环球电气之家-午夜精彩视频-中国专业电气电子产品行业服务网站！

本文介紹燃油加熱、 電加熱、 熱泵加熱幾種針對純電動汽車的加熱方案， 并對幾種方案進(jìn)行對比分析。

節(jié)能環(huán)保是當(dāng)今世界共同倡導(dǎo)的主題， 純電動汽車將成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。 汽車作為一種便捷的代步工具， 其乘坐舒適性也是關(guān)鍵因素。 純電動汽車取消了發(fā)動機(jī)， 沒有發(fā)動機(jī)冷卻液的余熱作為熱源， 這對純電動汽車駕駛室采暖來說是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn)， 同時也為其他加熱方式帶來了發(fā)展機(jī)遇。 目前， 可以考慮燃油加熱方式、 電加熱方式和熱泵加熱方式來解決純電動汽車駕駛室采暖的問題。

1 燃油加熱方式

1.1 燃油加熱器工作原理

啟動燃油加熱器后， 油泵開始從燃油箱取油，并將燃油輸送到加熱器中， 燃油通過霧化裝置被霧化成可燃的油氣混合體由火花塞點(diǎn)燃。 水循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻液在流經(jīng)加熱器時被加熱， 然后流入暖風(fēng)芯體， 從而為駕駛室提供充足的熱源， 為乘員提供舒適的環(huán)境， 滿足除霜除霧法規(guī)的要求。

1.2 實(shí)施方案

增加燃油加熱器、 燃油箱、 油泵、 油管、 進(jìn)氣消聲器、 進(jìn)氣管、 排氣消聲器、 排氣管、 水泵、 水管，使燃油加熱器、 水泵、 水管與原車暖風(fēng)芯體形成封閉的水循環(huán)系統(tǒng)。 燃油加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。



1.3 優(yōu)點(diǎn)

1） 顯著提高純電動汽車?yán)m(xù)駛里程。 在環(huán)境溫度-10℃， 城市路況下行駛1h， 使用燃油加熱比使用電加熱大大提高了純電動汽車的續(xù)駛里程， 對比結(jié)果見圖2。



2） 可延長電池的使用壽命。 采用燃油加熱方式對駕駛室加熱不消耗電池的電能， 因此在相同的行駛里程下， 使用燃油加熱方式比使用電加熱方式電池的放電深度低。 根據(jù)鋰電池的特性， 電池壽命取決于放電深度， 放電深度越低， 可使電池的充放電次數(shù)增加， 從而延長電池的使用壽命。 圖3為電池使用壽命與放電深度之間的關(guān)系。



1.4 缺點(diǎn)

1） 燃油加熱系統(tǒng)消耗燃油 ， 產(chǎn)生尾氣排放 ，與純電動汽車零排放的理念相違背。

2） 燃油加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 零部件數(shù)量較多，增加成本較高， 降低了電動汽車的實(shí)用性。

3） 為了滿足純電動汽車碰撞法規(guī)的要求 ， 燃油加熱系統(tǒng)需要突破以下課題： ①燃油箱的布置位置和防護(hù)措施 （制定純電動汽車整車布置方案時，會優(yōu)先考慮電池包的布置， 這對燃油箱的布置帶來了更大的挑戰(zhàn)。 燃油箱布置在前機(jī)艙不滿足前碰法規(guī)要求， 且燃油加注不方便； 燃油箱布置在行李艙下方， 很難滿足后碰法規(guī)的要求）； ②燃油管路走向， 應(yīng)確保燃油管路遠(yuǎn)離高壓線束； ③做好燃油管路的防護(hù)及碰撞斷油措施， 防止因碰撞引起燃油泄漏。

2 電加熱方式

2.1 PTC的概念及功能原理

電加熱方式多為使用PTC加熱。 PTC是PositiveTemperature Coefficient的縮寫， 意思是正的溫度系數(shù)， 泛指正溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件。通常我們提到的PTC是指正溫度系數(shù)熱敏電阻， 簡稱PTC熱敏電阻。 PTC熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻， 超過一定的溫度 （居里溫度） 時， 它的電阻值隨著溫度的升高而陡增。 也就是PTC加熱器的功率將突然降低到最小值， 使溫度回到其居里溫度以下。 就因?yàn)檫@個特性， PTC加熱器具有恒溫發(fā)熱、 無明火、 使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 低電壓風(fēng)暖加熱

2.2.1 實(shí)施方案



圖4為低電壓風(fēng)暖加熱方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 機(jī)艙增加水泵、 水管、 三通閥與暖風(fēng)芯體、 電機(jī)、 散熱器水箱形成封閉的水循環(huán)系統(tǒng)， HVAC結(jié)構(gòu)中增加低電壓風(fēng)暖加熱器。 低電壓風(fēng)暖加熱器在空調(diào)HVAC中的布置示意圖見圖5， 安裝位置實(shí)物圖見圖6。



當(dāng)開啟空調(diào)控制器采暖開關(guān)時， 三通閥B改變冷卻液走向， 使冷卻液通過暖風(fēng)芯體， 根據(jù)車內(nèi)溫度傳感器的控制溫度、 車內(nèi)溫度、 水泵開啟溫度、三通閥A的控制溫度、 冷卻液溫度來控制PTC與暖風(fēng)芯體的工作狀態(tài)。 當(dāng)斷開空調(diào)控制器采暖開關(guān)時， 三通閥B再次改變冷卻液走向， 使冷卻液不通過暖風(fēng)芯體。

2.2.2 優(yōu)點(diǎn)

由于暖風(fēng)芯體用的是冷卻液余熱， 可以節(jié)省低電壓風(fēng)暖加熱器的功率輸出， 還分擔(dān)了一部分電機(jī)冷卻功能， 降低了散熱器水箱的功率輸出。

2.2.3 缺點(diǎn)

1） 對沿用件的改動量比較大， 改動成本較高。

2） 使用低電壓風(fēng)暖加熱器 ， 要求沿用原車空調(diào)暖風(fēng)機(jī)的下部有一定的整改空間， 但是增加PTC輔助加熱裝置會使得暖風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī)總成的殼體有所變動。 若要在加熱暖風(fēng)芯體下面增加PTC輔助裝置，那么殼體下部的風(fēng)道和吹腳風(fēng)道都應(yīng)該下移。

3） 需重新更改控制電路 ， 增加控制元器件及部分管路， 使控制器能夠?qū)λ眉叭ㄩy進(jìn)行控制， 控制復(fù)雜， 成本增加很多。

4） PTC布置在駕駛艙， 存在一定的安全隱患。

2.3 高電壓風(fēng)暖加熱

2.3.1 實(shí)施方案

圖7為高電壓風(fēng)暖加熱方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 去掉原車進(jìn)出水管與暖風(fēng)芯體， 用與原車暖風(fēng)芯體等大小、 等安裝方式的風(fēng)暖PTC替代暖風(fēng)芯體， 然后改變相關(guān)的控制電路， 對PTC芯體應(yīng)做隔熱措施。



2.3.2 優(yōu)點(diǎn)

1） 不需要改動HVAC結(jié)構(gòu)。

2） 高電壓風(fēng)暖加熱器不像低電壓風(fēng)暖加熱器會受到功率輸出能力等諸多因素的限制， 可以提供非常強(qiáng)勁的功率輸出及高效率的加熱。

3） 直接對空氣加熱， 駕駛室溫升速度快。

2.3.3 缺點(diǎn)

1） 要使空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)滿足除霜除霧的法規(guī)及采暖要求， PTC的加熱電功率至少需要3000 W或者更大。 這個功率相對于總的電池容量來說是非常巨大的消耗體， 嚴(yán)重影響了純電動車的續(xù)駛里程。

2） 3 000 W以上加熱功率的PTC布置在HVAC內(nèi)存在安全隱患。 高電壓風(fēng)暖PTC工作電壓范圍一般在250~450 V （DC）， 需要做好高電壓絕緣措施，EN60335要求高電壓產(chǎn)品的絕緣等級要做到大于等于2 000 V。 在產(chǎn)品設(shè)計時， 需要考慮多層絕緣的安全措施 （圖8）， 這就使產(chǎn)品本身的成本大大提高，給產(chǎn)品應(yīng)用帶來了困難。



3） 高電壓風(fēng)暖加熱器布置在HVAC內(nèi)， 需要對高電壓風(fēng)暖加熱器做隔熱措施， 否則高電壓風(fēng)暖加熱器溫度高時， HVAC殼體會產(chǎn)生異味， 影響駕駛室空氣品質(zhì)。

2.4 高電壓水暖加熱

2.4.1 實(shí)施方案

圖9為高電壓水暖加熱方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 在機(jī)艙增加高電壓水暖加熱器、 水箱、 水泵、 水管， 與原車暖風(fēng)芯體形成封閉水循環(huán)系統(tǒng)。



2.4.2 優(yōu)點(diǎn)

1） 高電壓器件布置在機(jī)艙， 使得高電壓安全性得以保證， 在保證其效能情況下提供一個最高安全度的優(yōu)化解決方案。

2） 水暖加熱， 工作時無異味。

3） 不需要改變HVAC結(jié)構(gòu)。

4） 由于制動能量回收或者其他因素導(dǎo)致電池電量過多時， 高電壓水暖加熱器可將多余的電能轉(zhuǎn)化為熱能， 儲存在水循環(huán)系統(tǒng)中， 防止由于電池過充電帶來的危險。

5） 高電壓系統(tǒng)不像12V系統(tǒng)會受到功率輸出能力的諸多限制， 可以提供非常強(qiáng)勁的功率輸出及高效率的加熱能力。

6） 在一個純電子化的暖通空調(diào)系統(tǒng)中， 功率不受其他因素的影響， 而是由溫度管理系統(tǒng)方便地進(jìn)行調(diào)整， 可以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)溫度的精確控制。

2.4.3 缺點(diǎn)

1） 結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 增加零部件較多， 給機(jī)艙布置帶來困難。

2） 水暖加熱速度較慢。

3） 水暖PTC加熱器電功率大約5.5 kW， 這個功率相對于總的電池容量來說是非常巨大的消耗， 嚴(yán)重影響了電動車的續(xù)駛里程。

3 熱泵加熱方式

熱泵加熱是在電動壓縮機(jī)制冷回路的基礎(chǔ)上，增加電磁閥控制制冷劑流向， 通過蒸發(fā)冷凝器從周圍環(huán)境中吸收熱量， 通過內(nèi)部冷凝器向駕駛室釋放熱量， 使駕駛室溫度升高， 滿足除霜除霧的法規(guī)要求， 為乘員提供舒適的環(huán)境。

3.1 實(shí)施方案

增加電動壓縮機(jī)、 電磁閥、 內(nèi)部冷凝器、 蒸發(fā)冷凝器、 單向閥、 電子膨脹閥及優(yōu)化后管路結(jié)構(gòu)，從而形成封閉的制冷劑循環(huán)回路， 其中內(nèi)部冷凝器替換原車暖風(fēng)芯體。 熱泵制熱模式見圖10。



3.2 優(yōu)點(diǎn)

系統(tǒng)效率高， 根據(jù)目前的電動壓縮機(jī)技術(shù)， 0 ℃時熱泵系統(tǒng)的COP為2.5， -5 ℃時熱泵系統(tǒng)的COP為2.0， 因此， 在產(chǎn)生相同熱量的前提下， 使用熱泵加熱方式比使用電加熱方式消耗的電能更少， 可增加車輛的續(xù)駛里程。

3.3 難點(diǎn)

1） 關(guān)鍵零部件技術(shù)不成熟 ： 電動壓縮機(jī) 、 內(nèi)部冷凝器、 蒸發(fā)冷凝器、 制冷管路用電磁閥等核心零部件尚在研發(fā)之中。 對于蒸發(fā)冷凝器來說， 降低內(nèi)部壓力是提高產(chǎn)品最大換熱能力的關(guān)鍵因素； 合理的翅片尺寸可降低蒸發(fā)冷凝器結(jié)霜的風(fēng)險。

2） 控制技術(shù)不成熟 ： 熱泵式空調(diào)控制技術(shù) ，尤其是車用電動渦旋壓縮機(jī)的變轉(zhuǎn)速控制算法和電磁閥的控制 （空調(diào)模式與熱泵模式之間相互轉(zhuǎn)換）算法不成熟。

3） 熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 零部件數(shù)量多 ， 機(jī)艙布置困難。

4） 成本增加很多， 開發(fā)周期長。

5） 隨著環(huán)境溫度降低 ， 熱泵系統(tǒng)的COP值會有所下降。 當(dāng)環(huán)境溫度低于-10 ℃時， 電動壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速需要達(dá)到8 000 r/min以上才能維持熱平衡。 當(dāng)電動壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到8 000 r/min以上時， 噪聲很大，很難達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求， 故此熱泵加熱方式受溫度范圍限制較大。

4 幾種方案的對比分析

將以上幾種方案從高電壓安全性、 效率、 制熱能力、 與燃油車部件的通用性、 成本、 最大優(yōu)點(diǎn)和最大缺點(diǎn)等方面進(jìn)行了對比分析， 見表1。



5 總結(jié)

以上幾個方案各有優(yōu)勢： 使用燃油加熱方式在提供舒適環(huán)境的同時， 不影響純電動汽車的續(xù)駛里程， 在當(dāng)前電池性能不夠理想的情況下， 該方案可作為純電動汽車駕駛室采暖的過渡方案； 電加熱方式在電池性能發(fā)展到理想水平的情況下， 會具有很高的可行性； 熱泵加熱方式的加熱效率高于電加熱且不產(chǎn)生尾氣排放， 是今后在純電動汽車駕駛室采暖方面繼續(xù)研究與開發(fā)的重點(diǎn)， 提高電動壓縮機(jī)性能與優(yōu)化熱泵系統(tǒng)控制技術(shù)是該方案的難點(diǎn)。 熱泵加熱方式與電加熱方式配合使用， 可以擴(kuò)展熱