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摘要：在电动汽车领域，冬季动力锂电池系统的保温，驾驶室的加热，车窗去雾除霜，还都是没有完美解决的问题。因为这些问题，使电动汽车在北方寒冷地区的应用推广，遇到了较大的困难。本文通过对现有电动汽车空调制热技术的效能和功耗进行对比，展现了燃料加热器具有的高效节能等诸多良好的特性，及其在新能源汽车空调领域良好的低温制热适應性。
Abstract： In the field of electric vehicles， the thermal insulation of the power lithium battery system， the heating of the cab， the defogging and defrosting of the windows in winter are all problems that have not been solved perfectly. Because of these problems， the application and promotion of electric vehicles in the northern cold areas have encountered insurmountable difficulties. By comparing the efficiency and power consumption of the existing electric vehicle air conditioning heating technology， this paper shows that the fuel heater has many good characteristics such as high efficiency and energy saving， and its heating adaptability in the field of new energy vehicle air conditioning.
关键词：新能源汽车;空调系统;PTC加热器;空调热泵;燃料加热器
Key words： new energy vehicle;air conditioning system;PTC heater;air conditioning heat pump;fuel heater
中图分类号：U471.23 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0208-03
0 引言
近年来，随着环境和能源安全形势日益紧迫，汽车电气化的浪潮迅猛席卷全球。新能源车与传统燃油车最显著的不同是动力系统：由于新能源纯电汽车取消了经典的内燃发动机，导致了空调系统和动力系统方面的热管理技术压力陡然上升，同时电池系统的热管理又是保障目前主流架构电池应用安全的关键屏障。所以，热管理系统是新能源汽车领域里较大的技术成本投入，在不断发展过程中。
新能源汽车热管理系统（以下简称为热管理系统）分为空调系统和热管理系统两个分支，如图1所示。
其中，空调系统包括制冷和制热两个方面。制冷系统目前主流都采用蒸汽压缩制冷方式， R134a/R1234yf 作为制冷剂。由于采用电动压缩机变频技术，COP值可以接近到3.0，制冷能效很好，但是作为热泵应用，-15℃以下会出现非常大的衰减，补气增焓技术虽然能提升制热量，但是导致系统的可靠性难以保证，在北方冬季难以实际应用。
为解决这一问题，目前较为先进的（温室气体效应GWP=1）方案是采用CO2制冷循环技术。利用CO2的良好低温流动性，可实现-20℃低温的热泵制热，能效比较好，但由于CO2制冷循环在45℃以上时候高温制冷能效衰减剧烈 ，制冷能力又有所出现欠缺;并且CO2系统运行压力非常高、产业链配套不成熟，热泵最低适应温度还远不能满足北方冬季气候（-25℃到-35℃），目前距离主流应用还有相当的距离。
为保证电池的续航，以及乘员舱的温度舒适性，制热实际是一个更难于回避的技术问题需要解决。
1 现有制热技术性能分析
目前，电动汽车领域解决冬季制热问题的方案主要有三种：
1.1 采用PTC制热的电动汽车加热技术
PTC电阻加热方式，是目前广泛采用的加热方法。 其有以下优点：结构简单，安装方便、加热效率高，成本较低;但是缺点也非常明显：①耗电量太大。家用汽车日常市区驾驶，所需动力功率基本分布在5kW到20kW之间，乘用车一般采用6kW PTC ，-15℃环境里，应用暖风后综合续航里程下降可达30%以上，续航里程明显降低。②损耗电池寿命。电池的寿命与深度放电的程度有直接关系，如图2所示（文献[2]）。
所以厂家一般建议对锂电池浅充浅放。应用PTC容易产生深度放电，导致电池寿命缩短，间接大幅提高了电池成本;另外，室内空气会比较干燥，舒适体验上不佳。
因此，采用PTC作为暖风加热源，在没有理想的电池出现前，不是最优方案，只可作为辅助方案。
1.2 采用热泵空调制热的电动汽车加热技术
雷诺Zoe及荣威Ei5等电动车采用热泵空调的方案。 热泵空调有如下有特点：制热能效较好，COP可达2.2左右;冷热转换比较方便，可直接利用冷媒空调系统。缺点是：①耗电量较大;不管补气增焓还是CO2制冷剂超临界循环热泵技术，产出5kW的热量，电动压缩机功率至少在2kW以上，依然对续航里程产生较大的不利影响，与PTC一样影响电池寿命。②适用范围有限;由于压缩机在低温工况热衰减严重，在-15℃时，电空调系统产生的热量急剧下降，导致车舱热量不足，因此-20℃以下区域不能使用热泵空调，此方案明显限制了电动汽车的普及范围。
而燃料加热器作为极其省电（5kW液体加热器最大电功率为40W），几乎对电池寿命和行驶里程没有影响的制热方案，对寒区表现出非常好的适应性，奥迪A3、沃尔沃C30的纯电汽车上已有所应用，是目前解决低温制热问题有效的解决手段。
1.3 采用燃料加热器制热的电动汽车加热技术
如图3所示，利用空气涡流和烟气回流结构稳定火焰，采用陶瓷发热体点火塞进行点火雾化的挥发雾化式燃烧方式，可以实现较高的功率密度、紧凑低成本的结构，非常低的噪音，良好低温启动性和极低的排放，使用该技术的燃料加热器在欧洲一直作为节能减排，限制怠速热车的解决手段。关于此类燃烧技术方面可参考引用文献[3-4]。
相比目前采用的PTC电阻发热体加热方式和电动空调的热泵取暖方式，用燃料加热方式制热，应用上有更多优点：
①不损耗电动车电池电量，延长行驶里程;
②加热效率高，可达80%以上。其中燃烧效率90%左右，换热效率90%左右;
③使用温度范围宽，不受地域影响，电动汽车可在零下40度环境里自由应用;
④最节省电能源，5kW燃料加热器电功率仅仅40W，制热耗电比接近其他方式的100倍，因此具有最佳的节电能效;
⑤基本免于维护，不用拆卸清洗，可长时间应用，终身成本低;
⑥制热同传统燃油车暖风效果一样，温度上升迅速，空气舒适不干燥;
⑦噪声低，一米距离60dB以下，驾驶室内难以察觉，静谧舒适;
⑧燃烧技术先进，节省燃料，排放极低。国内标准JB/T8127-2011要求高于歐盟交通部R122-2012的标准，法规对排气成分要求为：CO不大于300PPM，NOX不大于100PPM，HC 不大于5PPM，烟度不大于3Rb。
如果用生物乙醇，还可以大大减少CO、HC、NOX排放。乙醇燃料为中性燃料，是可再生能源，缺点是热值比汽油低。
图4描述了5座乘用车纯电模式下，汽车在-10℃温度工况下20km/h行驶一个小时动力锂电池能耗分析。其中后窗加热、座椅加热、HVAC 方面为150Wh电能消耗，车灯系统为132Wh电能消耗，动力电器件为265Wh电能消耗，电机驱动2.0kWh，采用PTC方案和FOH燃料加热方案进行对比。其中主要区别在于PTC暖风和燃料加热器暖风的电能消耗上，其中PTC电能能耗在2.03kWh，燃料加热器为0.03kWh，由于PTC放电电流比较大，导致蓄电池放电损失增大到150Wh ，也大于应用燃料加热器83Wh接近一倍。综合比较得出：
节省的能耗比=（4.45-2.38）/4.45=0.465
即采用燃料加热器，暖风可减少耗电近47%。实际上，随着车速提高，环境温度更低，比如-25℃环境里，PTC制热耗电要成倍增加，而燃料加热器最大电耗几乎没有增加，此时燃料加热器节省电能方面会更占明显的优势。
实际案例是我们用58kWH动力磷酸铁锂电池乘用车在内蒙古的牙克石冬季-25℃实地测试，用燃料加热器供应室内暖风，在满足全程室内温度24℃的情况下，同样行驶可比PTC制热延长100公里，节能效果非常明显。
2 结语
通过对新能源车现有空调制热技术的能效对比，燃料加热器作为热机电一体化的专属汽车加热部件，在制热速度、低温极限、节能效果、结构以及成本上，更适应寒区电动汽车的制热应用。可以认为，在动力锂电池温度特性和能量密度应用瓶颈完全突破之前，燃料加热器制热不乏是一种比较完善的补充方案，必将为高寒地区新能源汽车的推广应用提供有力的支撑。
参考文献：
[1]王丹东， 陈江平，俞彬彬，施骏业，李万勇，蒋甫政.CO2车用热泵空调系统技术研发及性能提升[J].制冷学报，2018，39（05）：47-52.
[2]Webasto电动汽车暖风系统解决方案Bernd Kuebler Joe Zhou Webasto AG 26 May 2009.
[3]李国莹.平盖平缩口外螺旋进气的挥发雾化式驻车加热器用燃烧器[P].中华人民共和国国家知识产权局，ZL20122187427.3，
2012.
[4]冯伟东，徐文，李国莹.挥发雾化式燃油加热器雾化系统积碳问题的研究[J].河北农机，2016（01）：68-69，71.
[5]JB/T8127-2011，内燃机 燃油加热器[J].中华人民共和国机械行业标准，中华人民共和国工业和信息化部发布ICS 27.020 J 96 备案号：32148—2011.
Abstract： In the field of electric vehicles， the thermal insulation of the power lithium battery system， the heating of the cab， the defogging and defrosting of the windows in winter are all problems that have not been solved perfectly. Because of these problems， the application and promotion of electric vehicles in the northern cold areas have encountered insurmountable difficulties. By comparing the efficiency and power consumption of the existing electric vehicle air conditioning heating technology， this paper shows that the fuel heater has many good characteristics such as high efficiency and energy saving， and its heating adaptability in the field of new energy vehicle air conditioning.
关键词：新能源汽车;空调系统;PTC加热器;空调热泵;燃料加热器
Key words： new energy vehicle;air conditioning system;PTC heater;air conditioning heat pump;fuel heater
中图分类号：U471.23 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0208-03
0 引言
近年来，随着环境和能源安全形势日益紧迫，汽车电气化的浪潮迅猛席卷全球。新能源车与传统燃油车最显著的不同是动力系统：由于新能源纯电汽车取消了经典的内燃发动机，导致了空调系统和动力系统方面的热管理技术压力陡然上升，同时电池系统的热管理又是保障目前主流架构电池应用安全的关键屏障。所以，热管理系统是新能源汽车领域里较大的技术成本投入，在不断发展过程中。
新能源汽车热管理系统（以下简称为热管理系统）分为空调系统和热管理系统两个分支，如图1所示。
其中，空调系统包括制冷和制热两个方面。制冷系统目前主流都采用蒸汽压缩制冷方式， R134a/R1234yf 作为制冷剂。由于采用电动压缩机变频技术，COP值可以接近到3.0，制冷能效很好，但是作为热泵应用，-15℃以下会出现非常大的衰减，补气增焓技术虽然能提升制热量，但是导致系统的可靠性难以保证，在北方冬季难以实际应用。
为解决这一问题，目前较为先进的（温室气体效应GWP=1）方案是采用CO2制冷循环技术。利用CO2的良好低温流动性，可实现-20℃低温的热泵制热，能效比较好，但由于CO2制冷循环在45℃以上时候高温制冷能效衰减剧烈 ，制冷能力又有所出现欠缺;并且CO2系统运行压力非常高、产业链配套不成熟，热泵最低适应温度还远不能满足北方冬季气候（-25℃到-35℃），目前距离主流应用还有相当的距离。
为保证电池的续航，以及乘员舱的温度舒适性，制热实际是一个更难于回避的技术问题需要解决。
1 现有制热技术性能分析
目前，电动汽车领域解决冬季制热问题的方案主要有三种：
1.1 采用PTC制热的电动汽车加热技术
PTC电阻加热方式，是目前广泛采用的加热方法。 其有以下优点：结构简单，安装方便、加热效率高，成本较低;但是缺点也非常明显：①耗电量太大。家用汽车日常市区驾驶，所需动力功率基本分布在5kW到20kW之间，乘用车一般采用6kW PTC ，-15℃环境里，应用暖风后综合续航里程下降可达30%以上，续航里程明显降低。②损耗电池寿命。电池的寿命与深度放电的程度有直接关系，如图2所示（文献[2]）。
所以厂家一般建议对锂电池浅充浅放。应用PTC容易产生深度放电，导致电池寿命缩短，间接大幅提高了电池成本;另外，室内空气会比较干燥，舒适体验上不佳。
因此，采用PTC作为暖风加热源，在没有理想的电池出现前，不是最优方案，只可作为辅助方案。
1.2 采用热泵空调制热的电动汽车加热技术
雷诺Zoe及荣威Ei5等电动车采用热泵空调的方案。 热泵空调有如下有特点：制热能效较好，COP可达2.2左右;冷热转换比较方便，可直接利用冷媒空调系统。缺点是：①耗电量较大;不管补气增焓还是CO2制冷剂超临界循环热泵技术，产出5kW的热量，电动压缩机功率至少在2kW以上，依然对续航里程产生较大的不利影响，与PTC一样影响电池寿命。②适用范围有限;由于压缩机在低温工况热衰减严重，在-15℃时，电空调系统产生的热量急剧下降，导致车舱热量不足，因此-20℃以下区域不能使用热泵空调，此方案明显限制了电动汽车的普及范围。
而燃料加热器作为极其省电（5kW液体加热器最大电功率为40W），几乎对电池寿命和行驶里程没有影响的制热方案，对寒区表现出非常好的适应性，奥迪A3、沃尔沃C30的纯电汽车上已有所应用，是目前解决低温制热问题有效的解决手段。
1.3 采用燃料加热器制热的电动汽车加热技术
如图3所示，利用空气涡流和烟气回流结构稳定火焰，采用陶瓷发热体点火塞进行点火雾化的挥发雾化式燃烧方式，可以实现较高的功率密度、紧凑低成本的结构，非常低的噪音，良好低温启动性和极低的排放，使用该技术的燃料加热器在欧洲一直作为节能减排，限制怠速热车的解决手段。关于此类燃烧技术方面可参考引用文献[3-4]。
相比目前采用的PTC电阻发热体加热方式和电动空调的热泵取暖方式，用燃料加热方式制热，应用上有更多优点：
①不损耗电动车电池电量，延长行驶里程;
②加热效率高，可达80%以上。其中燃烧效率90%左右，换热效率90%左右;
③使用温度范围宽，不受地域影响，电动汽车可在零下40度环境里自由应用;
④最节省电能源，5kW燃料加热器电功率仅仅40W，制热耗电比接近其他方式的100倍，因此具有最佳的节电能效;
⑤基本免于维护，不用拆卸清洗，可长时间应用，终身成本低;
⑥制热同传统燃油车暖风效果一样，温度上升迅速，空气舒适不干燥;
⑦噪声低，一米距离60dB以下，驾驶室内难以察觉，静谧舒适;
⑧燃烧技术先进，节省燃料，排放极低。国内标准JB/T8127-2011要求高于歐盟交通部R122-2012的标准，法规对排气成分要求为：CO不大于300PPM，NOX不大于100PPM，HC 不大于5PPM，烟度不大于3Rb。
如果用生物乙醇，还可以大大减少CO、HC、NOX排放。乙醇燃料为中性燃料，是可再生能源，缺点是热值比汽油低。
图4描述了5座乘用车纯电模式下，汽车在-10℃温度工况下20km/h行驶一个小时动力锂电池能耗分析。其中后窗加热、座椅加热、HVAC 方面为150Wh电能消耗，车灯系统为132Wh电能消耗，动力电器件为265Wh电能消耗，电机驱动2.0kWh，采用PTC方案和FOH燃料加热方案进行对比。其中主要区别在于PTC暖风和燃料加热器暖风的电能消耗上，其中PTC电能能耗在2.03kWh，燃料加热器为0.03kWh，由于PTC放电电流比较大，导致蓄电池放电损失增大到150Wh ，也大于应用燃料加热器83Wh接近一倍。综合比较得出：
节省的能耗比=（4.45-2.38）/4.45=0.465
即采用燃料加热器，暖风可减少耗电近47%。实际上，随着车速提高，环境温度更低，比如-25℃环境里，PTC制热耗电要成倍增加，而燃料加热器最大电耗几乎没有增加，此时燃料加热器节省电能方面会更占明显的优势。
实际案例是我们用58kWH动力磷酸铁锂电池乘用车在内蒙古的牙克石冬季-25℃实地测试，用燃料加热器供应室内暖风，在满足全程室内温度24℃的情况下，同样行驶可比PTC制热延长100公里，节能效果非常明显。
2 结语
通过对新能源车现有空调制热技术的能效对比，燃料加热器作为热机电一体化的专属汽车加热部件，在制热速度、低温极限、节能效果、结构以及成本上，更适应寒区电动汽车的制热应用。可以认为，在动力锂电池温度特性和能量密度应用瓶颈完全突破之前，燃料加热器制热不乏是一种比较完善的补充方案，必将为高寒地区新能源汽车的推广应用提供有力的支撑。
参考文献：
[1]王丹东， 陈江平，俞彬彬，施骏业，李万勇，蒋甫政.CO2车用热泵空调系统技术研发及性能提升[J].制冷学报，2018，39（05）：47-52.
[2]Webasto电动汽车暖风系统解决方案Bernd Kuebler Joe Zhou Webasto AG 26 May 2009.
[3]李国莹.平盖平缩口外螺旋进气的挥发雾化式驻车加热器用燃烧器[P].中华人民共和国国家知识产权局，ZL20122187427.3，
2012.
[4]冯伟东，徐文，李国莹.挥发雾化式燃油加热器雾化系统积碳问题的研究[J].河北农机，2016（01）：68-69，71.
[5]JB/T8127-2011，内燃机 燃油加热器[J].中华人民共和国机械行业标准，中华人民共和国工业和信息化部发布ICS 27.020 J 96 备案号：32148—2011.