編者：進(jìn)入冬季，北方的電動(dòng)車主對(duì)暖風(fēng)條件下續(xù)航里程劇烈下降抱怨甚多。有沒(méi)有解決辦法？我們特地請(qǐng)?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(dòng)網(wǎng)】（特約作者 羅新雨）冬天到了，對(duì)于北半球大多數(shù)國(guó)家的用車人來(lái)說(shuō)，上車開(kāi)暖風(fēng)是個(gè)天經(jīng)地義的需求。但對(duì)電動(dòng)車車主來(lái)說(shuō)，他們往往不能那么大方，因?yàn)橹茻峤o電動(dòng)車帶來(lái)的續(xù)航里程消耗太大了。那有沒(méi)有一種方法從根本上解決這個(gè)問(wèn)題，讓制熱不再那么耗電呢？有！它就是熱泵技術(shù)，一個(gè)比汽車整個(gè)歷史還要長(zhǎng)的古老技術(shù)在電動(dòng)汽車上煥發(fā)了新的生機(jī)。

何為熱泵技術(shù)？

熱泵，顧名思義就是把“熱”從一個(gè)地方“泵”到另一個(gè)地方的工具。其實(shí)它是既可以用在制熱上又可以用在制冷上的，只不過(guò)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(lái)具體看看它的基本原理。

Figure 1 熱泵循環(huán)示意圖，來(lái)自wikipedia

圖一是一個(gè)熱泵循環(huán)示意圖，很自然的，我們能猜到紅色表示熱，藍(lán)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(dòng)。在1的位置液體很熱，逐漸釋放熱量，這個(gè)地方叫冷凝器(condenser)，放到車內(nèi)制熱時(shí)也就是車內(nèi)的吹風(fēng)口位置。流到2時(shí)經(jīng)過(guò)了一個(gè)膨脹閥(Orifice tube)，或毛細(xì)管，甚至一個(gè)渦輪機(jī)，讓液體的溫度繼續(xù)下降。流至3時(shí)經(jīng)過(guò)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(gè)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(guò)4，壓縮機(jī)(compressor)，液體被壓縮后進(jìn)一步升溫，進(jìn)入下一循環(huán)的1繼續(xù)散熱。

所以，整個(gè)循環(huán)唯一需要人提供的能量輸入就是壓縮機(jī)的能量?？紤]到電動(dòng)車的能源結(jié)構(gòu)，這里采用電力壓縮機(jī)而不是皮帶帶動(dòng)的壓縮機(jī)，因?yàn)殡姍C(jī)不像內(nèi)燃機(jī)，沒(méi)有怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。而傳遞給車內(nèi)的熱量并不只是來(lái)自壓縮機(jī)的能量，而是壓縮機(jī)的能量和過(guò)程3中吸收的外界空氣熱量之和。因此，這個(gè)循環(huán)輕而易舉地實(shí)現(xiàn)了“一本萬(wàn)利”，即達(dá)到超過(guò)100%的制熱效率。

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

Figure 2雷諾Zoe熱泵原理圖，來(lái)自mein-elektroauto.com

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

效能系數(shù)

在熱泵領(lǐng)域，人們通常不用“制熱效率(efficiency)”這個(gè)概念，而是用COP(Coefficient of performance)，即效能系數(shù)。這里順便提一下一個(gè)重要的名詞：卡諾循環(huán)(Carnot Cycle)。1824年，法國(guó)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(lái)計(jì)算出熱機(jī)的理論最大效率。對(duì)于一個(gè)制熱的熱泵循環(huán)，其理論最大COP的計(jì)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(kāi)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(duì)一個(gè)固定的Th(車內(nèi)溫度)來(lái)說(shuō)，Tc(車外溫度)越高，COP越高，否則反之。讓我們來(lái)算一下，在一個(gè)零下5攝氏度的寒冬中，如果我們想要車內(nèi)二十?dāng)z氏度，那

而如果車外溫度為零下15度，

當(dāng)然，上述COP皆為理論值，實(shí)際上，真實(shí)世界里這個(gè)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(qiáng)得多。換句話說(shuō)，用熱泵系統(tǒng)制熱， 1kW的電力輸入功率能夠帶來(lái)3倍于1kW即3kW的制熱功率，而用電阻絲制熱，1kW只會(huì)帶來(lái)1kW的制熱。這樣“一本萬(wàn)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(gè)相當(dāng)不錯(cuò)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(dòng)車開(kāi)發(fā)過(guò)一個(gè)熱泵系統(tǒng)，他們用該系統(tǒng)分別在0°C、5°C和10°C三個(gè)環(huán)境溫度里進(jìn)行了制熱試驗(yàn)，車內(nèi)保持25°C，車速40km/h。試驗(yàn)結(jié)果如下圖。

Figure 3三菱重工的熱泵系統(tǒng)試驗(yàn)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(shì)越來(lái)越明顯，在10°C時(shí)降低能耗六成！

當(dāng)然與此同時(shí)，我們也不要忘了電動(dòng)車，特別是馬力大的電動(dòng)車自身的電機(jī)、電池、電控都是發(fā)熱大戶，一個(gè)普通的電動(dòng)車電池的效率大概在95%、電機(jī)的效率大概在90% (H. Helms, 2010)，這樣，如果正常駕駛時(shí)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(guò)一個(gè)水冷散熱系統(tǒng)(雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)、Tesla Model S都有)直接送至座艙，這樣加熱問(wèn)題其實(shí)已經(jīng)基本可以解決了。所以，兩個(gè)系統(tǒng)如果同時(shí)存在，那冬季取暖問(wèn)題應(yīng)該會(huì)迎刃而解。

缺點(diǎn)

回到熱泵系統(tǒng)，難道它就沒(méi)有缺點(diǎn)？當(dāng)然有！首先，之前說(shuō)到的過(guò)冷的車外溫度會(huì)讓COP降低很多，所以在高緯度地區(qū)，熱泵系統(tǒng)根本沒(méi)法解決制熱問(wèn)題。其次，熱泵制熱一個(gè)很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是“散冷”，而用過(guò)冰箱的人都知道，冰箱總會(huì)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(huì)持續(xù)存在而且越來(lái)越嚴(yán)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(gè)難點(diǎn)。換句話說(shuō)，在為車內(nèi)制熱的過(guò)程中要時(shí)不常地啟動(dòng)“除霜”動(dòng)作，這個(gè)階段中車內(nèi)的制熱必須通過(guò)其他方式：或者用動(dòng)力系統(tǒng)的冷卻循環(huán)，或者用電阻絲制熱(所謂電輔熱)。無(wú)論怎樣，都會(huì)讓整個(gè)系統(tǒng)的制熱效率下降，這是個(gè)熱泵系統(tǒng)沒(méi)法逃避的天生問(wèn)題。

總結(jié)

熱泵系統(tǒng)制熱對(duì)電動(dòng)車的節(jié)電功效在車外溫度相對(duì)較高時(shí)很出色，因此在諸如我國(guó)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(shí)用性很高。同時(shí)，鑒于所有電動(dòng)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(guò)，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(huì)嚴(yán)重影響正常工作，應(yīng)用前景較差。在未來(lái)，蒸發(fā)器的改進(jìn)升級(jí)是突破結(jié)霜問(wèn)題的關(guān)鍵。此外，將熱泵系統(tǒng)和動(dòng)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(duì)電池電量消耗的壓力，讓電動(dòng)車在冬季提高實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

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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