冬季纯电动汽车续航里程下降原因及提升方法解析
纯电动汽车在冬季续行里程会变短，这是目前实际应用中的最大问题。北方气温低于零度时尤其如此，此时续航里程会大幅降低，对车辆使用产生直接影响。低温环境下，蓄电池的充放电能力会严重下降，致使续行里程大幅缩水。如果对蓄电池进行加热，让蓄电池维持在最佳工作温度区间，就能使车辆续航里程得到提升。影响续行里程变化量的因素主要有行驶车速和环境温度。车辆行驶时速大于 60km 时，速度越高耗能越多。环境温度处于零度以下时，温度越低耗能越高。气温在－10℃时，车辆续行里程相较于气温 22℃时会降低近一半，这其中很大一部分原因是车内加热消耗了较多电能。现代纯电动汽车的热管理系统很重要。很多车都对热管理极为重视。尤其是在冬季，与普通的纯电动汽车相比，优秀的热管理系统能够增加 15％到 18％的续行里程。
冬季纯电动汽车
PTC加热和热泵加热
纯电动汽车在低温环境下，驾驶乘坐室需要空调制热，同时动力电池也需要加温。这两者加起来会导致用电量大幅增加，进而使续行能力大幅缩减。为纯电动汽车加热有两种方式，其一为使用 PTC 热敏元件（图 1），通电后它能吹出热风或加热循环水来进行加热，然而其缺点是会极度消耗电能，几乎一半的电量都用于制热，这使得冬季的续行里程变得更糟，快速且极度地变短。一种方式是运用“热泵”技术，热泵自身不会生成热量，却能够把车外的热量搬运至车内用于取暖，能大大提升动力电池的温度，这是当下纯电动汽车普遍追寻的方式。
图1PTC加热元件外形图
PTC“正温度系数电阻”，它是以钛酸钡掺合微量稀土元素作为原料，通过烧结而制成的加热器件。PTC 发热体是由具有 PTC 特性的陶瓷与金属铝管共同构成的。PTC 加热元件具有换热效率高以及省电的优点。普通加热器件与之相比，其突出优点在于：通电加热到达设定的“居里”点温度后，PTC 的电阻会急剧增大，这样能使恒温区的功耗不再增大，比较节省电能。并且它还有安全性能好的特点，在通电加热的任何应用情况下，PTC 都不会让加热器产生“发红”的现象，不会引发烫伤和火灾的安全隐患。
纯电动汽车的 PTC 元件耗用的电功率通常能达到 6kW 左右。其中，给车内加热吹热风大概会耗用 2 - 3kW 的功率，而 PTC 给循环水加热则需要 4 - 6kW 左右。这样一来，PTC 耗电会使续航里程较大幅度地减少。以典型的纯纯电动汽车为例，其动力电池带电量为 35 度，续航里程大概是 300 千米。冬天在城市中以约 30 千米每小时的车速行驶时，如果 PTC 加热需消耗大于 2 千瓦的电功率，续航里程就会缩减 90 千米，相比正常行驶减少了 30%，此时续航里程大约只有 210 千米。传统 PTC 是以 12V 低压来进行供电的。为了提升 PTC 的发热效率，现在有高电压的 PTC 元件。像大众 GTE 高尔夫车型的纯电动汽车，就采用高电压供电让 PTC 发热（图 2）。
图2 使用PTC加热与续航里程的关系
“热泵”技术缓解
冬天续行里程变短问题
泵可将车外低温空气中的热量“泵”至相对高温的乘座室内，热泵技术能有效解决纯电动汽车冬季续行里程变短的问题。冬季使用热泵空调制热时，相较于使用 PTC 制热，能耗能降低 60%，续行里程可增加约 25％。比亚迪公司在 2021 年宣布，安装热泵已成为纯电动汽车的“标配”，在冬季至少能提升 10%的续行里程。
利用空调的“逆卡诺”循环，能够把外界环境空气中的大量热量搬运并“泵”进纯电动汽车内，使其成为“热泵”。传统空调的制冷原理是，借助制冷剂的物态变化，当制冷剂从气态变为液态时会散发热量，而从液态变为气态时则会吸热。蒸发器吸热使局部空气温度降低，鼓风机将冷风吹入乘坐室内，这就是冷空调的原理。
所谓逆卡诺循环与传统空调制冷原理相反，这种循环可用于车内制热。通过一个“N 通电磁换向阀”，能够实现制冷循环或者制热循环，从而让车内获得冷气或热气。依据基本的分子物理热力学原理，气态分子的能量比液态分子的能量要大。空调制冷剂在循环过程中，高温高压气体在冷凝器里会液化成高压液体，此过程会释放出大量热量，这便是热泵放热的原理。冬天通过换向阀能改变空调制冷剂的流向，这样能让蒸发器在反向循环中充当冷凝器来放热，从而形成“热源”。在这种情况下，只需消耗小部分电能，就能将外界的大量热量搬运“泵”进纯电动汽车内，使其成为热泵。如图 3 所示，通过使用四管道的电磁换向阀，能够让制冷剂形成顺向循环或者逆向循环。这样一来，就可以达到制冷或者制热的不同目的。
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图3用电磁换向阀的制冷或制热原理图
市场上售卖的“空气能热水器”，是通过利用蒸发器变成“热泵”来制取热水的。在图 4 中可以看到，热水器主机里的蒸发器作为热交换器，能够从环境空气中吸收热量，对“低沸点”的制冷剂也就是冷媒进行加热，促使其从液态转变为气态，这就是在蒸发过程中吸收环境空气中热量的过程。
图4“逆卡诺”循环获得能量大于耗能
制冷剂从压缩机获得动能，从低温低压气态变为高温高压气态，接着进入冷凝器的水箱，使制冷剂冷凝液化，此过程会把产生的热量释放到水中。制冷剂经膨胀阀节流降压后，进入室外的热交换器也就是蒸发器，然后进入下一个循环。热量不断进入水箱，把水加热后流向外部的热水储罐。热水器的水温通常设定在 45 至 55℃。温度若高于 55℃，就会自动停止加热。温度若低于 45℃，就会自动开始加热，以此让水温维持在 55℃左右。
零下几十度的空气是否有热量呢？依据热力学原理，气体分子的能量通常比液体分子的能量大。室外极为寒冷的空气是由大量气体分子构成的，所以会具有动能。把能量搬运到车内，也就是把热能泵入车内，即便空气处于零下几十度，依然存有能量，有能量就能够被“搬进”车内，从而给动力电池加热。当然，在温度过低的时候，热泵的效率也会降低。
采取“热泵”时，其制热能效比 COP 远大于 1。“制热能效比 COP”指的是空调将制冷循环所产生的冷量与制冷所耗电功率的比，或者是将制热循环所产生的热量与制热所耗电功率的比，这被称为 COP 值。PTC 属于电加热器，电流通过 PTC 会产生热量，1kW 电量最多能产生 1kW 热量，所以 PTC 的制热能效比 COP 值不超过 1。热泵空调利用低沸点的制冷剂，能将环境中的热量带入车内。车内得到的热量由两部分组成，一部分是消耗的电能，另一部分是吸收的低位热能。正因如此，热泵的制热能效比，也就是 COP 值必定大于 1。
冷媒在“逆卡诺”循环期间，消耗的仅是驱动压缩机的电机以及风机运转所需要的电能。压缩机把低温低压的气态冷媒提升为高温高压气态，从而促使制冷剂开始循环流动。当制冷剂循环流动到蒸发器时，会发生物态变化，在制冷剂由液态转变为气态的过程中，会吸收外界环境空气中的大量热量。环境气温可能会很低，甚至达到零下温度。但从热力学的角度来讲，只要温度还没有达到零下 273℃的绝对零度，那么外界的空气就始终是拥有能量的。
冷媒在冷凝器中放出的热量，即从热泵获取的热量 Q 获，应当是驱动压缩机所耗电能 Q 电与从蒸发器吸入环境空气中的能量 Q 空之和。从热泵获取的热量 Q 获，能够达到耗电 Q 电的五倍。存在以下公式：获取能量 Q 获等于消耗电能 Q 电加上从环境空气中吸入能量 Q 空。
“直接式”热泵能够提升制热能效。传统热泵技术存在不足，即当环境温度低于－10℃时，传统热泵的制热效率会变低。热泵在制热时，换热器充当蒸发器，需要吸收环境的热量（如图 5 所示）。当车外温度很低，或者蒸发温度与环境温度接近时，换热器无法有效从外界吸收热量，从而导致热泵系统效率下降。当车外空气温度低且湿度较大时，空气中的水分会在换热器表面形成霜。这样一来，就无法从环境中有效地吸入热量，进而导致热泵系统不能继续制热。传统的解决办法是让热泵与 PTC 加热共同使用。当环境温度过低，热泵无法工作时，就会启动 PTC 作为备用热源。然而，这样做会大幅影响续行里程。
图5直接式热泵将热风吹进车内
我国吉利车系的“领克”纯电动汽车推出的热管理系统较为先进。它采用直接式热泵技术，即热泵产生的热量不通过水的中间介质，而是直接将热风吹进车内来加热动力电池，这样制热效果更理想。同时，该热管理系统还使用更优质、更低温的制冷剂，采用冷媒的直接供热技术，相比普通热泵，热效率提升了 10%。领克纯电动汽车的热管理系统，与传统 PTC 模式相比，以及和普通的热泵模式相比，能够在零下 30℃的极寒环境下，把动力电池舱的温度提升到 15 到 20℃的正常工作温度，进而提高动力电池释放电能的能力。
利用纯电动汽车的
“余热”提高热效率
纯电动汽车大功率驱动电机的功率可达 100kW 及以上，变频器内部的绝缘栅双极型场效应 IGBT 管，在运行时会产生可观热量，这些都需要专门的液压系统来进行冷却（图 6）。
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图6驱动电机的冷却液管道
如果能够利用上述部件产生的“余热”，做到对热量尽可能地“能用则用”，那么空调冬天制热的能耗将会进一步降低。
直接热泵的效果显著，同时采用余热加热方式。这种余热加热方式（图 7）是利用驱动电机及变频器冷却液的余热。采用先进的直接式热泵技术并加上余热加热方式，能够较大幅度地提升车辆的续行里程。
图7余热对电池包的加温循环图
领克纯电动汽车采用热泵的直接冷媒加热方式，与使用单一 PTC 的加热模式车型不同。它不再通过水的中间介质，在冬季能提升车辆的续行里程约 80km，并且用于电池热管理的能耗减少了 50%，冬季“热车”的效率也更高。
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