电动汽车开暖风耗电大?试试制热神器热泵吧

volkswind

编者:进入冬季,北方的电动车主对暖风条件下续航里程剧烈下降抱怨甚多。有没有解决办法?我们特地请特约作者罗新雨撰文介绍热泵技术在汽车制热上的应用效果,供车企参考。

【第一电动网】(特约作者 罗新雨)冬天到了,对于北半球大多数国家的用车人来说,上车开暖风是个天经地义的需求。但对电动车车主来说,他们往往不能那么大方,因为制热给电动车带来的续航里程消耗太大了。那有没有一种方法从根本上解决这个问题,让制热不再那么耗电呢?有!它就是热泵技术,一个比汽车整个历史还要长的古老技术在电动汽车上焕发了新的生机。

何为热泵技术?

热泵,顾名思义就是把“热”从一个地方“泵”到另一个地方的工具。其实它是既可以用在制热上又可以用在制冷上的,只不过循环方向一正一反。所以,如果你知道空调、冰箱是如何制冷的,你就应该理解热泵是如何制热的。

那我们来具体看看它的基本原理。

电动汽车开暖风耗电大?试试制热神器热泵吧

Figure 1 热泵循环示意图,来自wikipedia

图一是一个热泵循环示意图,很自然的,我们能猜到红色表示热,蓝色表示冷。液体(一般是R134a制冷剂,和车用空调一样)随着箭头的方向循环往复流动。在1的位置液体很热,逐渐释放热量,这个地方叫冷凝器(condenser),放到车内制热时也就是车内的吹风口位置。流到2时经过了一个膨胀阀(Orifice tube),或毛细管,甚至一个涡轮机,让液体的温度继续下降。流至3时经过的部件是蒸发器(evaporator),液体在冷的环境中吸热(“散冷”),在给车内制热的案例中这个部分是和车外空气接触的热交换器,此处有一定的升温,最后通过4,压缩机(compressor),液体被压缩后进一步升温,进入下一循环的1继续散热。

所以,整个循环唯一需要人提供的能量输入就是压缩机的能量。考虑到电动车的能源结构,这里采用电力压缩机而不是皮带带动的压缩机,因为电机不像内燃机,没有怠速运转。而传递给车内的热量并不只是来自压缩机的能量,而是压缩机的能量和过程3中吸收的外界空气热量之和。因此,这个循环轻而易举地实现了“一本万利”,即达到超过100%的制热效率。

为了更生动地了解该系统在车内的安排,我们来看一幅雷诺官方给出的Zoe电动车的热泵原理图。

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Figure 2雷诺Zoe热泵原理图,来自mein-elektroauto.com

由上图可见,该系统既可以在夏天制冷,又可以在冬天制热。通过10和11处的电力阀门控制两个回路之间的切换,因此并不需要增加任何硬件设备,对已有电动车来说很方便改造升级。

效能系数

在热泵领域,人们通常不用“制热效率(efficiency)”这个概念,而是用COP(Coefficient of performance),即效能系数。这里顺便提一下一个重要的名词:卡诺循环(Carnot Cycle)。1824年,法国物理学家、工程师尼古拉•卡诺(Nicolas Léonard Sadi Carnot)首次提出了卡诺循环,用来计算出热机的理论最大效率。对于一个制热的热泵循环,其理论最大COP的计算公式是:

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其中Th和Tc分别为高温温度和低温温度,单位是热力学常用的开尔文(K)而不是我们日常用的摄氏度(°C)。据此,我们可以了解到,对一个固定的Th(车内温度)来说,Tc(车外温度)越高,COP越高,否则反之。让我们来算一下,在一个零下5摄氏度的寒冬中,如果我们想要车内二十摄氏度,那

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而如果车外温度为零下15度,

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当然,上述COP皆为理论值,实际上,真实世界里这个数字一般接近3 (W. Carnahan, 1975),但那也比最多才是1的电阻加热强得多。换句话说,用热泵系统制热, 1kW的电力输入功率能够带来3倍于1kW即3kW的制热功率,而用电阻丝制热,1kW只会带来1kW的制热。这样“一本万利”的系统怎么能不省电呢?

根据为日产聆风提供可制热的热泵系统的日本电装公司介绍,其系统可使聆风在制热状态下的里程提升20-30% (Denso, 2012),这是一个相当不错的结果。雷诺Zoe上的博世公司的系统也有类似的数据 (Kane, 2015)。

三菱重工 (TOSHIHISA KONDO, 2011)也专为电动车开发过一个热泵系统,他们用该系统分别在0°C、5°C和10°C三个环境温度里进行了制热试验,车内保持25°C,车速40km/h。试验结果如下图。

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Figure 3三菱重工的热泵系统试验结果

由图三看出,随着车外温度的升高,热泵系统的优势越来越明显,在10°C时降低能耗六成!

当然与此同时,我们也不要忘了电动车,特别是马力大的电动车自身的电机、电池、电控都是发热大户,一个普通的电动车电池的效率大概在95%、电机的效率大概在90% (H. Helms, 2010),这样,如果正常驾驶时输出功率为50kW的话,那发热量就是50x(0.95x0.1+0.05)=7.25kW,这些热量可以通过一个水冷散热系统(雪佛兰沃蓝达、Tesla Model S都有)直接送至座舱,这样加热问题其实已经基本可以解决了。所以,两个系统如果同时存在,那冬季取暖问题应该会迎刃而解。

缺点

回到热泵系统,难道它就没有缺点?当然有!首先,之前说到的过冷的车外温度会让COP降低很多,所以在高纬度地区,热泵系统根本没法解决制热问题。其次,热泵制热一个很关键的环节是“散冷”,而用过冰箱的人都知道,冰箱总会需要“除霜”。只要空气不是百分之百的干燥,那水蒸气凝结在蒸发器上的现象就会持续存在而且越来越严重,直到被冰完全覆盖而致使部件被破坏。所以,有效的结霜控制系统是一个难点。换句话说,在为车内制热的过程中要时不常地启动“除霜”动作,这个阶段中车内的制热必须通过其他方式:或者用动力系统的冷却循环,或者用电阻丝制热(所谓电辅热)。无论怎样,都会让整个系统的制热效率下降,这是个热泵系统没法逃避的天生问题。

总结

热泵系统制热对电动车的节电功效在车外温度相对较高时很出色,因此在诸如我国华北至华东地区等冬季最低气温不低于零下10°C的地区实用性很高。同时,鉴于所有电动车都已配有制冷的空调系统,因此在不必大幅改造系统的条件下,热泵系统即可得到广泛应用。不过,在东北地区等高寒地区,该系统的制热效能(COP)较低,且结霜现象会严重影响正常工作,应用前景较差。在未来,蒸发器的改进升级是突破结霜问题的关键。此外,将热泵系统和动力总成的散热系统结合使用也可做到高效制热,降低对电池电量消耗的压力,让电动车在冬季提高实用性。

参考文献

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.

作者:volkswind

来源:第一电动网

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