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普通冷凝器，或在有需要時吸收熱量。
在冬季，如果采用傳統(tǒng)的電采暖系統(tǒng)，電動汽車的續(xù)航里程可能“縮水”60%，在極度嚴寒的情況下甚至更為嚴重。因此，豐田 (Toyota) 聯(lián)手日本電裝(Denso)，專門設(shè)計了一款適用于電動汽車的先進熱泵系統(tǒng)。據(jù)了解，這款熱泵已經(jīng)安裝于豐田普銳斯Prime (Toyota Prius Prime) 插電式混合動力車上。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) 等電動車型采用的熱泵（相對高效，但最低工作溫度通常無法低于0°C/32°F）相比，這款先進熱泵可以提供明顯的性能優(yōu)化。
在WCX17 – SAE 2017全球汽車年會期間，豐田和電裝的研究人員在一項展示環(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63%的能量，預(yù)計可將車輛的續(xù)航里程提高21%。
普銳斯Prime PHEV的熱泵設(shè)計借鑒了一個來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，從而將熱泵有效工作的最低溫度極限降低至-10°C/14°F。一般來說，大型固定式熱泵液氣分離器幾乎很難裝進車輛的發(fā)動機艙內(nèi)。但據(jù)稱普銳斯Prime所采用的液氣分離器設(shè)計緊湊，大小幾乎與汽車恒溫膨脹閥相差無幾。
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，推動液體從孔口 (Orifice) 流向外部冷凝器。
電動汽車專用熱泵？
電動模式下，普銳斯Prime混合動力車型的汽油發(fā)動機也可能會啟動運行，為車輛提供采暖和除濕功能，但這顯然會影響車輛的燃油經(jīng)濟性。為了避免損失，混合動力車型將在電動模式下關(guān)閉發(fā)動機，由熱泵、精密的控制閥系統(tǒng)及液氣分離器實現(xiàn)這部分功能。我們不難想象，普銳斯Prime混合動力車采用的這款熱泵也同樣適用于純電動車型。
簡單來說，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。與其他汽車熱泵一樣，Prime熱泵也在車輛儀表盤下配置了一款內(nèi)部冷凝器，作為車艙熱量的釋放源。Prime熱泵選擇了電裝的渦旋式壓縮機單元搭配一個制冷劑氣體注入口的設(shè)計。在采暖模式下，高溫的制冷劑氣體將從壓縮機排出至內(nèi)部冷凝器，而后在內(nèi)部冷凝器中完成部分冷凝，并在這個過程中為車艙提供熱量。這點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外釋放熱量，以實現(xiàn)制冷劑的冷凝。
隨后，經(jīng)過內(nèi)部冷凝器部分冷凝的氣體將流經(jīng)一個電子膨脹閥，進行進一步降壓，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)計可以提高熱泵回路的性能。
此后，氣體將離開液氣分離器，進入壓縮機進氣口。此時，液體制冷劑將流經(jīng)一條節(jié)流通道實現(xiàn)進一步冷凝，而后流入外部冷凝器。在采暖模式下，制冷劑將吸收周圍空氣的熱量，而后流入內(nèi)部冷凝器（位于儀表盤下方），進一步提升車艙內(nèi)的溫度。
濕度控制挑戰(zhàn)
普銳斯Prime的前擋風(fēng)窗上安裝了一個濕度/溫度傳感器，可以測量玻璃及車艙內(nèi)的空氣溫度和濕度。然而，由于在電動模式下，車輛的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)或排氣系統(tǒng)并不會產(chǎn)生余熱，與壓縮機運行產(chǎn)生的熱量相結(jié)合，因此，實際的濕度控制需求也將給熱泵帶來挑戰(zhàn)。
不過，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，而且無需啟動發(fā)動機。事實上，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。蒸發(fā)器可以基于位于散熱片之間的溫度傳感器信號，蒸發(fā)任何液體制冷劑，并從流經(jīng)熱交換機的空氣中吸收熱量。此外，這兩套除濕回路均可以與車艙采暖回路同時工作。
為了支持車輛空調(diào)系統(tǒng)的六種模式，即車艙制冷、采暖、串聯(lián)除濕、并聯(lián)除濕、外部熱交換機除霜、熱泵采暖（用于周邊環(huán)境溫度低時），系統(tǒng)還專門配置了一款濕度傳感器。
作者：Paul Weissler
來源：SAE《國際汽車工程（AEI）》雜志
翻譯：SAE 中國辦公室
