电动汽车的空调是怎么制热和制冷的

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冬天(尤其是北方)对于电动车用户是个头疼的事,因为冬天电动车(尤其是磷酸铁锂电池)的续航会打折扣,除了电池本身特性以外,使用空调制热(制冷)也是影响电池续航的重要原因之一。
制热
这是因为纯电动汽车制热与传统的燃油车不同,大部分电动车制热是通过电热做到的。而制冷则与燃油车类似,都是通过压缩机来做到的。
燃油车的发动机工作时燃烧温度最高可达到2500℃(汽油的燃烧火焰温度可以高达1200℃,而柴油还要高600℃),即使怠速运转时燃烧温度也在1000℃左右,这个热量必须及时散发掉否则发动机会因为高温而损坏。因此内燃机都带有冷却系统,绝大部分汽车都配备了水冷散热系统,利用换热的方式把内燃机产生的热量散发发到空气中。
而燃油车的制热就是利用了发动机的余热,直接把冷却液中的热量散发到车内就可以了 ,发动机水温上来后几乎不需要消耗任何能源就可以制热、采暖,有了通过防冻冷却液进行的水冷循环系统,冷却液流进缸盖吸收热能,再流动到水箱散热,周而复始以保证机体与溶液恒温;但是防冻冷却液依旧有100℃左右的高温,这种高热溶液显然是可以利用的。
比如将冷却液另开一条管路,并增加一组小水箱,利用高温溶液加热水箱就可以制热,原理很简单。
冬天在车里打开制热的工作步骤:打开风挡并关闭A/C(用不到压缩机),将温度调整至高温标准,冷却系统打开暖风水箱阀并加热水箱,鼓风机将低温空气吹至高温箱体,低温空气吸收水箱热能实现升温。
这样热能就会从高温物体或环境中传导至低温物体,或者理解为低温空气会吸热;所以冷风吸收热能后会升温,送入车内就是暖风了。这一系统属于废热利用,冬季用暖空调不会增加油耗。
而电动汽车没有内燃机的存在,也没有温度足够高的余热可以利用,因此只能通过电力制热。或者间接的电力制热,也有个别厂家另辟蹊径采用柴油暖风机制热的。
电制热有很多方式可以实现,例如以前广泛采用电阻丝制热、但是目前应用最广泛的就是PTC热敏电阻制热,PTC制热已经全面替代了电阻丝制热。
电阻丝制热的原理很浅显易懂,这里就不讲述了。而PTC其实是热敏电阻的一种,一种具备正温度系数的电阻。特点是阻值随着温度增加而增加,阻值增加后功率自然会下降,制热量也会下降。
这样一来就可以实现功率随着环境温度增加而降低,不仅功率可以自动调节,温度也可以自动调整。这个特点就特别适合来做电取暖设备,温度低时功率大温升快,环境温度提高后功率下降,可以保持恒温。因此用PTC原件做取暖设备可以做到无明火、无辐射、抗震能力强、能效高,体积小、寿命长,要比传统的电阻丝制热的取暖好的多。
用在汽车取暖时只需要在风机前方加上PTC加热芯即可:
PTC加热芯工作时产生热量,风机直接把热空气吹出去就是暖风 分配到各个出风口就可以了!
用PTC原件加热冷却液的方式取暖,也可以为电池加温,但是这等于两次加热损耗,车辆不仅要为驾乘人员提供暖风,同时要用加热后的防冻冷却液,为电池组内部的电芯进行温控。
电芯低温的放电容量会加大,充放电效率都会受到影响,自然也就是会影响续航里程;所以必须用电加热模块加热防冻冷却液而进行温控,这种模式的耗电量最起码低于电池受影响后对续航的影响。
还有一部分车型采用了热泵空调来制热,热泵制热其实与家用空调压缩机制热是一个原理,不过考虑到南北冬天户外温差有别,实际效果相对要差很多。
车前蒸发器吸取环境中的热量,低压气体进入压缩机压缩成为高温高压气体,经过四通阀送入车内冷凝器后冷凝释放热量,冷凝器把空气加热经风机送到风道内完成制热。
可以看到热泵制热效率取决于环境温度,如果环境温度过低那么热泵从环境中获取热量也是有限的。因此当环境温度低于零度时热泵制热能力会大大降低,能效比(COP)只能做到1-2之间,与PTC制热原件(能效比1)比起来优势并不大。但是在环境温度达到零上的时候,热能泵的高能效比(2-4)的优势就非常明显了!消耗相同的能量(电量)热泵制热量是PTC原件制热的2-4倍!目前应用热泵制热的车企有荣威、长安、特斯拉、丰田、日产等,旗下部分车型采用了热能泵制热。
制冷
燃油车和电动车空调以及混合动力的制冷基础都是依靠压缩机,压缩机并不是只能依靠内燃机提供动力,比如家用空调不烧油但也能正常运行。
燃油汽车的压缩机不依靠电驱,这是出于成本的考量;因为压缩机功率往往有≥3kw的标准,也就是≤5匹(马力)左右,家用空调会低一些。如果要用电驱动汽车的话,车辆势必要安装大容量的电池组,燃油汽车还要安装大功率的发电机,这会大幅提升制造成本。
所以燃油车选择用内燃式热机(发动机的一种类型)为压缩机提供动力,压缩机的带轮通过皮带与发动机曲轴连接,只要启动发动机就会全时运转;这也是为什么夏天燃油车开制冷要按下「A/C」按键后压缩机才会运行的原因,这一按键控制的是压缩机内部的电磁离合器,点亮后为离合器通电才会与带轮吸附以获得动力。这种结构的优势是制造成本低,缺点是会占用发动机的输出功率(动力),但是性能变差且油耗升高。
新能源汽车则是通过电压缩机提供动力,实际这也算一种类型的电机;电流输入到电机的绕组(电磁线圈)可以形成电磁场,与永磁体的「N·S」磁极互斥,实现驱动转子运转以输出动力。
驱动电机是这种运行原理,燃油汽车的水泵、油泵以及压缩机也得这样获取动力;而且电机的能量转化效率是极高的,相比内燃机的热效率可以高3倍左右。所以利用电压缩机制冷反而会更节能,比如燃油汽车打开空调压缩机后的百公里油耗可能会增长接近1.5升,等量换算为「1L=3kwh」,如果车辆以每小时一百公里的速度行驶,那么功耗就等于一小时耗电4.5度。
压缩机只是空调系统的「动力元」,说白了就是空调的发动机,自身是不具备制冷或制热能力的;制冷要通过压缩管路中的制冷剂,曾经使用的是耳熟能详的氟氯昂,但是因为这种制冷剂如果泄露就会严重破坏臭氧层,而臭氧层是过滤紫外线保护地球的重要物质还,所以氟氯昂就被弃用了。
替代制冷剂是“四氟乙烷(CH2FCF3)”,这种位置不会破坏臭氧;而特点是在零下26.2℃就会沸腾,也就是成为气态,这是制冷的基础。
压缩机会将四氟乙烷推动到冷凝器降温,通过干燥罐达到膨胀阀经过压力调节后,以液态的形态进入温度始终在零度以上的「蒸发器」;由于蒸发器的温度高于四氟乙烷的沸点太多,所以这种制冷剂瞬间就会蒸发,现在就可以开始制冷了。
四氟乙烷蒸发吸收蒸汽的温度,使其降温鼓风机将热空气吹过相对低温蒸发器,低温蒸发器吸收空气中的热能,形成冷风制冷。说白了就是通过两次“吸热”的过程制造冷风,压缩机在过程中扮演的只是发动机的角色,用什么能量驱动这种发动机,对于实际使用冷风都是没有区别的,这就是制冷的原理了。
总结
燃油汽车肯定都不是电空调,轻混汽车也不会使用;部分油电混合汽车会加装电空调,插电混动与纯电动汽车毫无疑问都是电驱压缩机。
至于制暖则是除电动汽车以外都用防冻冷却液,这是完全可以利用的免费的热能。
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