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  一文解析纯电动汽车“热泵”技术           ★★★
一文解析纯电动汽车“热泵”技术
作者:佚名 文章来源:本站原创 点击数: 更新时间:2023/6/15 12:06:11

  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。

  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。

  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行里程。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°,续行里程约为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,续行里程将缩减90km,比正常行驶减少30%,这时续行里程只约为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)。

  热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。

  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。

  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。

  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。

  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)。

  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”,将会使空调冬天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。

  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。

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