汽車熱泵產(chǎn)生的效益可以彌補(bǔ)成本?熱泵投資回報(bào)案例分析

熱泵讓車輛的氣候控制系統(tǒng)的成本上升了50%，但是捷豹最新車型和電動(dòng)校車的應(yīng)用案例表明，如果能改善設(shè)計(jì)，熱泵產(chǎn)生的效益完全可以彌補(bǔ)這些額外成本。

氣溫低時(shí)，搭載了熱泵的純電動(dòng)汽車是否能以合理的系統(tǒng)成本，既減少顯著的能量損失，又保持座艙的舒適溫暖呢？這個(gè)問(wèn)題在2018年SAE熱管理系統(tǒng)研討會(huì)上引發(fā)了熱烈討論。盡管針對(duì)量產(chǎn)純電動(dòng)車型的有效解決方案尚未成型，但純電動(dòng)汽車的熱管理已經(jīng)取得了重大進(jìn)步。

如果采用目前通行的熱敏電阻（PTC）加熱的方法，純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程在冬季會(huì)縮水大約40%。對(duì)此，車企普遍表示不滿。根據(jù)Hanon Systems在2017年所做的測(cè)試，按照50公里通勤距離和30分鐘通勤時(shí)間算，如果座艙已經(jīng)預(yù)熱完畢，那么一個(gè)簡(jiǎn)易的制冷劑循環(huán)余熱收集回路從電子元件、電機(jī)和電池包中采集的熱量，對(duì)座艙制熱而言已經(jīng)足夠了。

Hanon的研究表明，這種回路設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益和效率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出熱泵。盡管如此，隨著續(xù)航里程更長(zhǎng)的純電動(dòng)汽車進(jìn)入市場(chǎng)，熱泵還是會(huì)占有一席之地。尤其是對(duì)于將由柴油轉(zhuǎn)為電力驅(qū)動(dòng)的校車而言，熱泵比制冷劑回路更為合適。

在Jaguar I-Pace中，該圖表顯示了熱泵冷卻操作的優(yōu)勢(shì)，包括四區(qū)和雙區(qū)（下方的虛線）。

蒸氣注入法

捷豹將于2019年推出的全新I-Pace四驅(qū)車型在瑞典阿爾耶普盧格的冬季測(cè)試中排名第一，該款車型搭載了一個(gè)90千瓦時(shí)的電池包，額定續(xù)航里程高達(dá)240分鐘/384公里。和日產(chǎn)聆風(fēng)相比，I-Pace著眼于高端市場(chǎng)，定價(jià)更加靈活。據(jù)稱，該款純電動(dòng)車型在極寒天氣下的續(xù)航里程幾乎不會(huì)衰減，其采用的熱泵系統(tǒng)也融入了多項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

作為此次SAE熱管理研討會(huì)的演講嘉賓之一，捷豹路虎熱管理工程師Nilabza Dutta在報(bào)告中指出，雖然I-Pace的HVAC系統(tǒng)增加了“30%-50%”的成本，但如果通過(guò)增大電池包的尺寸來(lái)彌補(bǔ)使用熱敏電阻造成的續(xù)航里程損失，成本將上升150-450%，除此之外，電池的充電還將產(chǎn)生80%到300%的額外成本。

因此，捷豹I-Pace選用了熱泵系統(tǒng)，并大力對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。首先，HVAC的空氣分配有三種模式：僅駕駛座、駕駛座加副駕、前排加后排。其次，還部署了吸收電子器件熱量的制冷劑回路。為了實(shí)現(xiàn)最佳制熱性能，I-Pace搭載了一個(gè)注氣式HVAC熱泵系統(tǒng)，不過(guò)該系統(tǒng)并不包含目前很多純電動(dòng)車型所采用的油門啟動(dòng)式再生制動(dòng)系統(tǒng)。

去年，電裝在普銳斯Prime插電式混合動(dòng)力車型上引入了注氣式熱泵，其中包含一個(gè)液氣分離器。這種從商用熱泵系統(tǒng)中借鑒而來(lái)的設(shè)計(jì)，在低溫條件下往壓縮機(jī)里注入熱蒸氣產(chǎn)熱，有效克服了熱泵在氣溫低至0℃/32℉時(shí)因?yàn)橹评鋭┑馁|(zhì)量流率降低而失效的問(wèn)題。

豐田稱，Prime的最低工作溫度是14℉/-10℃。Dutta表示，搭載了吸熱回路的I-Pace系統(tǒng)可以回收高達(dá)4.5 千瓦的能量。他在研討會(huì)上指出，I-Pace的吸熱回路的功率為0.3千瓦，在0℃（32℉）時(shí)，可以從電子器件和電機(jī)中分別收集2.5 千瓦和1.9千瓦的能量，凈收益總共為3.8千瓦。當(dāng)氣溫降到-8℃(18℉)時(shí)，制冷劑回路系統(tǒng)也可以收集3.5千瓦的能量。

Hanon的研究表明，捷豹I-Pace的座艙預(yù)熱的作用已然十分顯著。如果沒(méi)有座艙預(yù)熱，熱泵系統(tǒng)只能節(jié)約17%的能量。有了座艙預(yù)熱后，節(jié)能效果高達(dá)83%。就算關(guān)閉熱泵，搭載了座艙預(yù)熱的I-Pace依然能節(jié)約49%的能量。其續(xù)航里程效益更是令人驚嘆：在零下10℃到0℃（14-32℉）的條件下可以增加30-45公里（18-27公里）。

此外，為了優(yōu)化續(xù)航里程，I-Pace還具備電池控制模塊的空中升級(jí)軟件性能。升級(jí)軟件和所有Alexa語(yǔ)音控制設(shè)備兼容，還能升級(jí)車載娛樂(lè)系統(tǒng)。

Emerson提出的電動(dòng)校車將使用兩個(gè)獨(dú)立的熱泵系統(tǒng)，全年為車廂提供舒適的環(huán)境。(ECT)

校車熱泵項(xiàng)目

一年中最熱的幾個(gè)月，學(xué)校通常是在放暑假，因此校車座艙設(shè)計(jì)一般重點(diǎn)關(guān)注寒冷天氣下的制熱問(wèn)題，制熱部件一般放置在座椅、駕駛員和階梯下方。在熱能管理研討會(huì)上，來(lái)自艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(shù)有限公司的Shawn Vehr表示，有些地區(qū)的校車的A/C裝配率大約只有25%。

如果要在校車上部署制冷劑回路，那就要從車頭繞到車尾，線路會(huì)拉得很長(zhǎng)，這也是為什么很多校車沒(méi)有安裝A/C系統(tǒng)。不過(guò)，盡管以柴油驅(qū)動(dòng)的校車仍占主導(dǎo)，很多汽車制造商也在著手研發(fā)電動(dòng)校車。對(duì)此，Vehr提議采用四季通用的雙電動(dòng)密閉式注氣熱泵組件。

在3.5℉（零下15.8℃）的高性能測(cè)試中，Emerson圖表顯示校車熱泵依然達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)冷卻需求。

Vehr表示，根據(jù)臺(tái)架測(cè)試結(jié)果，對(duì)于一輛搭載了600伏特、440千瓦時(shí)的電池包的電動(dòng)客車而言，如果單獨(dú)使用熱敏電阻加熱，續(xù)航里程會(huì)從原先的305英里/488公里降到177英里/283公里，而如果搭載了注氣熱泵系統(tǒng)，續(xù)航里程可以維持在230到257英里/368-411公里之間。

該熱泵系統(tǒng)可以按照美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)（NTSB）的標(biāo)準(zhǔn)，把座艙的溫度從0℉提高到68℉（-18℃到20℃）。根據(jù)NTSB的規(guī)定，熱泵系統(tǒng)應(yīng)該在30分鐘內(nèi)將環(huán)境溫度從80℉加熱到100℉（27℃到38℃），這比NTSB的降溫標(biāo)準(zhǔn)寬松一些。