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『電動「祺」觀』夏季開空調(diào)太耗電?原來電動車空調(diào)是這樣制冷的!
來自:電動邦
作者:王元祺
2019-06-26 17:14:00
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炎炎夏日已經(jīng)到來,每到這個季節(jié),就會感到“命就是空調(diào)給的”,但是電動車車主就開始惆悵,想到開了空調(diào),電量就刷刷地往下掉,“空調(diào)開還是不開”就成了一個值得思考的問題,今天我們就來聊聊“電動汽車的空調(diào)”。

■ 夏季開空調(diào)到底耗不耗電?

▲這張圖可以形象的表示部分小白對汽車空調(diào)的看法(源自網(wǎng)絡(luò))

對于傳統(tǒng)汽車而言,汽車空調(diào)在制冷時的功率相當(dāng)于家用空調(diào)的2~3倍,在3000~5000瓦;對小排量(2.0L以下)的汽車而言占發(fā)動機總功率的10%~15%;一般來說百公里油耗在0.7~1.5L左右。而「定頻空調(diào)」與「變頻空調(diào)」的最高油耗差可以達(dá)到40%。

▲電動汽車空調(diào)開/關(guān)對比測試(源自“皆電”)

對于電動汽車而言,不少平臺也做過類似的測試,根據(jù)“皆電”的實驗得到結(jié)果是:每30km的實際里程,開空調(diào)會比不開空調(diào)多消耗6~8km的續(xù)航,大概就是多消耗20~26%的里程……

按照這樣的損耗情況來看,原本300公里續(xù)航的電動車,頓時就成了230公里左右了。雖然說這樣的實測通常備受吐槽,但我們至少能得到一個直觀的結(jié)論:夏季開空調(diào),真的挺耗電! 

■ 汽車空調(diào)的制冷原理

當(dāng)你了解了『空調(diào)耗電大』這一表象后,我們正式進(jìn)入今天的正文。作為一檔科普專欄,我們探究的是電動汽車表象后的原理。所以,我們從汽車空調(diào)最基本的原理中尋找空調(diào)耗電的原因。

不少人會覺得覺得空調(diào)依靠制造冷風(fēng)來降溫,其實錯了!空調(diào)制冷的實質(zhì)是將熱量從一端傳遞到另一端!也就是『熱交換』!

▲當(dāng)空調(diào)制冷時,我們希望金屬管中的狀態(tài)

一段在車廂外部(室外),一段在車廂內(nèi)部(室內(nèi)),也就是我們所說的「冷凝器」(室外)和「蒸發(fā)器」(室內(nèi)),有時兩者被統(tǒng)稱為「換熱器」。

▲ 汽車使用的「制冷劑」就是熱交換的介質(zhì)

但是光有金屬管并不能產(chǎn)生「熱交換」,我們必須在金屬管中加入實現(xiàn)「熱交換」的重要元素——「制冷劑」(又稱「冷媒」或「雪種」)?!钢评鋭乖凇赫舭l(fā)吸熱,液化放熱』的熱力學(xué)作用下工作:制冷時,將車內(nèi)熱量吸走,并在車外釋放。制熱的過程則是將車外的熱量轉(zhuǎn)移到車內(nèi)(「熱泵制熱」原理)。

▲有了「制冷劑」,就有了熱傳遞和交換的基礎(chǔ)

『繞成回路的連接在一起的管子』與管子里流淌的「制冷劑」組成了「熱交換」最基本的部件。

▲「壓縮機」是空調(diào)中不可少的部件

不過要實現(xiàn)「熱交換」,有「換熱器」和「制冷劑」是不夠的,「熱交換」是一個動態(tài)的過程,所以,要讓「制冷劑」在「換熱器」中流動和變化,此時我們就需要一個產(chǎn)生動力的部件——「壓縮機」!

▲被壓縮并流動起來的「制冷劑」使得熱交換開始運行

有了「壓縮機」后,「制冷劑」便有了流動性,接下來我們就要讓「制冷劑」發(fā)揮作用了,通過增減管內(nèi)的壓強,改變「制冷劑」的沸點,令其汽化或液化,使得「換熱器」能在車內(nèi)吸熱/放熱,改變區(qū)域溫度。

▲汽車空調(diào)部件及工作原理的『雛形』

利用「膨脹閥」控制「制冷劑」進(jìn)入「換熱器」的流量和壓力,最終實現(xiàn)高效的制冷/制熱效果。最后,用「風(fēng)扇」(鼓風(fēng)機)將「換熱器」上的高溫/低溫吹入車內(nèi),使得車內(nèi)的乘客切身體會到空調(diào)系統(tǒng)正在做著「熱交換」。

▲傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)主要部件

了解了最基礎(chǔ)的原理,我們正式開始認(rèn)識「汽車空調(diào)」:傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)、通風(fēng)和空氣凈化裝置及控制系統(tǒng)組成。

▲傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)原理(膨脹閥式制冷+設(shè)備余熱式制暖)

▲傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷基本原理

整個制冷過程,從「壓縮機」吸收來自「蒸發(fā)箱」的氣體「制冷劑」并進(jìn)行加溫加壓開始,再送到「冷凝器」進(jìn)行降溫處理,但是壓強還是很高,之后到達(dá)「儲液干燥器」進(jìn)行干燥處理,再到達(dá)「膨脹閥」,在這進(jìn)行降溫降壓處理,最后是送回到「蒸發(fā)箱」,吸收熱量。從而實現(xiàn)『壓縮→冷凝(放熱)→膨脹→蒸發(fā)(吸熱)』的制冷循環(huán)。

▲傳統(tǒng)汽車空調(diào)主要部件及其作用

在整個傳統(tǒng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)中,「壓縮機」無疑是一個能耗巨獸,此前我們提到:「定頻空調(diào)」與「變頻空調(diào)」的最高油耗差可以達(dá)到40%。其中的道理,大家可以自行科普,這里就不贅述了。

■ 電動車空調(diào)制冷原理

電動汽車的「制冷系統(tǒng)」與傳統(tǒng)汽車在大思路上沒有質(zhì)的區(qū)別,只是在實現(xiàn)制冷的方式上產(chǎn)生了不同,準(zhǔn)確地說,電動汽車的制冷手段更加豐富,我列舉3個目前比較主流的電動汽車制冷方式——「電動壓縮機制冷」、「余熱制冷」和「熱電制冷」。

1.電動壓縮制冷

無論是傳統(tǒng)燃油車還是電動車,均可以采用「電動壓縮機制冷」系統(tǒng),所以「壓縮機制冷」也是最為常見的電動汽車空調(diào)系統(tǒng)。不過在結(jié)構(gòu)上有一點不同,即「壓縮機」驅(qū)動動力源由發(fā)動機變?yōu)椤蛤?qū)動電機」。

 

傳統(tǒng)汽車空調(diào)(左)與電動汽車空調(diào)(右)對比(電動壓縮制冷式)

電池組的直流電經(jīng)「逆變器」為空調(diào)「壓縮機」驅(qū)動電機供電,從而形成「制冷循環(huán)」,產(chǎn)生制冷效果。其詳細(xì)的工作原理在上一段中已經(jīng)詳解,這里我就不展開了。

只是需要提示的是,傳統(tǒng)汽車的空調(diào)「壓縮機」分?jǐn)偟氖前l(fā)動機的功率。而電動汽車空調(diào)的「驅(qū)動電機」消耗的就是電池電量,所以耗電總是難免的!

2. 余熱制冷

「余熱制冷」的基本原理是利用設(shè)備的余熱來降溫,要點有2點:

1. 「余熱」從哪里來:對電動汽車而言,大功率器件(功率變換、驅(qū)動馬達(dá)、馬達(dá)控制器等)在工作時會產(chǎn)生熱量;

2. 「余熱」怎么降溫:還是通過不同物質(zhì)或同一物質(zhì)『氣液不平衡』的性質(zhì)來實現(xiàn)制冷循環(huán),這是我們反復(fù)提到的空調(diào)制冷的最基本的降溫邏輯之一。

▲電動汽車吸附式制冷原理(源自網(wǎng)絡(luò))

「余熱制冷」主要被分為吸收式制冷、氫化物制冷和固體吸附式制冷。我們分別來看一下:

「余熱制冷」分類及詳解

從表格中『缺點』一欄中,我們大致了解到「余熱制冷」系統(tǒng)的一些短板,所以我們要給「余熱制冷」系統(tǒng)一點優(yōu)化的時間,將其優(yōu)點發(fā)揮出來。

3.熱電制冷

「熱電技術(shù)」的基本構(gòu)成是「N型半導(dǎo)體」和「P型半導(dǎo)體」,原理是通過金屬導(dǎo)流片連接,當(dāng)電流由N通過P時,電場使N中的電子和P中的空穴反向流動,它們產(chǎn)生的能量來自晶格的熱能,于是在導(dǎo)流片上吸熱,在另一端放熱,產(chǎn)生溫差,如下圖所示:

▲電動汽車熱電原理

「熱電制冷」目前在電動汽車行業(yè)運用的還是比較廣泛,與傳統(tǒng)空調(diào)相比有其自身的特點:

▲電動汽車熱電制冷效率和原理(圖片源自網(wǎng)絡(luò))

    ◇ 電流方向的改變就可以有制熱/制冷的逆效果;

    ◇ 工作電流為直流電源;

    ◇ 熱電元件熱慣性小,若「熱端」有良好的散熱,只需要較短的制冷時間;

    ◇ 通過調(diào)節(jié)電流就可以調(diào)節(jié)制冷的溫度和速度,并且控制溫度的精度高,可連續(xù)調(diào)節(jié)能量;

    ◇ 最高制冷的效率能夠達(dá)到90%,「制熱系數(shù)」(COP=(吸收的低位熱能+消耗電能)/消耗電能)大于1;

    ◇ 重量輕、體積小、緊湊的結(jié)構(gòu),可以減小電動汽車質(zhì)量;

    ◇ 不需要傳動部件、無摩擦、無振動、抗沖擊、壽命長、可靠性高。

但是現(xiàn)階段「熱電制冷」的總體效率只有傳統(tǒng)「機械式」效率的一半左右,在沒有得到提升的前提下,「熱電制冷」主要應(yīng)用在對小體積和輕量化需求比較大的設(shè)備上。

 

 

要使得「熱電空調(diào)」達(dá)到傳統(tǒng)空調(diào)的效果,「碲」存量也是一個問題

編輯注:“碲”讀dì,一種非金屬元素,對熱和電傳導(dǎo)不良,加入金屬或合金中,可以改變性能。

此外,制造「熱電元件」所需的『碲、鉍、硒、銻』四種元素,其中『硒、鉍、銻』的儲存量較大,而「碲」存量有限(主要通過從煉銅的廢料中提?。?,這使得「碲」的產(chǎn)量限制了「熱電設(shè)備」在電動汽車上(特別是大型電動車)的廣泛運用。

■ 總結(jié)

以上則是一些關(guān)于電動汽車空調(diào)的基本原理,幾乎覆蓋了目前所有主流車型,至于具體到每個車型用的什么空調(diào),我會在此后的文章酌情詳解,最后歸納一下本文的要點:

1. 電動車空調(diào)制冷的確挺費電的;

2. 主流的電動車空調(diào)與傳統(tǒng)燃油車結(jié)構(gòu)相似,「壓縮機」(驅(qū)動電機)是主要的耗電源;

3. 「余熱制冷」和「熱電制冷」很有發(fā)展前途,只是我們還需要等一等,等技術(shù)完善后,必然能優(yōu)化電動汽車空調(diào)耗電的問題;

4. 原理大家現(xiàn)在基本都了解了,不過夏天開車不開空調(diào)?!不太可能吧。


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