热泵空调技术原理及应用

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纯电动汽车在冬季续行里程变短是目前实际应用中的最大问题。尤其是在北方气温低于零度的情况下，续航里程大幅降低，直接影响车辆的使用。蓄电池在低温环境下，充放电能力会严重降低，导致续行里程大幅缩水。若对蓄电池进行加热，使蓄电池维持在最佳工作温度区间，就可以使车辆续航里程得到提升。
影响续行里程变化量最大的因素是行驶车速和环境温度，当车辆行驶时速大于60km后，速度越高耗能越高。当环境温度处于零度以下时，温度越低耗能越高，当气温在－10℃时，车辆续行里程相对于气温22℃时会降低近一半。其中很大一部分原因是在车内加热消耗了较多的电能。现代纯电动汽车的热管理系统非常重要！很多车都十分重视热管理，尤其在冬季，相对于普通的纯电动汽车，优秀的热管理系统的可增加15％～18％的续行里程。

冬季纯电动汽车

PTC加热和热泵加热

纯电动汽车在低温时，驾驶乘座室需空调制热，动力电池也需加温，两者加起来用电量大增，将使续行能力大幅缩减。为纯电动汽车加热有两种方式，一是用PTC热敏元件（图1），通电后吹出热风或加热循环水来加热，但缺点是极度消耗电能，几乎一半的电量都用于制热，使冬季续行里程雪上加霜，快速极度变短。另一种方式是采用了“热泵”技术，虽然热泵本身并不会产生出热量，但可将车外的热量“搬运”到车内来取暖，大大的给动力电池加温，是当前纯电动汽车普遍追求的方式。



图1 PTC加热元件外形图

1. PTC“正温度系数电阻”，是一种以钛酸钡掺合微量稀土元素为原料，烧结而成的加热器件。PTC发热体采用有PTC特性的陶瓷，与金属铝管共同组成，PTC加热元件有换热效率高和省电的优点。与普通的加热器件相比，其突出优点在通电加热到达设定的“居里”点温度后，PTC的电阻会急剧升大，使恒温区的功耗不会再增大，比较节省电能。同时有安全性能好的特点，在通电加热的任何应用情况下，PTC均不会使加热器产生“发红”的现象，不会引起烫伤和发生火灾的安全隐患。
2. PTC耗电会较大的减少续航里程。纯电动汽车PTC元件耗用的电功率，一般可达6kW左右，其中给车内加热吹热风约耗用2-3kw的功率，PTC给循环水加热则需要4-6kw左右。对典型的纯纯电动汽车为例，动力电池带电量为35°，续航里程约为300km，冬天在城市以约30km/h的车速行驶，若PTC加热需消耗大于2kW电功率，续航里程缩减90km，比正常行驶减少30%，这时续航里程只约为210km。传统PTC采取12V低压供电，为提高PTC的发热效率，现代有高电压的PTC元件，如大众GTE高尔夫车型的纯电动汽车，就采取高电压供电使PTC发热（图2）。



图2 使用PTC加热与续航里程的关系

“热泵”技术缓解

冬天续行里程变短问题

泵能将车外低温空气中的热量，“泵”到相对高温的乘座室内，热泵技术是解决纯电动汽车冬季续行里程变短的有效方案。冬季使用热泵空调制热，与使用PTC制热相比，可降低60%的能耗，增加约25％左右的续行里程。比亚迪公司2021年宣布，安装热泵已成纯纯电动汽车的“标配”，在冬季至少可提升10%的续行里程。
1．利用空调的“逆卡诺”循环，可将外界环境空气中的大量热量，搬运“泵”进纯电动汽车内，成为“热泵”。传统空调的制冷原理，是利用制冷剂的物态变化，由气态变液态会散发热量，而由液态变气态则会吸热的原理。压缩机将低温低压气态制冷剂，提升为高温高压的气态制冷剂，经过冷凝器释放热量后变成高压液态制冷剂，再通过膨胀阀又变成低压液态制冷剂，在蒸发器中吸收周围空气中的热量，变成低温低压气态制冷剂回到压缩机中。蒸发器吸热造成的局部空气的低温，通过鼓风机将冷风吹入乘座室内，这就是冷空调的原理。

所谓逆卡诺循环与传统空调的制冷原理相反，则可用于车内的制热。利用一个“四通电磁换向阀”，即可实现制冷循环或制热循环，使车内得到冷气或热气。按基本的分子物理热力学原理，气态分子的能量比液态分子的能量大。空调制冷剂在循环中，利用了高温高压气体在冷凝器里液化成高压液体过程中，会释放出大量热量，这就是热泵放热的原理。冬天利用换向阀可改变空调制冷剂的流向，这时使蒸发器在反向循环中充当冷凝器放热，形成“热源”。此时只消耗小部分电能，就能将外界大量热量，搬运“泵”进纯电动汽车内，成为热泵。如图3所示，利用四管道的电磁换向阀，形成制冷剂顺向循环或逆向循环，从而得到制冷或制热的不同目的。



图3 用电磁换向阀的制冷或制热原理图

2．市场上卖的“空气能热水器”，就是利用蒸发器变成“热泵”来产生热水的。如图4所示，热水器主机中的蒸发器，作为热交换器从环境空气中吸入热量，加热“低沸点”的制冷剂即冷媒，使其由液态转变为气态，即为蒸发过程中吸入环境空气中的热量。



图4 “逆卡诺”循环获得能量大于耗能

制冷剂从压缩机中获得动能，由低温低压气态升为高温高压气态，进入冷凝器的水箱使制冷剂冷凝液化，此过程中将产生的热量释放至水中。制冷剂经过膨胀阀节流降压后，进入室外的热交换器即蒸发器，再进入下一个循环。热量由此不断的进入水箱，将水加热流向外部的热水储罐。热水器的水温一般设定在45～55℃。温度高于55℃会自动停机加热，低于45℃则自动启动加热，使水温保持在55℃左右。
零下几十度的空气，也有热量吗？按照热力学原理，气体分子的能量总是大于液体分子的能量。室外极冷的空气，也是由大量气体分子组成的，就会有动能。将能量搬运进车内，也就是将热能泵进车内，即使零下几十度的空气，还是存有能量的，有能量就可以被“搬进”车内给动力电池加热。当然温度过低时，热泵的效率也会下降。

3．采取“热泵”的制热能效比COP远大于1。“制热能效比COP”是空调将制冷循环所产生的冷量，与制冷所耗电功率之比；或是将制热循环所产生的热量，与制热所耗电的功率之比，称为COP值。PTC属电加热器，电流通过PTC产生热量，1kW电量最多可产生1kw热量，故PTC的制热能效比COP值不超过1。而热泵空调是利用低沸点的制冷剂将环境中的热量带入到车内，车内得到的热量有两项之和，一为消耗的电能，另一为吸收的低位热能，所以热泵的制热能效比，也就是COP值一定大于1。

冷媒在“逆卡诺”循环过程中，消耗的只是驱动压缩机的电机和风机运转的电能，压缩机将低温低压的气态冷媒，提升到高温高压气态，造成制冷剂的循环流动。制冷剂循环流动到蒸发器时，发生物态变化，制冷剂由液态转为气态过程中，吸收外界环境空气中的大量热量。即使环境气温很低到零下温度，从热力学角度来看，只要没有到零下273℃绝对零度，外界空气还总是有能量的。

冷媒在冷凝器中放出的热量，也就是从热泵获取的热量Q获，应该是驱动压缩机耗去的电能Q电，再加上从蒸发器吸入环境空气中的能量Q空。从热泵中获取的热量Q获，可达耗电Q电的五倍。有下列公式：获取能量Q获＝消耗电能Q电＋从环境空气中吸入能量Q空。

4.  “直接式”热泵能提升制热能效，传统热泵技术的不足之处是当环境温度低于－10℃以下，传统热泵的制热效率变低。热泵制热时换热器作为蒸发器，需吸收环境的热量（图5）。当车外温度很低时，或蒸发温度与环境温度接近时，换热器不能有效从外界吸收热量，导致热泵系统效率下降。当车外空气温度低又湿度较大，空气中的水分会在换热器表面结霜，不能从环境中有效地吸入热量，导致热泵系统不能继续制热。传统解决办法是热泵与PTC加热共用，当环境温度过低热泵不能工作时，这时启动PTC作为备用热源，但会大幅影响续行里程。



图5 直接式热泵将热风吹进车内

我国吉利车系生产的“领克”纯电动汽车，推出的热管理系统较先进，采取直接式热泵技术，就是热泵产生的热量，不经过水的中间介质，而是直接将热风吹进车内加热动力电池，制热效果更理想。同时还使用更优质更低温的制冷剂，采取冷媒的直接供热技术，相比普通热泵热效率则提升10%。领克纯电动汽车的热管理系，对比传统PTC模式，或是普通的热泵模式，可在零下30℃的极寒条件下，将动力电池舱的温度提升至15～20℃的正常工作温度，提高动力电池释放电能的能力。

利用纯电动汽车的

“余热”提高热效率

纯电动汽车的大功率驱动电机的功率，高达100kW以上，以及变频器内部的绝缘栅双极型场效应IGBT管，在运行过程中均会产生可观的热量，需要专门的液压系统进行冷却（图6）。



图6 驱动电机的冷却液管道

如能对上述部件产生的“余热”加以利用，做到对热量竭尽所能的“能用则用”，将会使空调冬夭制热的能耗进一步降低！

直接热泵＋余热加热方式效果显著，采取先进的直接式热泵技术，加上余热加热方式（图7），即将驱动电机及变频器冷却液的余热利用，可较大幅度的提升车辆的续行里程。



图7 余热对电池包的加温循环图

与用单一PTC的加热模式车型相比，领克纯电动汽车采取热泵的直接冷媒加热方式，不再经过水的中间介质，冬季能使车辆的续行里程提升约80km，而用于电池热管理的能耗，则减少了50%，冬季“热车”的效率更高。