不要再說只是暖氣功能了!特斯拉熱泵技術可不只是單純加熱而已!

TeslaFan 2020-09-14 18372

特斯拉首度在自家車款 Model Y 上使用熱泵技術提升能源效率,並且最近也開始放到 Model 3 上了,倒底熱泵是什麼樣的技術?放上熱泵的 Model 3 倒底有什麼好處?希望這一篇文章可以讓大家簡單了解熱泵的運作原理和效用。

 

想辦法提高電動車的續航里程是各家車廠都在努力的課題,除了電池技術的提升、動能回收、車身低風阻設計與輪胎框的設計,而特斯拉則是針對熱循環系統進行改進,有效提升能源效率和續航里程。

因為電動車不像內燃機擁有一個穩定的熱源可以利用,因此在上車幾乎必開的空調系統當中(無論開暖氣還是冷氣)需要使用 PTC 熱敏電阻產生熱源,如此才能將冷氣壓縮機產生的冷風加熱成為各位車主設定的恆溫溫度。

目前 PTC 加熱空調的方式有兩種,一種是直接讓冷空氣通過 PTC,調節出暖風;另一種則是利用 PTC 加熱冷卻水,讓冷卻水流經散熱器進行交換。不過,不管是哪一種方式,追根究柢都是必須使用「額外」電能才能達到加熱功能。

熱泵和水泵一樣,都是一種強制轉換位置的系統,水泵是把水從低位打到高位,進行後續利用;而熱泵則是將低溫物體的熱能(或者應該稱冷能)取出後加壓再傳遞到高溫物體上進行熱交換(也稱為降溫);反過來也可以將高溫物體的熱能取出後轉移至低溫物體上進行熱交換(也稱為加溫)。雖然還是需要使用一部分的電能進行熱源的搬移行為,但是相較於加熱 PTC 來說,則是大幅度的節省。

特斯拉熱泵系統位置示意圖

 

其實熱泵系統並不是特斯拉首創,除了在工業領域已有許多應用,電動車如 Nissan Leaf、Toyota Prius 與 BMW i 系列其實都使用了熱泵系統。不過這些車搭載的熱泵系統僅由 4 個部件組成,包含壓縮機、4 通閥、熱交換器和電子膨脹閥。而這樣的設計是使用環境溫度當做熱源,在環境溫度較低的時候(低於0℃),可能會造成熱交換器結冰,導致吸收環境熱量的能力下降,通常還是會使用功率較小的 PTC 做為輔助加熱器。

 

 

Nissan Leaf 熱泵系統示意圖

 

特斯拉的熱泵有什麼不同呢?

 

根據特斯拉提出的專利可以看到,除了採用上述的熱泵系統 + PTC 的設計(註一),熱源除了環境溫度還加入電池系統廢熱、驅動系統(馬達、壓縮機)廢熱,以及功率調節系統 PCS 的廢熱。因此整套系統採用 8 通閥進行熱交換,明顯較 4 通閥的熱泵系統有更好的熱分配能力,是目前電動車界效能最好的熱泵。

特斯拉熱泵系統示意圖

 

因為擁有了許多的熱能來源,因此熱泵有高達 12 種分配模式,由車載系統自動判斷天氣和車輛情況,選擇適合模式進行切換,下方列出僅列出和室內空調有關的 4 種模式:

開啟模式 工作方式
純熱泵模式 只以環境溫度做為熱源
透過冷卻水和室內空氣進行熱交換
混合暖風
模式一
利用環境溫度 + 12V PTC + 電池廢熱
使用外循環直接將熱風吹入室內
混和暖風
模式二
利用室內溫度 + 12V PTC + 電池廢熱
透過內循環對室內溫度直接加熱
壓縮機熱源模式 利用壓縮機運轉產生的廢熱
對室內溫度直接加熱、也可以為電池預熱、車室除霜、除霧

 

Model Y 熱泵系統作動模式

 

綜合上述的說明,我們不難發現,特斯拉的熱泵系統不只是單純的暖風製造,而是在多個系統當中進行更有效率的熱交換,不是只有在寒帶地區有幫助(事實上過冷的地區反而沒辦法發揮最大效果,因為需要仰賴PTC加熱的情況更頻繁),就算在台灣這樣的氣溫環境,相較於原來的 PTC 加熱設計,也應該會有明顯節能效果。

 

註一:Model Y 熱泵系統的 PTC 是 12V 電壓,並且由額外的 12V 電池進行供電,其效能與成本都不高,純粹是輔助角色。

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或許駕駛電動車是一種生活態度,但是讓更多人知道電動車的好,是一件重要的事情。

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