Tech Talk｜电车空调的暖风从哪里来？

相信大家对于空调这个“救命神器”早已了熟于心。比较有经验的燃油车用户朋友应该也知道，冬季行车时，即使不打开空调，座舱里也能吹进热风。那么大家有没有思考过，这个热风是从哪儿来的？电动车空调的运作原理，与燃油车一样吗？

本期的Tech Talk，我们邀请到了蔚来座舱热管理工程师Limin.姜，和大家分享燃油车与电动车座舱空调方面的小知识，并与大家聊聊蔚来车型在冬季座舱体验背后的技术。

在进入正式话题前，我们需要先理解两个核心概念，它们是本次探讨的理论基础：

• 概念1：世界上只有热量，没有冷量，热量（能量）的总量保持不变。制冷不是把冷量搬进一个空间，而是把空间内的热量搬出来，制热则相反。

• 概念2：根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体转移到高温物体（不受外力条件下，热量可从高温物体传递至低温物体）。

理解了以上两个概念，我们就能推导出感知冷热背后的原理——冷与热不是人体感受到的温度，而是人体对身体热量得失的感知。

1902年，为了降低印刷厂湿热空气对印刷质量的影响，美国工程师威利斯·开利（Willis Carrier）发明了首台电力空调设备，并在随后创造了术语“air-conditioning”（空调），他因此被誉为“空调之父”。1925年，第一台民用空调同样由开利发明并安装在纽约里沃利大剧院（Rivoli Theatre）。

首台电力空调示意图/里沃利大剧院空调广告

下图可大致了解空调制冷/制热的原理，以制热为例：液态的制冷剂在室外转换器中吸热并蒸发为气体，携带热量的气体进入压缩机，通过加压进一步提高温度；高温高压的气态制冷剂进入温度低、压强小的室内转换器，液化释放热量后回到室外转换器。利用制冷剂状态、压力变化进行吸放热循环，就是空调调节温度的物理原理。

空调不能创造热量，它是热量的搬运工。在夏天，它将空间内的热量搬运到空间外，在冬天则将空间外的热量搬运到空间内。根据概念1可推得，冬季空调制热需要有另一个热源来提供热量。那么汽车空调的热源从哪里来呢？

汽油车空调的暖风从哪里来？

车载空调的循环原理与家用空调一致，在夏季它们都将车内热量移出座舱，而在冬季，燃油车空调的制热原理则是“废热利用” ——将发动机余热导入座舱。

汽车行业中经常用“热效率”来评估一台发动机是否高效，发动机热效率是指发动机有效功率的热当量与单位时间消耗燃料所含热量的比值。发动机消耗燃料同时产生动力与热量，有效动力驱动车辆运动，热量通过冷却系统进入空气。内燃机热效率多在30%-50%，而电动机的能量转化效率已经达到90%左右。

于是早在制冷功能进入汽车以前，1925年，利用发动机余热为座舱取暖的设备装配上车，它被视为车载空调的雏形。1954年，第一台搭载兼具制冷与制热功能空调的汽车在北美面世，并在此后发展出我们熟悉的车窗除雾、分区调温、自动控温等功能。

电动机将电能转化为机械能的效率极高，工作时额外产生的热量远不足以满足座舱在冬季的取暖需求，需要另寻热源，这就引出了我们今天的主角——热泵空调。

电动车为何需要热泵空调？

热泵的命名借用了我们更熟悉的水泵概念——水泵将水从低处运至高处，热泵则将热量从低温区运至高温区。它们都在遵循自然规律的基础上，借助外部力量实现能量的逆向循环。

上文提到电动车的电机效率远高于内燃机，蔚来车型上装配的永磁同步电机效率更是能达到97%。为满足冬季取暖，工程师设计了两套解决方案——PTC（Positive Temperature Coefficient 空气加热器）、热泵空调。

PTC所需的热量由电流通过电阻时产生。它的优势是制热快、不受环境温度的影响。但由于能量守恒，产生1单位的热量至少需要1单位的能量（电量）。

热泵所需的热量搬运自其它热源，它的优势是能同时收集车外空气、电机、电控等处产生的热量，通过冷却剂的循环将热量送入车内，运送1单位热量只需要不到0.5单位的能量（电量）。

PTC在制热效率、适用温度范围方面都有明显优势，但较低的制热能效比（1单位能量转化为热量的比例）需要消耗更多电量，对电动车续航有更明显的影响。而热泵与PTC相比，制热能效比要高2-3倍，能将更多电量用于车辆行驶。

对于电动车来说，续航表现至关重要。因此，能耗更低的热泵空调自然不能缺席。但这样就够了吗？如何让冬季的座舱体感更舒适？蔚来给出了一套“组合拳”解决方案：热泵+PTC。

如何让热泵扬长避短？

目前，蔚来全系在售车型都已经标配了热泵系统，并搭配PTC及其它功能，实现更高制热效率。

以旗舰轿车ET7为例，其标配的PTC+热泵空调+主动空气格栅，能在满足快速制热、除霜基础上，在制热效率、续航能耗间取得更好的平衡。当启动ET7上的空调制热功能时，热泵满功率输出，PTC则凭借更快的加热速度作为补充；同时，当车窗需要紧急除霜时（空气中的水蒸气在车窗表面凝结，北方用户在冬季更可能遇到），PTC能快速的输出热风完成除霜。

随着车内温度逐渐接近空调温度设定值，PTC会逐渐降低功率直至关闭，此时热泵成为升温与维持座舱温度的主力。蔚来的热泵系统不仅能获取空气中的热量，还能收集EDS（电驱系统）产生的余热。

值得一提的是，这套热泵系统最早搭载于蔚来ES6，是中国市场第一个量产车载低温热泵系统，可以在-20℃的哈尔滨及以南地区使用。约一年后，行业中搭载低温热泵的车型才陆续上市。ET7在沿用这套系统的基础上进行了新的集成化设计，进一步减少了对车内空间的占用。

位于前保下部的主动式进气格栅不仅能在高速时降低风阻，还能在外部温度过低时主动关闭，为前机舱保温。此时热泵将停止从车外获得热量，转而从更温暖的前机舱取暖，实现更好的制热效果与更低能耗。此外，结合ET7的第二代电驱系统优势，我们也为电机系统开发了新功能，可在低温下利用电机的余热来加热电池、提升续航。

最后，我还想就大家热议的一个话题进行解答——部分用户反馈在冬季用车中，感觉热泵也不省电。这主要因为我们的车型在启动初期为了快速制热，会同时使用PTC+热泵制热，能耗较高。待温度相对稳定后（需要大概20分钟），会改为由热泵单独维持温度，此时的能耗就会大幅下降。

从我们的用户出行大数据来看，约40%用户的单次用车时间小于30分钟，这段时间的2/3处于PTC+热泵的双系统工作状态，能耗偏高（但低于单独由PTC制热），也就造成了部分用户觉得“热泵不节能”的错觉。

随着热泵产品的升级迭代，车辆的热管理将更加精细化。但无论技术如何发展，结合开篇所提的两个概念，优化汽车各部分热量的高效流转与储存、减少取暖制热的能耗，将始终是汽车热管理的发展方向，也是我们持续为用户带来更节能、更舒适驾乘体验的努力方向。