǒng)進(jìn)行冷卻(圖6)。

如能對上述部件產(chǎn)生的“余熱” 加以利用，做到對熱量竭盡所能的“能用則用”，將會使空調(diào)冬天制熱的能耗進(jìn)一步降低！

直接熱泵+余熱加熱方式效果顯著，采取先進(jìn)的直接式熱泵技術(shù)，加上余熱加熱方式(圖7)，即將驅(qū)動電機(jī)及變頻器冷卻液的余熱利用，可較大幅度的提升車輛的續(xù)行里程。

與用單一PTC的加熱模式車型相比，領(lǐng)克純電動汽車采取熱泵的直接冷媒加熱方式，不再經(jīng)過水的中間介質(zhì)，冬季能使車輛的續(xù)行里程提升約80km，而用于電池?zé)峁芾淼哪芎?，則減少了50%，冬季“熱車”的效率更高。