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纯电动汽车“热泵”原理及应用
来源:汽车维修与保养  作者:佚名  2022-01-22 10:10:45

     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。
 
一、冬季纯电动汽车PTC加热和热泵加热
    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”,是一种以钦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,续行里倒等缩减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)。
二、“热泵”技术缓解冬天续行里程变短问题
    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友,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。

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