電動汽車空調的結構及製冷、制熱原理。

2020-12-11 騰訊網

冬天(尤其是北方)對於電動車用戶是個頭疼的事,因為冬天電動車(尤其是磷酸鐵鋰電池)的續航會打折扣,除了電池本身特性以外,使用空調製熱(製冷)也是影響電池續航的重要原因之一。

一、電動汽車的製冷

燃油車和電動車空調以及混合動力的製冷基礎都是依靠壓縮機,壓縮機並不是只能依靠內燃機提供動力,比如家用空調不燒油但也能正常運行。

燃油汽車的壓縮機不依靠電驅,這是出於成本的考量;因為壓縮機功率往往有≥3kw的標準,也就是≤5匹(馬力)左右,家用空調會低一些。如果要用電驅動汽車的話,車輛勢必要安裝大容量的電池組,燃油汽車還要安裝大功率的發電機,這會大幅提升製造成本。

所以燃油車選擇用內燃式熱機(發動機的一種類型)為壓縮機提供動力,壓縮機的帶輪通過皮帶與發動機曲軸連接,只要啟動發動機就會全時運轉;這也是為什麼夏天燃油車開製冷要按下「A/C」按鍵後壓縮機才會運行的原因,這一按鍵控制的是壓縮機內部的電磁離合器,點亮後為離合器通電才會與帶輪吸附以獲得動力。這種結構的優勢是製造成本低,缺點是會佔用發動機的輸出功率(動力),但是性能變差且油耗升高。

新能源汽車則是通過電壓縮機提供動力,實際這也算一種類型的電機;電流輸入到電機的繞組(電磁線圈)可以形成電磁場,與永磁體的「N·S」磁極互斥,實現驅動轉子運轉以輸出動力。

驅動電機是這種運行原理,燃油汽車的水泵、油泵以及壓縮機也得這樣獲取動力;而且電機的能量轉化效率是極高的,相比內燃機的熱效率可以高3倍左右。所以利用電壓縮機製冷反而會更節能,比如燃油汽車打開空調壓縮機後的百公裡油耗可能會增長接近1.5升,等量換算為「1L=3kwh」,如果車輛以每小時一百公裡的速度行駛,那麼功耗就等於一小時耗電4.5度。

壓縮機只是空調系統的「動力元」,說白了就是空調的發動機,自身是不具備製冷或制熱能力的;製冷要通過壓縮管路中的製冷劑,曾經使用的是耳熟能詳的氟氯昂,但是因為這種製冷劑如果洩露就會嚴重破壞臭氧層,而臭氧層是過濾紫外線保護地球的重要物質還,所以氟氯昂就被棄用了。

替代製冷劑是「四氟乙烷(CH2FCF3)」,這種位置不會破壞臭氧;而特點是在零下26.2℃就會沸騰,也就是成為氣態,這是製冷的基礎。

壓縮機會將四氟乙烷推動到冷凝器降溫,通過乾燥罐達到膨脹閥經過壓力調節後,以液態的形態進入溫度始終在零度以上的「蒸發器」;由於蒸發器的溫度高於四氟乙烷的沸點太多,所以這種製冷劑瞬間就會蒸發,現在就可以開始製冷了。

四氟乙烷蒸發吸收蒸汽的溫度,使其降溫鼓風機將熱空氣吹過相對低溫蒸發器,低溫蒸發器吸收空氣中的熱能,形成冷風製冷。說白了就是通過兩次「吸熱」的過程製造冷風,壓縮機在過程中扮演的只是發動機的角色,用什麼能量驅動這種發動機,對於實際使用冷風都是沒有區別的,這就是製冷的原理了。

二、電動汽車的制熱

這是因為純電動汽車制熱與傳統的燃油車不同,大部分電動車制熱是通過電熱做到的。而製冷則與燃油車類似,都是通過壓縮機來做到的。

燃油車的發動機工作時燃燒溫度最高可達到2500℃(汽油的燃燒火焰溫度可以高達1200℃,而柴油還要高600℃),即使怠速運轉時燃燒溫度也在1000℃左右,這個熱量必須及時散發掉否則發動機會因為高溫而損壞。因此內燃機都帶有冷卻系統,絕大部分汽車都配備了水冷散熱系統,利用換熱的方式把內燃機產生的熱量散發發到空氣中。

而燃油車的制熱就是利用了發動機的餘熱,直接把冷卻液中的熱量散發到車內就可以了 ,發動機水溫上來後幾乎不需要消耗任何能源就可以制熱、採暖,有了通過防凍冷卻液進行的水冷循環系統,冷卻液流進缸蓋吸收熱能,再流動到水箱散熱,周而復始以保證機體與溶液恆溫;但是防凍冷卻液依舊有100℃左右的高溫,這種高熱溶液顯然是可以利用的。

比如將冷卻液另開一條管路,並增加一組小水箱,利用高溫溶液加熱水箱就可以制熱,原理很簡單。

冬天在車裡打開制熱的工作步驟:打開風擋並關閉A/C(用不到壓縮機),將溫度調整至高溫標準,冷卻系統打開暖風水箱閥並加熱水箱,鼓風機將低溫空氣吹至高溫箱體,低溫空氣吸收水箱熱能實現升溫。

這樣熱能就會從高溫物體或環境中傳導至低溫物體,或者理解為低溫空氣會吸熱;所以冷風吸收熱能後會升溫,送入車內就是暖風了。這一系統屬於廢熱利用,冬季用暖空調不會增加油耗。

而電動汽車沒有內燃機的存在,也沒有溫度足夠高的餘熱可以利用,因此只能通過電力制熱。或者間接的電力制熱,也有個別廠家另闢蹊徑採用柴油暖風機制熱的。

電制熱有很多方式可以實現,例如以前廣泛採用電阻絲製熱、但是目前應用最廣泛的就是PTC熱敏電阻制熱,PTC制熱已經全面替代了電阻絲製熱。

電阻絲製熱的原理很淺顯易懂,這裡就不講述了。而PTC其實是熱敏電阻的一種,一種具備正溫度係數的電阻。特點是阻值隨著溫度增加而增加,阻值增加後功率自然會下降,制熱量也會下降。

這樣一來就可以實現功率隨著環境溫度增加而降低,不僅功率可以自動調節,溫度也可以自動調整。這個特點就特別適合來做電取暖設備,溫度低時功率大溫升快,環境溫度提高後功率下降,可以保持恆溫。因此用PTC原件做取暖設備可以做到無明火、無輻射、抗震能力強、能效高,體積小、壽命長,要比傳統的電阻絲製熱的取暖好的多。

用在汽車取暖時只需要在風機前方加上PTC加熱芯即可:

PTC加熱芯工作時產生熱量,風機直接把熱空氣吹出去就是暖風 分配到各個出風口就可以了!

用PTC原件加熱冷卻液的方式取暖,也可以為電池加溫,但是這等於兩次加熱損耗,車輛不僅要為駕乘人員提供暖風,同時要用加熱後的防凍冷卻液,為電池組內部的電芯進行溫控。

電芯低溫的放電容量會加大,充放電效率都會受到影響,自然也就是會影響續航裡程;所以必須用電加熱模塊加熱防凍冷卻液而進行溫控,這種模式的耗電量最起碼低於電池受影響後對續航的影響。

還有一部分車型採用了熱泵空調來制熱,熱泵制熱其實與家用空調壓縮機制熱是一個原理,不過考慮到南北冬天戶外溫差有別,實際效果相對要差很多。

車前蒸發器吸取環境中的熱量,低壓氣體進入壓縮機壓縮成為高溫高壓氣體,經過四通閥送入車內冷凝器後冷凝釋放熱量,冷凝器把空氣加熱經風機送到風道內完成制熱。

可以看到熱泵制熱效率取決於環境溫度,如果環境溫度過低那麼熱泵從環境中獲取熱量也是有限的。因此當環境溫度低於零度時熱泵制熱能力會大大降低,能效比(COP)只能做到1-2之間,與PTC制熱原件(能效比1)比起來優勢並不大。但是在環境溫度達到零上的時候,熱能泵的高能效比(2-4)的優勢就非常明顯了!消耗相同的能量(電量)熱泵制熱量是PTC原件制熱的2-4倍!目前應用熱泵制熱的車企有榮威、長安、特斯拉、豐田、日產等,旗下部分車型採用了熱能泵制熱。

總結:

燃油汽車肯定都不是電空調,輕混汽車也不會使用;部分油電混合汽車會加裝電空調,插電混動與純電動汽車毫無疑問都是電驅壓縮機。

至於制暖則是除電動汽車以外都用防凍冷卻液,這是完全可以利用的免費的熱能。

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