纯电动汽车热管理 - 冬季热泵制热

和燃油车不同，由于没有了来自发动机的热量，纯电动汽车冬季需要额外的加热系统来维持车厢内以及电池的适宜温度。冬季续航衰减问题，是很多人目前阶段不愿选择纯电动车的一个重要原因。最简单的电热元件（PTC heater）虽然便宜可靠（不计热量损失的话，1kW的电能制1kW的热），但造成的冬季纯电动车续航减少可达50%，影响相当之大。有些纯电动车车企选择了为寒冷地区用户提供加装小型燃料燃烧取暖系统的选项，虽然务实，但是违背了纯电动车（作为一个子系统）零排放的一贯口号，说出去着实不好听。相比而言，热泵技术在不增加汽车这个子系统排放的同时，对目前的汽车空调系统做有限的改动，可以提供比电热元件更高效的制热（从空气中吸热），对纯电动汽车来说有巨大的吸引力。已知的采用热泵技术（或可选配）的纯电动汽车有：日产Leaf，宝马i3，奥迪e-tron，大众e-Golf，捷豹I-PACE等，国内有荣威Ei5，荣威MARVEL X，蔚来ES6。其中日产Leaf早在2013年就配备了热泵制热。热泵制热本质上和空调制冷是同样的原理。不同在于空调是通过制冷剂在蒸发器蒸发从室/舱内环境吸热，再把吸走的热量以及压缩机做的功一起通过制冷剂在冷凝器的冷凝向室/舱外环境排出；而热泵则反之，从室/舱外环境吸热，向室/舱内放出吸取的热量以及压缩机做的功。正常情况下，热泵制热量一定大于压缩机用电量，因此比电热元件更节能。由于吸热放热位置的颠倒，在普通汽车空调系统的基础上，热泵的实现需要额外的改动。在家用空调热泵中，通过四通阀可以决定压缩机排气口和进气口是通向室外换热器还是室内换热器，实现循环制冷剂流向的逆转和制冷制热的切换：通过四通阀实现的空调制冷制热切换然而，适用于家用空调的四通阀到了汽车充满振动的环境中，可靠性很难得到保证；膨胀阀通常只能在单一方向使用，而且制冷制热模式需要的膨胀阀开度也会不同；由于制冷剂的逆转制冷制热的切换，换热器的设计也需要进一步优化来达到更高的效率。针对以上问题，日本电装的设计如下：三换热器热泵系统使用多个膨胀阀，旁通阀和三通阀，来取代四通阀和单个膨胀阀。各一个蒸发器一个冷凝器分别用于制冷和制热。这套设计应用在了日产Leaf上面。目前热泵在纯电动车上的应用目前面临的主要待解决问题有：成本。各种额外的控制阀，膨胀阀，管路，换热器显著提高了成本。通过特殊的设计使得不同部件可以整合在一起，或者在制热制冷两种模式可以重复使用，是降低成本的可能方向。蒸发器空气侧结霜和除霜。在环境温度较低的时候，制冷剂和蒸发器表面温度会低于0度，使得空气中的水分在蒸发器空气侧结霜，就像冰箱一样。结霜会堵塞蒸发器，使得空气流量下降换热效率降低，进而降低了热泵运行效率，因此热泵需要时不时进行除霜。如何“安静”地进行除霜而不影响用户舒适度，何时开始除霜，何时终止除霜重新开始热泵制热，都是研究热点。热泵除霜时，有电加热的辅助对用户体验相当有益。低温环境下热泵制热量降低，效率降低，制热需求却随着温差加大上升，导致制热量不足。更需要热量的时候，可能是热泵表现变差的时候，也是个大问题。极端环境下，使用电热元件加热（基本无视环境影响）可能更加合适。系统在制热和制冷模式下的制冷剂最佳充足量有差异，不加处理，热泵或者空调性能会达不到最优。系统切换时的flash fogging。对于两换热器系统，当制冷切换为制热模式时，蒸发器上积累的水会在制热模式时迅速被蒸发，暖湿空气进入舱内接触到温度较低的玻璃时便会冷凝严重影响驾驶员视线。上边介绍的电装设计可以有效避免这个问题。常用制冷剂低温条件下饱和压强过低。会有低于大气压的危险，导致空气进入空调系统；压缩机效率下降。未来可以做工作的方向包括新的系统设计，部件设计，新的制冷剂使用（比如二氧化碳），系统的控制（压缩机转速，膨胀阀，除霜...）等等。热泵和电热元件很可能最后是并存相辅相成的。没有说上述哪个问题是完全无解的，需要的是一个好的方案能够以可以接受的成本达到尽可能高的性能。总结：不觉得让纯电动车强行去适应所有的工况是明智的。为一款面向大众的车在极少遇到的极端情况下的表现去特地增加过多的成本，不如保持设计的经济性，坦诚告知适合使用的区间；或者推出不同的选项，有需要的又有钱的买高配，没有需要的买低配。