如何降低车用空调对电动汽车续航里程的影响研究

为了降低车辆空调系统对续航里程的影响，起亚的 Soul 纯电动车采用了一系列设计，包括增加一款热泵等。（图片来源：起亚）

无论是冬季的车舱取暖，还是夏季的空调制冷，都将给电动汽车宝贵的电池资源带来巨大负担，严重影响车辆的续航里程，有时比例甚至高达50-60％，这大大增加了纯电动车成本降低的难度。

为了解决这一问题，很多研发车辆已经采用了很多先进创新系统，但这会同时极大地增加车辆的复杂度并提升成本。最近，两位演讲嘉宾在SAE WCX 2018 大会上向现场观众介绍了一些成本效益更佳、复杂程度更低的替代解决方案。

第一种方法是提升热存储能力，确保车辆的续航里程不会因为车上人员的取暖需求而受到影响；第二种则是在温暖和寒冷的气候条件下，减轻车辆的空调负荷——这可以在使用更小电池的情况下更快达到舒适温度，或用现有电池延长里程。



起亚Soul 纯电动车经过改进，增加了一个电动加热器内核、一个用于插电预准备阶段的内置式加热器内核，以及一个可以在预准备阶段产生的热量耗尽时回收废热的电路系统。LTR 低温散热器可以在炎热天气下协助电机/电子系统的冷却。

加强储热系统

如果不考虑成本和车辆尺寸，增加电池组容量的确是一种无需牺牲车舱舒适性，也能保障里程的方法，而另一种方法是安装热泵系统。目前，丰田 Prius Prime 插电式混合动力汽车即采用了一套复杂的热泵系统。通过配备一套液气分离回路，丰田热泵的工作温度最低可达-10°C（14°F），而普通汽车热泵的最低工作温度大约只有0°C（32°F）左右，这是由于随着环境温度的下降，制冷剂的质量流率也会随之下降。Prime 将作为这种热泵解决方案的技术测试平台，即使电池组的电量耗尽，Prius 的汽油发动机也可以为车舱供暖提供能量。

目前，Hanon Systems 正在与现代起亚美国技术中心和美国能源部的国家可再生能源实验室（NREL）开展合作项目，其中2015 款起亚 Soul 纯电动汽车被选为研究对象。简单介绍，Soul 是一款用于日常通勤和市内驾驶的纯电动汽车，正常情况下的续航里程在 75 到 100 英里（120 到 160 公里）之间，但在炎热的夏季和寒冷的冬季会大幅缩短。



这张柱形图展示了HVAC 系统在三种寒冷气候条件下短途行驶中的能耗情况。尽管，“HP（热泵）+TS（热存储）”的整体耗能最低，但在有需要时，“TS（热存储）+PTC”的效果优于单独使用“HP（热泵）”的效果。

在 WCX – SAE 2018全球汽车年会的演讲中，Hanon 公司技术研究员 John J.Meyer 博士指出，为了最大化续航里程，除了采用了传统的 PTC 加热器，Soul 纯电动汽车似乎已经“无所不用其极”，具体措施包括采用了原装热泵、气候控制座椅、加热方向盘、车舱预处理（加热或冷却）、部分再循环 A/C、双区和单区 HVAC、Eco 电动驾驶模式及风冷式电池组等。这种情况下，Meyer 博士的研究重点将集中在增加储热容量方面。

Meyer 指出，Soul 电动汽车采用的热泵设计可以将取暖造成的损失里程恢复30-40%，但车辆仍然仅能实现 60% 的续航里程。对于一辆总续航里程只有 100 公里的电动汽车而言，这意味着车辆的实际续航里程只有60 英里。然而，由于热泵电路将拉升车辆成本，提高复杂性和封装难度，并增加制冷剂的使用量，因此可能并不是最好的解决方案。目前，美国市场中少数配备热泵的车辆均使用了 R-134a 制冷剂，显然是由于这种制冷剂的价格低廉，不及 R-1234yf 制冷剂的 10%。

如果增加热泵回路，并配备配套的热交换器、复杂流路和管道，最终的制冷剂需求可能增加近一倍。与没有采用热泵系统的车辆（19 盎司，即 550 克）相比，Soul 电动汽车的制冷剂使用量为33 盎司（900 克）。让形势更为严峻的是，按照美国环境保护局（EPA）的计划，美国将在 2021 年前全面禁止R-134a 制冷剂在新车上的应用，这将势必进一步增加热泵解决方案的成本。

如果不考虑增加的成本和对制冷剂的额外需求，热泵系统对纯电动汽车续航里程的优化效果最好。但是Hanon、起亚现代和NREL 的合作研究显示，这种“传统智慧”并不一定适用于通勤或市内驾驶等典型驾驶场景对续航里程的需求。

Hanon 公司为 Soul 电动汽车添加了两个采用可连接阀门的乙二醇冷却剂回路，每条回路配备一款热交换器，总流体容量为 2L（0.5 加仑）。一套热交换器系统包含一个 1500 瓦的电加热器，也可以为车内的预处理加热器内核产生热源。车辆行驶期间，电力输送将关闭掉，取暖系统将使用储存的热量，并额外收集来自电机和电子电路的废热——当储存的热量消耗完毕后，这个热源也可以继续发挥作用。

Meyer 博士表示，一般短距离纯电动汽车的续航里程为 40 分钟，也就是大约 50 公里（30 英里）左右。Soul 电动汽车还经过了EPA UDDS （城市周期）循环的三轮风洞测试，车辆在进行测试前将在电池充电过程进行预处理，且暖通空调设置为 22°C（72°F），三轮风洞测试的温度设置分别为 5°C（41°F）、-5°C（23°F）和 -18°C（0°F）。

在所有三轮测试中，“单独使用热泵”比“使用带有储热系统的 PTC 加热器”耗能更高。测试结果表明，只有与热储存系统结合使用时，热泵才能体现自己的优势。而对于对价格十分敏感的短程纯电动汽车而言，带有 PTC 加热器的热存储系统似乎是效率与成本效益的最佳组合。对于续航里程更长的电动汽车而言，虽然数据尚未全部完备，但纯热泵解决方案很可能更具优势。



现代索纳塔的插电式电动汽车采用了一系列降低车辆热负载的功能。

降低热负荷

研究员 Jason Lustbader 解释说，NREL 的“气候控制系统热负荷降低项目”旨在在夏季高温和冬季严寒期间，平均增加 20％的电驱动续航里程。这个项目的目标更加宽泛，不单单包括“Soul 纯电动汽车研究项目”试图解决的短距离纯电动汽车（75 到 100英里）的续航里程损失问题。

NREL 项目选择了两辆相同的插电式混合动力车(PHEV) 为测试对象。项目的第一阶段（已完成）主要对相关技术进行建模，并记录其表观数据；第二阶段则主要将这些技术应用至现代索纳塔插电式混合电动汽车，并针对EPA 城市/高速公路行驶循环，进行真实工况测试。

NREL 项目使用了两辆索纳塔插电式混合动力汽车：一辆未经任何改进，另一辆则采用了一套特殊的热处理系统，包括Pittsburgh Plate Glass 公司提供的电加热挡风玻璃、太阳能反射玻璃和太阳能反射涂料，以及Gentherm 公司为驾驶员座位四周的加热表面材料、车门玻璃除霜器和温控座椅。测试证明，特殊座椅、玻璃和涂料都会影响车辆的取暖和供冷效果。

NREL 项目已经在 2017 年 2 月底在阿拉斯加的费尔班克斯进行了冬季测试，环境高气温为 -7°C（20°F）。夏季测试则在加利福尼亚州的莫哈维市进行，环境温度在 38 - 50°C（99-122°F）之间。



索纳塔的挡风窗使用了电动除霜器，耗电量低于传统除霜器。

在阿拉斯加进行的冬季测试中，NREL 对车辆的挡风玻璃进行了客观的数据测量。测试结果显示，电加热设备可在 6 分钟内完成去冰，耗电量为 0.1 度。对比之下，传统的除霜器则需要 19 分钟，且耗电量为 2.6 度。

舒适度测量则更加主观，主要反映乘客提供的感受报告。研究人员指出，由于可以用较低能量输入达到舒适水平，因此驾驶员和乘客都可以调低暖气和空调的设定值。在寒冷天气测试中，改进款索纳塔在 15 分钟内即达到了舒适水平，而原版索纳塔则需要 29 分钟。



NREL 循环测试结果显示，现代索纳塔的改进空调系统可以降低负载，并更快达到舒适温度。

此外，这两款索纳塔还分别在位于美国加利福尼亚州 Mohave 市的现代美国技术中心完成了纯电动驾驶测试。与原装版本相比，改进版索纳塔的续航里程增加了11.4%，空调耗能降低了23.7%。

另外，改进版索纳塔还在其他一系列测试项目（包括气候室测试）中显示出更大的优势，比如可以更快达到舒适水平；NREL 将利用其在早期测试和研究中积累的模拟和区域气候数据，预测该系统在全美不同地区可以取得的性能改善水平。NREL 认为，与 Hanon Systems 开展的项目一样，这个项目也证实了我们可以通过一些更具成本效益的气候控制策略，极大地减轻空调系统对电动汽车电池带来的负担，进而帮助一些小型纯电动车更好地满足消费者的日常驾驶需求。