在注氣模式下，豐田普銳斯Prime熱泵的回路示意圖：外部冷凝器在左，內(nèi)部冷凝器在右。其中，外部冷凝器可以作為一個(gè)普通冷凝器，或在有需要時(shí)吸收熱量。
在冬季，如果采用傳統(tǒng)的電采暖系統(tǒng)，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程可能“縮水”60%，在極度嚴(yán)寒的情況下甚至更為嚴(yán)重。因此，豐田 (Toyota) 聯(lián)手日本電裝(Denso)，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一款適用于電動(dòng)汽車(chē)的先進(jìn)熱泵系統(tǒng)。據(jù)了解，這款熱泵已經(jīng)安裝于豐田普銳斯Prime (Toyota Prius Prime) 插電式混合動(dòng)力車(chē)上。與傳統(tǒng)的電加熱系統(tǒng)以及日產(chǎn)聆風(fēng)(Nissan Leaf) 和起亞Soul (Kia Soul) 等電動(dòng)車(chē)型采用的熱泵（相對(duì)高效，但最低工作溫度通常無(wú)法低于0°C/32°F）相比，這款先進(jìn)熱泵可以提供明顯的性能優(yōu)化。
在WCX17 – SAE 2017全球汽車(chē)年會(huì)期間，豐田和電裝的研究人員在一項(xiàng)展示環(huán)節(jié)中表示，與傳統(tǒng)熱泵相比，豐田普銳斯Prime采用的熱泵可節(jié)省高達(dá)63%的能量，預(yù)計(jì)可將車(chē)輛的續(xù)航里程提高21%。
普銳斯Prime PHEV的熱泵設(shè)計(jì)借鑒了一個(gè)來(lái)自固定式商用熱泵的概念，即采用制冷劑液氣分離器 (refrigerant liquid-gas separator) 和制冷劑注氣回路的設(shè)計(jì)，從而將熱泵有效工作的最低溫度極限降低至-10°C/14°F。一般來(lái)說(shuō)，大型固定式熱泵液氣分離器幾乎很難裝進(jìn)車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)。但據(jù)稱(chēng)普銳斯Prime所采用的液氣分離器設(shè)計(jì)緊湊，大小幾乎與汽車(chē)恒溫膨脹閥相差無(wú)幾。
制冷劑液氣分離器的工作示意圖：左邊為其他模式，右邊為采暖模式。“中壓電磁閥(Middle Pressure Magnetic Valve)”將在采暖模式下關(guān)閉，推動(dòng)液體從孔口 (Orifice) 流向外部冷凝器。
電動(dòng)汽車(chē)專(zhuān)用熱泵？
電動(dòng)模式下，普銳斯Prime混合動(dòng)力車(chē)型的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)也可能會(huì)啟動(dòng)運(yùn)行，為車(chē)輛提供采暖和除濕功能，但這顯然會(huì)影響車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。為了避免損失，混合動(dòng)力車(chē)型將在電動(dòng)模式下關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，由熱泵、精密的控制閥系統(tǒng)及液氣分離器實(shí)現(xiàn)這部分功能。我們不難想象，普銳斯Prime混合動(dòng)力車(chē)采用的這款熱泵也同樣適用于純電動(dòng)車(chē)型。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，熱泵性能受溫度限制的關(guān)鍵原因之一在于：制冷劑的質(zhì)量流率(mass-flow rate)將隨著環(huán)境溫度的變化而變化。與其他汽車(chē)熱泵一樣，Prime熱泵也在車(chē)輛儀表盤(pán)下配置了一款內(nèi)部冷凝器，作為車(chē)艙熱量的釋放源。Prime熱泵選擇了電裝的渦旋式壓縮機(jī)單元搭配一個(gè)制冷劑氣體注入口的設(shè)計(jì)。在采暖模式下，高溫的制冷劑氣體將從壓縮機(jī)排出至內(nèi)部冷凝器，而后在內(nèi)部冷凝器中完成部分冷凝，并在這個(gè)過(guò)程中為車(chē)艙提供熱量。這點(diǎn)與前置式外部冷凝器有較大不同——在空調(diào) (A/C) 模式下，前置式外部冷凝器將向車(chē)外釋放熱量，以實(shí)現(xiàn)制冷劑的冷凝。
隨后，經(jīng)過(guò)內(nèi)部冷凝器部分冷凝的氣體將流經(jīng)一個(gè)電子膨脹閥，進(jìn)行進(jìn)一步降壓，而后流入Prime熱泵的超緊湊液氣分離器，這也是制冷劑注氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。在采暖模式下，這種設(shè)計(jì)可以提高熱泵回路的性能。
此后，氣體將離開(kāi)液氣分離器，進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)氣口。此時(shí)，液體制冷劑將流經(jīng)一條節(jié)流通道實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步冷凝，而后流入外部冷凝器。在采暖模式下，制冷劑將吸收周?chē)諝獾臒崃浚罅魅雰?nèi)部冷凝器（位于儀表盤(pán)下方），進(jìn)一步提升車(chē)艙內(nèi)的溫度。
濕度控制挑戰(zhàn)
普銳斯Prime的前擋風(fēng)窗上安裝了一個(gè)濕度/溫度傳感器，可以測(cè)量玻璃及車(chē)艙內(nèi)的空氣溫度和濕度。然而，由于在電動(dòng)模式下，車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)或排氣系統(tǒng)并不會(huì)產(chǎn)生余熱，與壓縮機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量相結(jié)合，因此，實(shí)際的濕度控制需求也將給熱泵帶來(lái)挑戰(zhàn)。
不過(guò)，豐田—電裝聯(lián)合研發(fā)的熱泵系統(tǒng)還可以提供另一種濕度控制解決方案，而且無(wú)需啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。事實(shí)上，豐田普銳斯Prime熱泵系統(tǒng)擁有串聯(lián)和并聯(lián)兩套除濕回路，每套回路對(duì)應(yīng)一段特定的溫度范圍（并聯(lián)：32-40° F/0-4° C；串聯(lián)：40-60° F/4-16° C）。其中串聯(lián)回路可以降低重新加熱的需求。
兩套回路都采用了蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)。蒸發(fā)器可以基于位于散熱片之間的溫度傳感器信號(hào)，蒸發(fā)任何液體制冷劑，并從流經(jīng)熱交換機(jī)的空氣中吸收熱量。此外，這兩套除濕回路均可以與車(chē)艙采暖回路同時(shí)工作。
為了支持車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)的六種模式，即車(chē)艙制冷、采暖、串聯(lián)除濕、并聯(lián)除濕、外部熱交換機(jī)除霜、熱泵采暖（用于周邊環(huán)境溫度低時(shí)），系統(tǒng)還專(zhuān)門(mén)配置了一款濕度傳感器。
作者：Paul Weissler
來(lái)源：SAE《國(guó)際汽車(chē)工程（AEI）》雜志
翻譯：SAE 中國(guó)辦公室
