編者：進入冬季，北方的電動車主對暖風(fēng)條件下續(xù)航里程劇烈下降抱怨甚多。有沒有解決辦法？我們特地請?zhí)丶s作者羅新雨撰文介紹熱泵技術(shù)在汽車制熱上的應(yīng)用效果，供車企參考。

【第一電動網(wǎng)】（特約作者 羅新雨）冬天到了，對于北半球大多數(shù)國家的用車人來說，上車開暖風(fēng)是個天經(jīng)地義的需求。但對電動車車主來說，他們往往不能那么大方，因為制熱給電動車帶來的續(xù)航里程消耗太大了。那有沒有一種方法從根本上解決這個問題，讓制熱不再那么耗電呢？有！它就是熱泵技術(shù)，一個比汽車整個歷史還要長的古老技術(shù)在電動汽車上煥發(fā)了新的生機。

何為熱泵技術(shù)？

熱泵，顧名思義就是把“熱”從一個地方“泵”到另一個地方的工具。其實它是既可以用在制熱上又可以用在制冷上的，只不過循環(huán)方向一正一反。所以，如果你知道空調(diào)、冰箱是如何制冷的，你就應(yīng)該理解熱泵是如何制熱的。

那我們來具體看看它的基本原理。

Figure 1 熱泵循環(huán)示意圖，來自wikipedia

圖一是一個熱泵循環(huán)示意圖，很自然的，我們能猜到紅色表示熱，藍色表示冷。液體(一般是R134a制冷劑，和車用空調(diào)一樣)隨著箭頭的方向循環(huán)往復(fù)流動。在1的位置液體很熱，逐漸釋放熱量，這個地方叫冷凝器(condenser)，放到車內(nèi)制熱時也就是車內(nèi)的吹風(fēng)口位置。流到2時經(jīng)過了一個膨脹閥(Orifice tube)，或毛細管，甚至一個渦輪機，讓液體的溫度繼續(xù)下降。流至3時經(jīng)過的部件是蒸發(fā)器(evaporator)，液體在冷的環(huán)境中吸熱(“散冷”)，在給車內(nèi)制熱的案例中這個部分是和車外空氣接觸的熱交換器，此處有一定的升溫，最后通過4，壓縮機(compressor)，液體被壓縮后進一步升溫，進入下一循環(huán)的1繼續(xù)散熱。

所以，整個循環(huán)唯一需要人提供的能量輸入就是壓縮機的能量?？紤]到電動車的能源結(jié)構(gòu)，這里采用電力壓縮機而不是皮帶帶動的壓縮機，因為電機不像內(nèi)燃機，沒有怠速運轉(zhuǎn)。而傳遞給車內(nèi)的熱量并不只是來自壓縮機的能量，而是壓縮機的能量和過程3中吸收的外界空氣熱量之和。因此，這個循環(huán)輕而易舉地實現(xiàn)了“一本萬利”，即達到超過100%的制熱效率。

為了更生動地了解該系統(tǒng)在車內(nèi)的安排，我們來看一幅雷諾官方給出的Zoe電動車的熱泵原理圖。

Figure 2雷諾Zoe熱泵原理圖，來自mein-elektroauto.com

由上圖可見，該系統(tǒng)既可以在夏天制冷，又可以在冬天制熱。通過10和11處的電力閥門控制兩個回路之間的切換，因此并不需要增加任何硬件設(shè)備，對已有電動車來說很方便改造升級。

效能系數(shù)

在熱泵領(lǐng)域，人們通常不用“制熱效率(efficiency)”這個概念，而是用COP(Coefficient of performance)，即效能系數(shù)。這里順便提一下一個重要的名詞：卡諾循環(huán)(Carnot Cycle)。1824年，法國物理學(xué)家、工程師尼古拉?卡諾(Nicolas Léonard Sadi Carnot)首次提出了卡諾循環(huán)，用來計算出熱機的理論最大效率。對于一個制熱的熱泵循環(huán)，其理論最大COP的計算公式是：

其中Th和Tc分別為高溫溫度和低溫溫度，單位是熱力學(xué)常用的開爾文(K)而不是我們?nèi)粘Ｓ玫臄z氏度(°C)。據(jù)此，我們可以了解到，對一個固定的Th(車內(nèi)溫度)來說，Tc(車外溫度)越高，COP越高，否則反之。讓我們來算一下，在一個零下5攝氏度的寒冬中，如果我們想要車內(nèi)二十攝氏度，那

而如果車外溫度為零下15度，

當然，上述COP皆為理論值，實際上，真實世界里這個數(shù)字一般接近3 (W. Carnahan, 1975)，但那也比最多才是1的電阻加熱強得多。換句話說，用熱泵系統(tǒng)制熱， 1kW的電力輸入功率能夠帶來3倍于1kW即3kW的制熱功率，而用電阻絲制熱，1kW只會帶來1kW的制熱。這樣“一本萬利”的系統(tǒng)怎么能不省電呢？

根據(jù)為日產(chǎn)聆風(fēng)提供可制熱的熱泵系統(tǒng)的日本電裝公司介紹，其系統(tǒng)可使聆風(fēng)在制熱狀態(tài)下的里程提升20-30% (Denso, 2012)，這是一個相當不錯的結(jié)果。雷諾Zoe上的博世公司的系統(tǒng)也有類似的數(shù)據(jù) (Kane, 2015)。

三菱重工 (TOSHIHISA KONDO, 2011)也專為電動車開發(fā)過一個熱泵系統(tǒng)，他們用該系統(tǒng)分別在0°C、5°C和10°C三個環(huán)境溫度里進行了制熱試驗，車內(nèi)保持25°C，車速40km/h。試驗結(jié)果如下圖。

Figure 3三菱重工的熱泵系統(tǒng)試驗結(jié)果

由圖三看出，隨著車外溫度的升高，熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢越來越明顯，在10°C時降低能耗六成！

當然與此同時，我們也不要忘了電動車，特別是馬力大的電動車自身的電機、電池、電控都是發(fā)熱大戶，一個普通的電動車電池的效率大概在95%、電機的效率大概在90% (H. Helms, 2010)，這樣，如果正常駕駛時輸出功率為50kW的話，那發(fā)熱量就是50x(0.95x0.1+0.05)=7.25kW，這些熱量可以通過一個水冷散熱系統(tǒng)(雪佛蘭沃藍達、Tesla Model S都有)直接送至座艙，這樣加熱問題其實已經(jīng)基本可以解決了。所以，兩個系統(tǒng)如果同時存在，那冬季取暖問題應(yīng)該會迎刃而解。

缺點

回到熱泵系統(tǒng)，難道它就沒有缺點？當然有！首先，之前說到的過冷的車外溫度會讓COP降低很多，所以在高緯度地區(qū)，熱泵系統(tǒng)根本沒法解決制熱問題。其次，熱泵制熱一個很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是“散冷”，而用過冰箱的人都知道，冰箱總會需要“除霜”。只要空氣不是百分之百的干燥，那水蒸氣凝結(jié)在蒸發(fā)器上的現(xiàn)象就會持續(xù)存在而且越來越嚴重，直到被冰完全覆蓋而致使部件被破壞。所以，有效的結(jié)霜控制系統(tǒng)是一個難點。換句話說，在為車內(nèi)制熱的過程中要時不常地啟動“除霜”動作，這個階段中車內(nèi)的制熱必須通過其他方式：或者用動力系統(tǒng)的冷卻循環(huán)，或者用電阻絲制熱(所謂電輔熱)。無論怎樣，都會讓整個系統(tǒng)的制熱效率下降，這是個熱泵系統(tǒng)沒法逃避的天生問題。

總結(jié)

熱泵系統(tǒng)制熱對電動車的節(jié)電功效在車外溫度相對較高時很出色，因此在諸如我國華北至華東地區(qū)等冬季最低氣溫不低于零下10°C的地區(qū)實用性很高。同時，鑒于所有電動車都已配有制冷的空調(diào)系統(tǒng)，因此在不必大幅改造系統(tǒng)的條件下，熱泵系統(tǒng)即可得到廣泛應(yīng)用。不過，在東北地區(qū)等高寒地區(qū)，該系統(tǒng)的制熱效能(COP)較低，且結(jié)霜現(xiàn)象會嚴重影響正常工作，應(yīng)用前景較差。在未來，蒸發(fā)器的改進升級是突破結(jié)霜問題的關(guān)鍵。此外，將熱泵系統(tǒng)和動力總成的散熱系統(tǒng)結(jié)合使用也可做到高效制熱，降低對電池電量消耗的壓力，讓電動車在冬季提高實用性。

參考文獻

Denso. (2012). DENSO’s Heat Pump System Helps EVs Go the Distance. Retrieved from densodynamics: http://www.densodynamics.com/densos-heat-pump-system-helps-evs-go-the-distance/

H. Helms, M. P. (2010). Electric vehicle and plug-in hybrid energy efficiency and life cycle. 18th International Symposium Transport and Air Pollution Session 3: Electro and Hybrid Vehicles, (pp. pp. 113-124).

Kane, M. (2015). Bosch To Present Heat Pump That Could Extend Electric Car Range By 25% In WInter. Retrieved from InsideEV: http://insideevs.com/bosch-present-heat-pump-extend-electric-car-range-25/

TOSHIHISA KONDO, A. K. (2011). Development of Automotive Air-Conditioning Systems. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review Vol. 48 No. 2, pp. 27-32.

W. Carnahan, K. W. (1975). Technical Aspects of the More Efficient Utilization of Energy: Chapter 2-Second law efficiency: The role of the second law of thermodynamics in assessing the efficiency of energy use. American Institute of Physics, Conference Series, Vol. 25, pp. 25-51.

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