汽车热泵产生的效益可以弥补成本?热泵投资回报案例分析

热泵让车辆的气候控制系统的成本上升了50%，但是捷豹最新车型和电动校车的应用案例表明，如果能改善设计，热泵产生的效益完全可以弥补这些额外成本。

气温低时，搭载了热泵的纯电动汽车是否能以合理的系统成本，既减少显著的能量损失，又保持座舱的舒适温暖呢？这个问题在2018年SAE热管理系统研讨会上引发了热烈讨论。尽管针对量产纯电动车型的有效解决方案尚未成型，但纯电动汽车的热管理已经取得了重大进步。

如果采用目前通行的热敏电阻（PTC）加热的方法，纯电动汽车的续航里程在冬季会缩水大约40%。对此，车企普遍表示不满。根据Hanon Systems在2017年所做的测试，按照50公里通勤距离和30分钟通勤时间算，如果座舱已经预热完毕，那么一个简易的制冷剂循环余热收集回路从电子元件、电机和电池包中采集的热量，对座舱制热而言已经足够了。

Hanon的研究表明，这种回路设计的经济效益和效率都远远高出热泵。尽管如此，随着续航里程更长的纯电动汽车进入市场，热泵还是会占有一席之地。尤其是对于将由柴油转为电力驱动的校车而言，热泵比制冷剂回路更为合适。

在Jaguar I-Pace中，该图表显示了热泵冷却操作的优势，包括四区和双区（下方的虚线）。

蒸气注入法

捷豹将于2019年推出的全新I-Pace四驱车型在瑞典阿尔耶普卢格的冬季测试中排名第一，该款车型搭载了一个90千瓦时的电池包，额定续航里程高达240分钟/384公里。和日产聆风相比，I-Pace着眼于高端市场，定价更加灵活。据称，该款纯电动车型在极寒天气下的续航里程几乎不会衰减，其采用的热泵系统也融入了多项创新设计。

作为此次SAE热管理研讨会的演讲嘉宾之一，捷豹路虎热管理工程师Nilabza Dutta在报告中指出，虽然I-Pace的HVAC系统增加了“30%-50%”的成本，但如果通过增大电池包的尺寸来弥补使用热敏电阻造成的续航里程损失，成本将上升150-450%，除此之外，电池的充电还将产生80%到300%的额外成本。

因此，捷豹I-Pace选用了热泵系统，并大力对其进行了优化。首先，HVAC的空气分配有三种模式：仅驾驶座、驾驶座加副驾、前排加后排。其次，还部署了吸收电子器件热量的制冷剂回路。为了实现最佳制热性能，I-Pace搭载了一个注气式HVAC热泵系统，不过该系统并不包含目前很多纯电动车型所采用的油门启动式再生制动系统。

去年，电装在普锐斯Prime插电式混合动力车型上引入了注气式热泵，其中包含一个液气分离器。这种从商用热泵系统中借鉴而来的设计，在低温条件下往压缩机里注入热蒸气产热，有效克服了热泵在气温低至0℃/32℉时因为制冷剂的质量流率降低而失效的问题。

丰田称，Prime的最低工作温度是14℉/-10℃。Dutta表示，搭载了吸热回路的I-Pace系统可以回收高达4.5 千瓦的能量。他在研讨会上指出，I-Pace的吸热回路的功率为0.3千瓦，在0℃（32℉）时，可以从电子器件和电机中分别收集2.5 千瓦和1.9千瓦的能量，净收益总共为3.8千瓦。当气温降到-8℃(18℉)时，制冷剂回路系统也可以收集3.5千瓦的能量。

Hanon的研究表明，捷豹I-Pace的座舱预热的作用已然十分显著。如果没有座舱预热，热泵系统只能节约17%的能量。有了座舱预热后，节能效果高达83%。就算关闭热泵，搭载了座舱预热的I-Pace依然能节约49%的能量。其续航里程效益更是令人惊叹：在零下10℃到0℃（14-32℉）的条件下可以增加30-45公里（18-27公里）。

此外，为了优化续航里程，I-Pace还具备电池控制模块的空中升级软件性能。升级软件和所有Alexa语音控制设备兼容，还能升级车载娱乐系统。

Emerson提出的电动校车将使用两个独立的热泵系统，全年为车厢提供舒适的环境。(ECT)

校车热泵项目

一年中最热的几个月，学校通常是在放暑假，因此校车座舱设计一般重点关注寒冷天气下的制热问题，制热部件一般放置在座椅、驾驶员和阶梯下方。在热能管理研讨会上，来自艾默生环境优化技术有限公司的Shawn Vehr表示，有些地区的校车的A/C装配率大约只有25%。

如果要在校车上部署制冷剂回路，那就要从车头绕到车尾，线路会拉得很长，这也是为什么很多校车没有安装A/C系统。不过，尽管以柴油驱动的校车仍占主导，很多汽车制造商也在着手研发电动校车。对此，Vehr提议采用四季通用的双电动密闭式注气热泵组件。

在3.5℉（零下15.8℃）的高性能测试中，Emerson图表显示校车热泵依然达到标准冷却需求。

Vehr表示，根据台架测试结果，对于一辆搭载了600伏特、440千瓦时的电池包的电动客车而言，如果单独使用热敏电阻加热，续航里程会从原先的305英里/488公里降到177英里/283公里，而如果搭载了注气热泵系统，续航里程可以维持在230到257英里/368-411公里之间。

该热泵系统可以按照美国国家运输安全委员会（NTSB）的标准，把座舱的温度从0℉提高到68℉（-18℃到20℃）。根据NTSB的规定，热泵系统应该在30分钟内将环境温度从80℉加热到100℉（27℃到38℃），这比NTSB的降温标准宽松一些。