[汽車之家 冷科技]  提起電動(dòng)車?yán)m(xù)航問題，我想無(wú)論車黑還是車托們都會(huì)承認(rèn)，這是人們對(duì)電動(dòng)車最關(guān)注的點(diǎn)之一。如何提高電動(dòng)車的續(xù)航是車企和供應(yīng)商們的重要課題。正因?yàn)檫@些研究，才有了制動(dòng)能量回收、才有了各種新式動(dòng)力電池。而在不久前，新能源市場(chǎng)上的領(lǐng)頭羊特斯拉也宣布了一項(xiàng)新的專利技術(shù)，這就是熱泵空調(diào)，馬斯克甚至專門在推特上炫耀自家的新技術(shù)。目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在特斯拉Model Y上進(jìn)行了搭載，未來(lái)特斯拉將會(huì)在更多車型上應(yīng)用這個(gè)技術(shù)。為什么一個(gè)空調(diào)技術(shù)會(huì)得到馬斯克專門的吹捧，本期《冷科技》我們就來(lái)了解一下背后的故事。

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電動(dòng)車開空調(diào)，里程直接減半？

特斯拉新專利讓你放心開空調(diào)，里程不會(huì)掉？

好空調(diào)、格力造在汽車上也將實(shí)現(xiàn)？

『壹』電動(dòng)車?yán)m(xù)航之空調(diào)綜合癥

　　癥狀：電動(dòng)車無(wú)穩(wěn)定熱源，采用PTC熱敏電阻，能耗巨大，極大地縮短了續(xù)航。

　　汽車空調(diào)絕對(duì)是汽車發(fā)明史上最有用的發(fā)明之一，它能讓我們的乘員艙冬暖夏涼，提高了駕乘的舒適度。

　　綜合來(lái)看，雖然空調(diào)在傳統(tǒng)燃油車上會(huì)消耗一定的動(dòng)力，但占比很小，對(duì)油耗的影響也有限，因此對(duì)于傳統(tǒng)燃油車，我們并不在意空調(diào)的消耗。

　　這些系統(tǒng)在工作時(shí)可以產(chǎn)生一定熱量，其中動(dòng)力電池產(chǎn)生的熱量最多，但這些熱量無(wú)法滿足空調(diào)的需求，因此傳統(tǒng)的電動(dòng)車上，并不會(huì)以這些熱量為空調(diào)暖風(fēng)的“源泉”，因此為了提供熱源，電動(dòng)車會(huì)額外的加入熱源零部件PTC。

　　PTC是指正溫度系數(shù)熱敏電阻，這種電阻和溫度是正相關(guān)的關(guān)系。也就是當(dāng)環(huán)境溫度降低，PTC的電阻也降低，這樣通電后，恒定電壓下，電流增大，通電的發(fā)熱量就會(huì)變大。

　　目前PTC加熱有兩種方案，水暖和風(fēng)暖。其差別就在于一個(gè)是通過(guò)PTC加熱冷卻液，再和散熱器進(jìn)行熱交換；而另一個(gè)是開啟暖風(fēng)后，冷空氣直接和PTC進(jìn)行換熱，最終吹出暖風(fēng)。

　　一般情況下，PTC的功率會(huì)在6kW以內(nèi)。對(duì)應(yīng)不同功能，系統(tǒng)會(huì)對(duì)PTC的功率進(jìn)行較為精準(zhǔn)的控制。比方說(shuō)，下雨天或者冬天的前擋風(fēng)玻璃除霜、除霧功能，大約需要提供2-3kw的功率，而如果進(jìn)行冷卻液加熱則需要PTC的功率達(dá)到6kW左右。目前一些價(jià)位較高的電動(dòng)車，還會(huì)布置雙PTC，因此在能耗方面的消耗是非常明顯的。

　　早期類似北汽新能源的EV 200、長(zhǎng)安奔奔EV（上圖所示）等車型，由于本身續(xù)航里程就短，如果再開啟暖風(fēng)，會(huì)對(duì)續(xù)航產(chǎn)生很大影響，這也是很多電動(dòng)車車主抱怨的地方。

『貳』你方唱罷我登場(chǎng)之熱泵空調(diào)

　　由于PTC技術(shù)的種種問題，新的空調(diào)技術(shù)開始出現(xiàn)，這就是熱泵空調(diào)。熱泵在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還是比較多的，從技術(shù)上說(shuō)并不是“新物種”。但在汽車中還是比較罕見。這種空調(diào)主要以熱泵技術(shù)為核心，是目前為數(shù)不多的適用于電動(dòng)車制熱的有效技術(shù)。

　　特斯拉發(fā)布的這項(xiàng)技術(shù)就是一套基于熱泵的空調(diào)系統(tǒng)，想要了解這套系統(tǒng)，你得先了解熱泵空調(diào)的相關(guān)原理。

『汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖』

　　理論上講，熱泵是一種將低位熱源的熱能強(qiáng)制轉(zhuǎn)移到高位熱源的空調(diào)裝置。你可以將其理解為水泵的原理。春天到了，我們會(huì)把處于低位的河水通過(guò)管道在水泵的作用下抽到田間地頭。熱泵也是如此，它是熱量的“搬運(yùn)工”，可以把低溫“物體”（包括氣體、液體）的熱量吸收出來(lái)傳遞到工質(zhì)內(nèi)，再通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)對(duì)工質(zhì)的壓縮使其升溫，最終將高溫工質(zhì)通過(guò)冷凝器和車內(nèi)空氣進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)暖風(fēng)的功能。（夏天通過(guò)改變熱轉(zhuǎn)換的方向，從乘員艙吸收熱量進(jìn)行制冷。）整個(gè)過(guò)程中，電池的電能只應(yīng)用在“搬運(yùn)”熱量上，從而達(dá)到省電的初衷。

『叁』特斯拉并不是第一個(gè)吃螃蟹的人

　　熱泵空調(diào)有這樣的優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)車企們自然不會(huì)視而不見，尤其是外國(guó)品牌，它們大概已經(jīng)有了5-8年的積累和實(shí)際驗(yàn)證。

　　比如日產(chǎn)的Leaf、豐田的普銳斯以及寶馬的i系列車型等。國(guó)產(chǎn)品牌則是在近幾年開始發(fā)力，上汽集團(tuán)和長(zhǎng)安應(yīng)用的較多，比如上汽的榮威Ei5等車型都應(yīng)用了熱泵空調(diào)。特斯拉雖然大力宣傳自己的熱泵技術(shù)，但在之前的Model 3或者更早的車型都是傳統(tǒng)的PTC技術(shù)，這次的Model Y是特斯拉品牌第一款搭載熱泵技術(shù)的車型。

　　從這些已經(jīng)搭載熱泵技術(shù)的車型上，我們可以更進(jìn)一步看到熱泵技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的樣子。整個(gè)系統(tǒng)由四個(gè)核心零部件組成，分別是：電動(dòng)壓縮機(jī)、四通換向閥、換熱器和電子膨脹閥。它的工作過(guò)程可以用下面這張圖進(jìn)行說(shuō)明。

　　除了特斯拉之外，都是應(yīng)用這這種熱泵空調(diào)的方案�？梢钥吹�，其熱源就是來(lái)自環(huán)境的熱量，那么可想而知，熱泵空調(diào)是和環(huán)境溫度息息相關(guān)的。如果外界氣溫過(guò)低（低于0℃），可能會(huì)造成進(jìn)氣格柵位置的換熱器被冰霜覆蓋的情況，因此影響對(duì)外界熱量的吸收，從而導(dǎo)致熱泵空調(diào)換熱銷量變低。因此目前實(shí)際裝車時(shí)，還會(huì)加入小部分的PTC，作為輔助加熱器。

『肆』高度整合的特斯拉熱泵技術(shù)

　　特斯拉的新專利也是屬于熱泵+PTC輔助。特斯拉為Model Y的熱泵系統(tǒng)加入了額外的PTC加熱器，這個(gè)PTC加熱器采用了和傳統(tǒng)燃油車相同的12V電壓，同時(shí)Model Y也單獨(dú)配置了一個(gè)12V的蓄電池。這個(gè)PTC相對(duì)來(lái)說(shuō)功率和成本都很低，完全處于輔助角色。

『特斯拉熱泵系統(tǒng)圖』

　　除了PTC輔助，特斯拉熱泵技術(shù)另外一個(gè)也是最大的特點(diǎn)在于熱源的高度整合和強(qiáng)大的軟件性能。從下面的專利圖可以清楚說(shuō)明。

　　我們可以看到，特斯拉熱泵系統(tǒng)將兩部分進(jìn)行了融合，一個(gè)是傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)，其熱源來(lái)自于外界空氣；第二部分是動(dòng)力電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（包括電機(jī)和傳統(tǒng)系統(tǒng)）以及PCS功率電子產(chǎn)生的余熱，整套系統(tǒng)依靠八通換向閥進(jìn)行復(fù)雜的熱量汲取。以此提高熱泵空調(diào)總體的效率。

　　一般情況的汽車熱泵系統(tǒng)采用四通換向閥，來(lái)滿足環(huán)境熱源和成員艙的熱交換，而特斯拉因?yàn)檎�合了更多的熱源，所以采用了更為�?fù)雜的八通閥。

　　小貼士：工質(zhì)，所謂工質(zhì)是指實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的媒介，常見的有水蒸氣、制冷劑等，空調(diào)里面的冷媒就傳統(tǒng)的工質(zhì)。

　　這種不同熱源的整合，為特斯拉空調(diào)系統(tǒng)帶來(lái)了多達(dá)12種多種功能模式。和乘員艙有直接關(guān)系的有四種，如下表所示：

　　 小結(jié)：特斯拉將傳統(tǒng)的熱泵空調(diào)和車輛的電池系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了打通，徹底壓榨了不同系統(tǒng)的余熱，同時(shí)進(jìn)行了融合，產(chǎn)生了多達(dá)12種工作模式。最重要的是，這些功能是系統(tǒng)自己操作，根據(jù)天氣情況和車輛情況自動(dòng)完成所有的功能匹配和操作。這在算法層面表現(xiàn)出一個(gè)極高的水準(zhǔn)，相信只有特斯拉這種使用了域控制器的車型才能完成集成度如此高的打通和融合。特斯拉也再次展現(xiàn)了他們的系統(tǒng)控制能力，這值得中國(guó)品牌去學(xué)習(xí)和借鑒。

『伍』熱泵如此之優(yōu)秀，難道就沒有問題和挑戰(zhàn)了嗎？

　　目前關(guān)于熱泵空調(diào)，我們一般有兩個(gè)主要的疑問。首先是熱泵比PTC究竟能節(jié)能多少？第二個(gè)是熱泵空調(diào)的缺點(diǎn)是什么。

　　關(guān)于熱泵的能耗問題，理論和實(shí)際測(cè)試都有支撐。理論上講，我們一般用轉(zhuǎn)換熱量和輸入能力的比值也就是COP（能效比）來(lái)衡量空調(diào)性能好壞，COP越高說(shuō)明空調(diào)轉(zhuǎn)化銷量越高，也就是越節(jié)能。理論上的數(shù)據(jù)是PTC制熱的COP是1，而熱泵的COP最低情況也高于1，在實(shí)際中一般會(huì)在2-4之間。也就是在相同能耗下，熱泵產(chǎn)生的熱量是PTC的2-4倍。

　　那么從實(shí)體測(cè)試來(lái)看，我們?cè)��?jīng)在0℃對(duì)榮威Ei5（熱泵空調(diào)）和吉利帝豪EV（PTC）進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。

　　從暖風(fēng)空調(diào)原地實(shí)測(cè)（當(dāng)時(shí)測(cè)試車外溫度為0℃）的結(jié)果來(lái)看，熱泵空調(diào)的制熱效果并沒有像傳說(shuō)中那樣，“熱不快、不暖和”，反而溫度的爬升要略好過(guò)PTC空調(diào)，而且耗電量更低，原地三十分鐘，熱泵空調(diào)消耗的續(xù)航里程要遠(yuǎn)低于PTC空調(diào)。（數(shù)據(jù)來(lái)源：PTC/熱泵哪家強(qiáng) 《我?guī)湍銣y(cè)》暖風(fēng)空調(diào)）

　　所以，我們可以認(rèn)為熱泵空調(diào)確實(shí)比PTC在實(shí)際使用時(shí)更節(jié)約電量，不過(guò)從上面的文章里，細(xì)心的讀者朋友肯定發(fā)現(xiàn)，溫度其實(shí)對(duì)熱泵有著很重要的影響。特斯拉Model Y給出了這樣的一張圖表，這也引出了我們第二個(gè)疑問，熱泵空調(diào)的缺點(diǎn)是啥？

　　我們可以肯定的回答，就是溫度。

　　實(shí)際上，當(dāng)COP變?yōu)?時(shí)，熱泵系統(tǒng)近乎于不工作狀態(tài)，此時(shí)環(huán)境溫度大概在-20℃左右；這個(gè)溫度除非東北地區(qū)，一般比較少見；那么在更高一點(diǎn)的-10℃-0℃區(qū)間，北方的天氣大部分都能達(dá)到這個(gè)氣溫，特斯拉Model Y熱泵空調(diào)的COP在1-2之間，這個(gè)數(shù)值其實(shí)差強(qiáng)人意，只是比PTC強(qiáng)一些。特斯拉的策略是在這個(gè)區(qū)間啟動(dòng)輔助PTC，幫助制熱。超過(guò)0℃后就是熱泵空調(diào)最佳的區(qū)間了，10℃便可以超過(guò)2.5，節(jié)能效果十分出色。

　　綜上所述，熱泵空調(diào)目前最大問題還是氣溫，對(duì)于寒冷地區(qū)，還是不夠方便，不過(guò)應(yīng)對(duì)一般的北方地區(qū)，對(duì)于續(xù)航的影響必然要小于PTC車型的影響。

　　那么除了系統(tǒng)本身存在的先天性問題，在產(chǎn)品上熱泵也存在一定制約。上文提到過(guò)，熱泵系統(tǒng)由四個(gè)核心零部件組成，分別是：電動(dòng)壓縮機(jī)、四通換向閥、換熱器和電子膨脹閥，其他零部件和傳統(tǒng)空調(diào)相同，但價(jià)格方面卻相差不小。

　　而特斯拉使用了八通換向閥，相比傳統(tǒng)熱泵的四通換向閥價(jià)格更高，因此對(duì)于特斯拉來(lái)說(shuō)可能還要多一部分八通閥的價(jià)格。

『陸』好空調(diào)、格力造，熱泵空調(diào)價(jià)格雖高，但前景廣闊

　　熱泵空調(diào)雖然價(jià)格較高，但好在整體系統(tǒng)方案和零部件供應(yīng)商已經(jīng)成為體系。無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外都已經(jīng)形成較為完善的系統(tǒng)解決方案和零部件產(chǎn)品。

　　國(guó)外以法雷奧、博世、電裝、馬勒等企業(yè)為主。這些國(guó)際品牌占據(jù)了全球55%以上的電動(dòng)車熱管理市場(chǎng)。其中電裝的經(jīng)驗(yàn)尤為豐富，豐田、日產(chǎn)、雷諾的熱泵系統(tǒng)皆來(lái)自于這家企業(yè)。從2013年推出熱泵空調(diào)以來(lái)，它積累了大量經(jīng)驗(yàn)，它的最新產(chǎn)品可以將熱泵空調(diào)應(yīng)用在-10℃的環(huán)境，比2013年的初代產(chǎn)品節(jié)能63%。

　　與國(guó)外供應(yīng)商全套系統(tǒng)方案的提供不同，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商在零部件方面更有優(yōu)勢(shì)，而且已經(jīng)做到了全覆蓋。比如奧特佳、三花智控等，其中奧特佳的電動(dòng)壓縮機(jī)就是特斯拉Model Y熱泵系統(tǒng)的零部件，還有異軍突起的格力。格力曾發(fā)布過(guò)整套的車載熱泵系統(tǒng)，其最低使用溫度可以到-30℃，里面應(yīng)用了一系列格力的最新空調(diào)技術(shù)，這套技術(shù)有望未來(lái)在中國(guó)品牌上搭載。

　　 編輯總結(jié)：續(xù)航短、充電難，一直影響消費(fèi)者購(gòu)買電動(dòng)車的主要因素之一，而熱泵技術(shù)作為為數(shù)不多且現(xiàn)階段可以提升續(xù)航的手段，因?yàn)槠漭^為高額的裝車價(jià)格而被車企忽略，但這次特斯拉的強(qiáng)勢(shì)宣傳以及在熱泵上發(fā)力的舉動(dòng)，必然會(huì)引起其他車企的重視。最重要的是特斯拉將熱泵技術(shù)深入融合開發(fā)的思路以及強(qiáng)大的軟件整合能力一定要充分重視，新勢(shì)力車企或許在造車上還有很多路要走，但在系統(tǒng)整合以及軟件端已經(jīng)走在了前列。（汽車之家 圖/文 冷曉陽(yáng)）