空调制热效率不是比电热丝加热高吗。为什么电动车不配冷暖空调,而只配单冷空调,制热靠电热丝?


首先并不是没有,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。一辆车的空间看似狭小,冬季维持车厢和电池适宜温度所需的能耗可不小,是纯电动车普及需要解决的一个大问题。

其次,电动汽车热泵技术目前并不完美,有不少挑战和问题需要解决,这也是为什么目前还有很多纯电动车没有配备热泵而是仅使用电热元件加热的原因。感兴趣可以移到下面看更多细节。

尽管如此,相信以后也会有越来越多的纯电动车配备热泵系统,这是趋势。不过普遍认为还是会有电热元件加热作为辅助。


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,说出去著实不好听。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。

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
  1. 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。
  2. 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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 低温环境下热泵制热量降低,效率降低,制热需求却随著温差加大上升,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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 。。。。

有很多工作可以做,需要做,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)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。

参考资料:

Feng, L. (2015). Experimental study of reversible AC/HP system for electric vehicles.

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首先题主这个问题描述其实并不准确,应该是电动车制热为什么不能用普通汽车空调而普遍使用电加热器。其次许多市场上的主流电动车型,如:大众e-Golf,宝马i3, 日产Leaf,荣威Ei5,荣威Marvel X等都使用特殊汽车空调-热泵空调来主要制热,电加热器作为辅助制热。试验表明,热泵空调的确是解决电动车冬季续航里程的有效方案!冬季使用热泵空调制热与使用PTC制热相比最大可降低60%能耗,最大带来25%左右的冬季续航里程增加!

荣威Ei5上热泵系统与PTC功耗对比

市场上使用热泵空调的主流车型

热泵空调到底是何方神圣有这么大的本事?Cao sir从三个方面为知友扒开热泵空调神秘内衣,不!神秘外衣,深度解读这种对电动车发展具有里程碑意义的热泵空调到底是怎么回事。

  1. 何为热泵空调?热泵空调与传统燃油车空调有什么区别?
  2. 热泵空调比电加热器优势在哪里?
  3. 加热器电动车才有的新鲜玩意么?

一、何为热泵空调?热泵空调与传统燃油车空调有什么区别?

传统燃油车汽车空调的制冷基本原理是利用压缩机将低压气态制冷剂转化成高压气态制冷剂,经过冷凝器释放热量后变成高压液态制冷剂,并通过膨胀阀以后变成低压液态制冷剂,在蒸发器中吸热变成低压气态制冷剂回到压缩机中,而蒸发器吸热造成的局部低温通过鼓风机将冷风吹入乘客舱内。简单总结就是一句话,利用蒸吸热原理造成局部低温区域,吹入乘客舱中。

而制热基本原理则更加简单粗暴,引入发动机冷却液进入空调暖风芯体,再通过鼓风机将热风吹入乘客舱内。所以cao sir在这里告诉大家一个小诀窍,冬季开车,不打开A/C按键也可以吹热风,而且对油耗无影响。

传统汽车空调制热和制冷原理

热泵顾名思义就是把外界的低温热量泵到相对高温的乘客舱里。咦,听起来似乎违反热力学第二定律?其实并没有!在上面空调制冷原理里面,高压气体在冷凝器里液化成高压液体过程中释放出大量热量。如何利用这部分热量?工程师们很聪明地利用换向阀改变制冷剂流向,使得蒸发器在反向循环中充当冷凝器放热,在此过程中,相当于通过消耗小部分电能将外界大量热量泵进乘客舱内,所以称之为热泵。

e-Golf上的热泵空调透视图

其实热泵空调并不是新鲜玩意,其在家居市场有著很成熟的应用,典型代表是热水器中的贵族-空气能热水器,由于用少量的电可以从空气中获得大量热量,所以宣传标语总是醒目写著的「节能环保」四个大字。

空气能热水器原理图

读到这里,爱思考的你肯定会问,室外零下几十度的话也有热量泵进舱内吗?是的,即使是零下几十度的温度下还是存在热量的,有热量就可以被搬运。

二、热泵空调比电加热器优势在哪里?

空调中将制冷(热)循环中产生的制冷(热)量与制冷(热)所耗电功率之比称之为制热能效比(COP)。电加热器(PTC)是一种半导体发热陶瓷,当外界温度降低,PTC的电阻值随之减小,在电压导通下产生电流,电流通过电阻产生热量,因此其COP最大值不超过1,也就是说1KW电量最多可产生1KW热量。根据统计,当冬季行驶打开基于电加热器的空调制热功能时,至少三分之一甚至接近一半的电量都用于制热,因此电动车冬季续航里程大大受到影响。

PTC使用功率越大对续航里程影响也就越大

使用PTC制热的蔚来ES8冬季续航里程很捉急

而热泵空调则利用了蒸发吸热,液化放热的热力学原理,利用低沸点的制冷剂将环境中的热量带入到乘客舱中,乘客舱得到的热量为消耗的电能与吸收的低位热能之和,因此其制热系数COP((吸收的低位热能+消耗电能)/消耗电能)一定大于1。据统计热泵效能系数比PTC加热高出2-3倍,可以有效延长10%以上的续航里程。以最近新浪汽车发起的冬季真实续航大PK比赛为例,挑选市场上比较具有代表性的四款电动车型参加:荣威Ei5、比亚迪秦PRO、北汽EU5、吉利帝豪GSE,它们电池容量十分接近,均在53度电左右,其中前三款车的官方续航里程也几乎完全相同,模拟正常冬季用车环境,最终搭载热泵技术的荣威Ei5以高出对手13%左右续航里程的成绩拿下PK赛冠军。

带热泵空调加持的荣威Ei5毫无悬念地拿到了冠军

既然热泵对电动车续航里程来说优势这么明显,那么问题来了,为啥大多数厂家不用热泵而是使用电加热器呢。成本!成本!成本!重要的事情说三遍。以宝马i3为例,其热泵系统包含了热泵控制器、制冷剂温度感测器和压力-温度感测器、制冷剂截止阀、电控膨胀阀(EXV)、储液干燥器、热泵换热器等组成。整体下来热泵空调要比传统汽车空调增加近1000元左右的成本。在大部分以赚国家补贴为目的的厂家面前有几家车企愿意上这么贵重的玩意呢?

热泵空调零件图示

热泵空调关键零部件

三、电加热器电动车才有的新鲜玩意么?

答案为否,在许多传统燃油豪华车上,早就使用低压PTC(额定工作电压12V)作为车辆冬季刚启动时,发动机水温没上来之前,空调快速制热的电辅助设备。以cao sir最近试驾了2019款奥迪A6L,对其低温启动时空调快速暖风功能印象深刻,真乃北方车主的冬季福音,居家旅行必备之良药!

传统低压PTC与电动车上高压PTC对比

2019款奥迪A6L搭载了快暖空调技术

需要指出的是,由于热泵系统在制热模式时,车外换热器作为蒸发器使用,需要吸收外界环境的热量,当车外温度较低时,或者车外换热器温度与外界环境温度接近时,车外换热器则不能有效地从外界环境吸收热量,导致系统无法继续运行。另外,当车外温度较低时,如果空气中含有较多水分,则空气中的水分会在车外换热器表面结霜,结霜后的车外换热器也不能再从外界环境有效地吸收热量,导致热泵空调无法继续提供制热功能。所以一般热泵系统在-10℃以下便无法正常工作。因此车企们的主流技术方案仍然是热泵与PTC加热共同使用,在环境温度过低热泵无法工作时,启动PTC作为备用热源,但是随著低温热泵技术的不断突破,PTC加热器渐渐地被热泵空调所取代是必然趋势!

如果您觉得cao sir的回答有一点帮助,请不吝给个赞!谢谢~


其实,在北方,冬天热泵也是不靠谱的。不管是车载还是家用。

家用空调是要开电辅热的。

这是空调技术的限制。


你看到的电动车都是比较便宜的,简配产品。

电阻丝制热很简单,在北方地区也能达到效果。缺点就是高电能消耗。

真正中高档电动车,会使用高级热泵制热。比如采用谷轮喷气增焓型的压缩机。而且会引入电池电机的废热作为辅助。这需要预算成本上升,和设计能力支持。

或许,消费者可以用电动车的空调是什么设备的,来判断这种车是不是值得购买。因为电阻丝实在是太费电了,考虑到电池的价格,仅靠电阻丝供热,这种设计是一种巨大的浪费。


是不是,再问为什么,这不是知乎的规矩么?

本位面的地球,第一台热泵取暖的电动车,是1997年的RAV4EV

今年是2019年,那是22年前了……

什么,你问为什么不用?


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