一文解析純電動汽車“熱泵”技術

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

影響續行里程變化量最大的因素是行駛車速和環境溫度，當車輛行駛時速大于60km后，速度越高耗能越高。當環境溫度處于零度以下時，溫度越低耗能越高，當氣溫在-10℃時，車輛續行里程相對于氣溫22℃時會降低近一半。其中很大一部分原因是在車內加熱消耗了較多的電能。現代純電動汽車的熱管理系統非常重要！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，優秀的熱管理系統的可增加15%～18%的續行里程。

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

1.PTC“正溫度系數電阻”，是一種以鈦酸鋇摻合微量稀土元素為原料，燒結而成的加熱器件。PTC發熱體采用有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點。與普通的加熱器件相比，其突出優點在通電加熱到達設定的“居里”點溫度后，PTC的電阻會急劇升大，使恒溫區的功耗不會再增大，比較節省電能。同時有安全性能好的特點，在通電加熱的任何應用情況下，PTC均不會使加熱器產生“發紅”的現象，不會引起燙傷和發生火災的安全隱患。

2.PTC耗電會較大的減少續行里程。純電動汽車PTC元件耗用的電功率，一般可達6kW左右，其中給車內加熱吹熱風約耗用2~3kW的功率，PTC給循環水加熱則需要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，續行里程將縮減90km，比正常行駛減少30%，這時續行里程只約為210km。傳統PTC采取12V低壓供電，為提高PTC的發熱效率，現代有高電壓的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發熱(圖2)。

圖2 使用PTC加熱與續行里程關系

二、“熱泵”技術緩解冬天續行里程變短問題 ?

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，熱泵技術是解決純電動汽車冬季續行里程變短的有效方案。冬季使用熱泵空調制熱，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“標配”，在冬季至少可提升10%的續行里程。

1.利用空調的“逆卡諾”循環，可將外界環境空氣中的大量熱量，搬運“泵”進純電動汽車內，成為“熱泵”。傳統空調的制冷原理，是利用制冷劑的物態變化，由氣態變液態會散發熱量，而由液態變氣態則會吸熱的原理。壓縮機將低溫低壓氣態制冷劑，提升為高溫高壓的氣態制冷劑，經過冷凝器釋放熱量后變成高壓液態制冷劑，再通過膨脹閥又變成低壓液態制冷劑，在蒸發器中吸收周圍空氣中的熱量，變成低溫低壓氣態制冷劑回到壓縮機中。蒸發器吸熱造成的局部空氣的低溫，通過鼓風機將冷風吹入乘座室內，這就是冷空調的原理。

所謂逆卡諾循環與傳統空調的制冷原理相反，則可用于車內的制熱。利用一個“四通電磁換向閥”，即可實現制冷循環或制熱循環，使車內得到冷氣或熱氣。按基本的分子物理熱力學原理，氣態分子的能量比液態分子的能量大。空調制冷劑在循環中，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制冷劑的流向，這時使蒸發器在反向循環中充當冷凝器放熱，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“泵”進純電動汽車內，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或逆向循環，從而得到制冷或制熱的不同目的。

圖3 用電磁換向閥的制冷或制熱原理圖

2.市場上賣的“空氣能熱水器”，就是利用蒸發器變成“熱泵”來產生熱水的。如圖4所示，熱水器主機中的蒸發器，作為熱交換器從環境空氣中吸入熱量，加熱“低沸點”的制冷劑即冷媒，使其由液態轉變為氣態，即為蒸發過程中吸入環境空氣中的熱量。

圖4 “逆卡諾”循環獲得能量大于耗能

制冷劑從壓縮機中獲得動能，由低溫低壓氣態升為高溫高壓氣態，進入冷凝器的水箱使制冷劑冷凝液化，此過程中將產生的熱量釋放至水中。制冷劑經過膨脹閥節流降壓后，進入室外的熱交換器即蒸發器，再進入下一個循環。熱量由此不斷的進入水箱，將水加熱流向外部的熱水儲罐。熱水器的水溫一般設定在45～55℃。溫度高于55℃會自動停機加熱，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。將能量搬運進車內，也就是將熱能泵進車內，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”車內給動力電池加熱。當然溫度過低時，熱泵的效率也會下降。

3.采取“熱泵”的制熱能效比COP遠大于1。“制熱能效比COP”是空調將制冷循環所產生的冷量，與制冷所耗電功率之比；或是將制熱循環所產生的熱量，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產生熱量，1kW電量最多可產生1kW熱量，故PTC的制熱能效比COP值不超過1。而熱泵空調是利用低沸點的制冷劑將環境中的熱量帶入到車內，車內得到的熱量有兩項之和，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”循環過程中，消耗的只是驅動壓縮機的電機和風機運轉的電能，壓縮機將低溫低壓的氣態冷媒，提升到高溫高壓氣態，造成制冷劑的循環流動。制冷劑循環流動到蒸發器時，發生物態變化，制冷劑由液態轉為氣態過程中，吸收外界環境空氣中的大量熱量。即使環境氣溫很低到零下溫度，從熱力學角度來看，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，應該是驅動壓縮機耗去的電能Q電，再加上從蒸發器吸入環境空氣中的能量Q空。從熱泵中獲取的熱量Q獲，可達耗電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，傳統熱泵技術的不足之處是當環境溫度低于－10℃以下，傳統熱泵的制熱效率變低。熱泵制熱時換熱器作為蒸發器，需吸收環境的熱量(圖5)。當車外溫度很低時，或蒸發溫度與環境溫度接近時，換熱器不能有效從外界吸收熱量，導致熱泵系統效率下降。當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霜，不能從環境中有效地吸入熱量，導致熱泵系統不能繼續制熱。傳統解決辦法是熱泵與PTC加熱共用，當環境溫度過低熱泵不能工作時，這時啟動PTC作為備用熱源，但會大幅影響續行里程。

圖5 直接式熱泵將熱風吹進車內

我國吉利車系生產的“領克”純電動汽車，推出的熱管理系統較先進，采取直接式熱泵技術，就是熱泵產生的熱量，不經過水的中間介質，而是直接將熱風吹進車內加熱動力電池，制熱效果更理想。同時還使用更優質更低溫的制冷劑，采取冷媒的直接供熱技術，相比普通熱泵熱效率則提升10%。領克純電動汽車的熱管理系，對比傳統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動電機的功率，高達100kW以上，以及變頻器內部的絕緣柵雙極型場效應IGBT管，在運行過程中均會產生可觀的熱量，需要專門的液壓系統進行冷卻(圖6)。

如能對上述部件產生的“余熱” 加以利用，做到對熱量竭盡所能的“能用則用”，將會使空調冬天制熱的能耗進一步降低！

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