如何降低車輛空調(diào)系統(tǒng)對(duì)續(xù)航里程的影響

為了降低車輛空調(diào)系統(tǒng)對(duì)續(xù)航里程的影響，起亞的 Soul 純電動(dòng)車采用了一系列設(shè)計(jì)，包括增加一款熱泵等。

無(wú)論是冬季的車艙取暖，還是夏季的空調(diào)制冷，都將給電動(dòng)汽車寶貴的電池資源帶來(lái)巨大負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響車輛的續(xù)航里程，有時(shí)比例甚至高達(dá)50-60％，這大大增加了純電動(dòng)車成本降低的難度。

為了解決這一問(wèn)題，很多研發(fā)車輛已經(jīng)采用了很多先進(jìn)創(chuàng)新系統(tǒng)，但這會(huì)同時(shí)極大地增加車輛的復(fù)雜度并提升成本。最近，兩位演講嘉賓在SAE WCX 2018 大會(huì)上向現(xiàn)場(chǎng)觀眾介紹了一些成本效益更佳、復(fù)雜程度更低的替代解決方案。

第一種方法是提升熱存儲(chǔ)能力，確保車輛的續(xù)航里程不會(huì)因?yàn)檐嚿先藛T的取暖需求而受到影響；第二種則是在溫暖和寒冷的氣候條件下，減輕車輛的空調(diào)負(fù)荷——這可以在使用更小電池的情況下更快達(dá)到舒適溫度，或用現(xiàn)有電池延長(zhǎng)里程。

起亞Soul 純電動(dòng)車經(jīng)過(guò)改進(jìn)，增加了一個(gè)電動(dòng)加熱器內(nèi)核、一個(gè)用于插電預(yù)準(zhǔn)備階段的內(nèi)置式加熱器內(nèi)核，以及一個(gè)可以在預(yù)準(zhǔn)備階段產(chǎn)生的熱量耗盡時(shí)回收廢熱的電路系統(tǒng)。LTR 低溫散熱器可以在炎熱天氣下協(xié)助電機(jī)/電子系統(tǒng)的冷卻。

加強(qiáng)儲(chǔ)熱系統(tǒng)

如果不考慮成本和車輛尺寸，增加電池組容量的確是一種無(wú)需犧牲車艙舒適性，也能保障里程的方法，而另一種方法是安裝熱泵系統(tǒng)。目前，豐田 Prius Prime 插電式混合動(dòng)力汽車即采用了一套復(fù)雜的熱泵系統(tǒng)。通過(guò)配備一套液氣分離回路，豐田熱泵的工作溫度最低可達(dá)-10°C（14°F），而普通汽車熱泵的最低工作溫度大約只有0°C（32°F）左右，這是由于隨著環(huán)境溫度的下降，制冷劑的質(zhì)量流率也會(huì)隨之下降。Prime 將作為這種熱泵解決方案的技術(shù)測(cè)試平臺(tái)，即使電池組的電量耗盡，Prius 的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)也可以為車艙供暖提供能量。

目前，Hanon Systems 正在與現(xiàn)代起亞美國(guó)技術(shù)中心和美國(guó)能源部的國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）開(kāi)展合作項(xiàng)目，其中2015 款起亞 Soul 純電動(dòng)汽車被選為研究對(duì)象。簡(jiǎn)單介紹，Soul 是一款用于日常通勤和市內(nèi)駕駛的純電動(dòng)汽車，正常情況下的續(xù)航里程在 75 到 100 英里（120 到 160 公里）之間，但在炎熱的夏季和寒冷的冬季會(huì)大幅縮短。

這張柱形圖展示了HVAC 系統(tǒng)在三種寒冷氣候條件下短途行駛中的能耗情況。盡管，“HP（熱泵）+TS（熱存儲(chǔ)）”的整體耗能最低，但在有需要時(shí)，“TS（熱存儲(chǔ)）+PTC”的效果優(yōu)于單獨(dú)使用“HP（熱泵）”的效果。

在 WCX – SAE 2018全球汽車年會(huì)的演講中，Hanon 公司技術(shù)研究員 John J.Meyer 博士指出，為了最大化續(xù)航里程，除了采用了傳統(tǒng)的 PTC 加熱器，Soul 純電動(dòng)汽車似乎已經(jīng)“無(wú)所不用其極”，具體措施包括采用了原裝熱泵、氣候控制座椅、加熱方向盤、車艙預(yù)處理（加熱或冷卻）、部分再循環(huán) A/C、雙區(qū)和單區(qū) HVAC、Eco 電動(dòng)駕駛模式及風(fēng)冷式電池組等。這種情況下，Meyer 博士的研究重點(diǎn)將集中在增加儲(chǔ)熱容量方面。Meyer 指出，Soul 電動(dòng)汽車采用的熱泵設(shè)計(jì)可以將取暖造成的損失里程恢復(fù)30-40%，但車輛仍然僅能實(shí)現(xiàn) 60% 的續(xù)航里程。對(duì)于一輛總續(xù)航里程只有 100 公里的電動(dòng)汽車而言，這意味著車輛的實(shí)際續(xù)航里程只有60 英里。然而，由于熱泵電路將拉升車輛成本，提高復(fù)雜性和封裝難度，并增加制冷劑的使用量，因此可能并不是最好的解決方案。目前，美國(guó)市場(chǎng)中少數(shù)配備熱泵的車輛均使用了 R-134a 制冷劑，顯然是由于這種制冷劑的價(jià)格低廉，不及 R-1234yf 制冷劑的 10%。

如果增加熱泵回路，并配備配套的熱交換器、復(fù)雜流路和管道，最終的制冷劑需求可能增加近一倍。與沒(méi)有采用熱泵系統(tǒng)的車輛（19 盎司，即 550 克）相比，Soul 電動(dòng)汽車的制冷劑使用量為33 盎司（900 克）。讓形勢(shì)更為嚴(yán)峻的是，按照美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（EPA）的計(jì)劃，美國(guó)將在 2021 年前全面禁止R-134a 制冷劑在新車上的應(yīng)用，這將勢(shì)必進(jìn)一步增加熱泵解決方案的成本。

如果不考慮增加的成本和對(duì)制冷劑的額外需求，熱泵系統(tǒng)對(duì)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的優(yōu)化效果最好。但是Hanon、起亞現(xiàn)代和NREL 的合作研究顯示，這種“傳統(tǒng)智慧”并不一定適用于通勤或市內(nèi)駕駛等典型駕駛場(chǎng)景對(duì)續(xù)航里程的需求。

Hanon 公司為 Soul 電動(dòng)汽車添加了兩個(gè)采用可連接閥門的乙二醇冷卻劑回路，每條回路配備一款熱交換器，總流體容量為 2L（0.5 加侖）。一套熱交換器系統(tǒng)包含一個(gè) 1500 瓦的電加熱器，也可以為車內(nèi)的預(yù)處理加熱器內(nèi)核產(chǎn)生熱源。車輛行駛期間，電力輸送將關(guān)閉掉，取暖系統(tǒng)將使用儲(chǔ)存的熱量，并額外收集來(lái)自電機(jī)和電子電路的廢熱——當(dāng)儲(chǔ)存的熱量消耗完畢后，這個(gè)熱源也可以繼續(xù)發(fā)揮作用。

Meyer 博士表示，一般短距離純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程為 40 分鐘，也就是大約 50 公里（30 英里）左右。Soul 電動(dòng)汽車還經(jīng)過(guò)了EPA UDDS （城市周期）循環(huán)的三輪風(fēng)洞測(cè)試，車輛在進(jìn)行測(cè)試前將在電池充電過(guò)程進(jìn)行預(yù)處理，且暖通空調(diào)設(shè)置為 22°C（72°F），三輪風(fēng)洞測(cè)試的溫度設(shè)置分別為 5°C（41°F）、-5°C（23°F）和 -18°C（0°F）。在所有三輪測(cè)試中，“單獨(dú)使用熱泵”比“使用帶有儲(chǔ)熱系統(tǒng)的 PTC 加熱器”耗能更高。測(cè)試結(jié)果表明，只有與熱儲(chǔ)存系統(tǒng)結(jié)合使用時(shí)，熱泵才能體現(xiàn)自己的優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于對(duì)價(jià)格十分敏感的短程純電動(dòng)汽車而言，帶有 PTC 加熱器的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)似乎是效率與成本效益的最佳組合。對(duì)于續(xù)航里程更長(zhǎng)的電動(dòng)汽車而言，雖然數(shù)據(jù)尚未全部完備，但純熱泵解決方案很可能更具優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)代索納塔的插電式電動(dòng)汽車采用了一系列降低車輛熱負(fù)載的功能。

降低熱負(fù)荷

研究員 Jason Lustbader 解釋說(shuō)，NREL 的“氣候控制系統(tǒng)熱負(fù)荷降低項(xiàng)目”旨在在夏季高溫和冬季嚴(yán)寒期間，平均增加 20％的電驅(qū)動(dòng)續(xù)航里程。這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)更加寬泛，不單單包括“Soul 純電動(dòng)汽車研究項(xiàng)目”試圖解決的短距離純電動(dòng)汽車（75 到 100英里）的續(xù)航里程損失問(wèn)題。

NREL 項(xiàng)目選擇了兩輛相同的插電式混合動(dòng)力車(PHEV) 為測(cè)試對(duì)象。項(xiàng)目的第一階段（已完成）主要對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行建模，并記錄其表觀數(shù)據(jù)；第二階段則主要將這些技術(shù)應(yīng)用至現(xiàn)代索納塔插電式混合電動(dòng)汽車，并針對(duì)EPA 城市/高速公路行駛循環(huán)，進(jìn)行真實(shí)工況測(cè)試。

NREL 項(xiàng)目使用了兩輛索納塔插電式混合動(dòng)力汽車：一輛未經(jīng)任何改進(jìn)，另一輛則采用了一套特殊的熱處理系統(tǒng)，包括Pittsburgh Plate Glass 公司提供的電加熱擋風(fēng)玻璃、太陽(yáng)能反射玻璃和太陽(yáng)能反射涂料，以及Gentherm 公司為駕駛員座位四周的加熱表面材料、車門玻璃除霜器和溫控座椅。測(cè)試證明，特殊座椅、玻璃和涂料都會(huì)影響車輛的取暖和供冷效果。

NREL 項(xiàng)目已經(jīng)在 2017 年 2 月底在阿拉斯加的費(fèi)爾班克斯進(jìn)行了冬季測(cè)試，環(huán)境高氣溫為 -7°C（20°F）。夏季測(cè)試則在加利福尼亞州的莫哈維市進(jìn)行，環(huán)境溫度在 38 - 50°C（99-122°F）之間。

索納塔的擋風(fēng)窗使用了電動(dòng)除霜器，耗電量低于傳統(tǒng)除霜器。

在阿拉斯加進(jìn)行的冬季測(cè)試中，NREL 對(duì)車輛的擋風(fēng)玻璃進(jìn)行了客觀的數(shù)據(jù)測(cè)量。測(cè)試結(jié)果顯示，電加熱設(shè)備可在 6 分鐘內(nèi)完成去冰，耗電量為 0.1 度。對(duì)比之下，傳統(tǒng)的除霜器則需要 19 分鐘，且耗電量為 2.6 度。

舒適度測(cè)量則更加主觀，主要反映乘客提供的感受報(bào)告。研究人員指出，由于可以用較低能量輸入達(dá)到舒適水平，因此駕駛員和乘客都可以調(diào)低暖氣和空調(diào)的設(shè)定值。在寒冷天氣測(cè)試中，改進(jìn)款索納塔在 15 分鐘內(nèi)即達(dá)到了舒適水平，而原版索納塔則需要 29 分鐘。

NREL 循環(huán)測(cè)試結(jié)果顯示，現(xiàn)代索納塔的改進(jìn)空調(diào)系統(tǒng)可以降低負(fù)載，并更快達(dá)到舒適溫度。

此外，這兩款索納塔還分別在位于美國(guó)加利福尼亞州 Mohave 市的現(xiàn)代美國(guó)技術(shù)中心完成了純電動(dòng)駕駛測(cè)試。與原裝版本相比，改進(jìn)版索納塔的續(xù)航里程增加了11.4%，空調(diào)耗能降低了23.7%。

另外，改進(jìn)版索納塔還在其他一系列測(cè)試項(xiàng)目（包括氣候室測(cè)試）中顯示出更大的優(yōu)勢(shì)，比如可以更快達(dá)到舒適水平；NREL 將利用其在早期測(cè)試和研究中積累的模擬和區(qū)域氣候數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)該系統(tǒng)在全美不同地區(qū)可以取得的性能改善水平。NREL 認(rèn)為，與 Hanon Systems 開(kāi)展的項(xiàng)目一樣，這個(gè)項(xiàng)目也證實(shí)了我們可以通過(guò)一些更具成本效益的氣候控制策略，極大地減輕空調(diào)系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車電池帶來(lái)的負(fù)擔(dān)，進(jìn)而幫助一些小型純電動(dòng)車更好地滿足消費(fèi)者的日常駕駛需求。