『电动祺观』夏季开空调太耗电？原来电动车空调是这样制冷的！
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炎炎夏日已经到来，每到这个季节，就会感到“命就是空调给的”，但是电动车车主就开始惆怅，想到开了空调，电量就刷刷地往下掉，“空调开还是不开”就成了一个值得思考的问题，今天我们就来聊聊“电动汽车的空调”。
夏季开空调到底耗不耗电？
▲这张图可以形象的表示部分小白对汽车空调的看法（源自网络）
对于传统汽车而言，汽车空调在制冷时的功率相当于家用空调的2~3倍，在3000~5000瓦；对小排量（2.0L以下）的汽车而言占发动机总功率的10%~15%；一般来说百公里油耗在0.7~1.5L左右。而「定频空调」与「变频空调」的最高油耗差可以达到40%。
▲电动汽车空调开/关对比测试（源自“皆电”）
对于电动汽车而言，不少平台也做过类似的测试，根据“皆电”的实验得到结果是：每30km的实际里程，开空调会比不开空调多消耗6~8km的续航，大概就是多消耗20~26%的里程……
按照这样的损耗情况来看，原本300公里续航的电动车，顿时就成了230公里左右了。虽然说这样的实测通常备受吐槽，但我们至少能得到一个直观的结论：夏季开空调，真的挺耗电！
汽车空调的制冷原理
当你了解了『空调耗电大』这一表象后，我们正式进入今天的正文。作为一档科普专栏，我们探究的是电动汽车表象后的原理。所以，我们从汽车空调最基本的原理中寻找空调耗电的原因。
不少人会觉得觉得空调依靠制造冷风来降温，其实错了！空调制冷的实质是将热量从一端传递到另一端！也就是『热交换』！
▲当空调制冷时，我们希望金属管中的状态
一段在车厢外部（室外），一段在车厢内部（室内），也就是我们所说的「冷凝器」（室外）和「蒸发器」（室内），有时两者被统称为「换热器」。
▲ 汽车使用的「制冷剂」就是热交换的介质
但是光有金属管并不能产生「热交换」，我们必须在金属管中加入实现「热交换」的重要元素——「制冷剂」（又称「冷媒」或「雪种」）。「制冷剂」在『蒸发吸热，液化放热』的热力学作用下工作：制冷时，将车内热量吸走，并在车外释放。制热的过程则是将车外的热量转移到车内（「热泵制热」原理）。
▲有了「制冷剂」，就有了热传递和交换的基础
『绕成回路的连接在一起的管子』与管子里流淌的「制冷剂」组成了「热交换」最基本的部件。
▲「压缩机」是空调中不可少的部件
不过要实现「热交换」，有「换热器」和「制冷剂」是不够的，「热交换」是一个动态的过程，所以，要让「制冷剂」在「换热器」中流动和变化，此时我们就需要一个产生动力的部件——「压缩机」！
▲被压缩并流动起来的「制冷剂」使得热交换开始运行
有了「压缩机」后，「制冷剂」便有了流动性，接下来我们就要让「制冷剂」发挥作用了，通过增减管内的压强，改变「制冷剂」的沸点，令其汽化或液化，使得「换热器」能在车内吸热/放热，改变区域温度。
▲汽车空调部件及工作原理的『雏形』
利用「膨胀阀」控制「制冷剂」进入「换热器」的流量和压力，最终实现高效的制冷/制热效果。最后，用「风扇」（鼓风机）将「换热器」上的高温/低温吹入车内，使得车内的乘客切身体会到空调系统正在做着「热交换」。
▲传统汽车空调系统主要部件
了解了最基础的原理，我们正式开始认识「汽车空调」：传统汽车空调系统由制冷系统、供暖系统、通风和空气净化装置及控制系统组成。
▲传统汽车空调系统原理（膨胀阀式制冷+设备余热式制暖）
▲传统汽车空调系统制冷基本原理
整个制冷过程，从「压缩机」吸收来自「蒸发箱」的气体「制冷剂」并进行加温加压开始，再送到「冷凝器」进行降温处理，但是压强还是很高，之后到达「储液干燥器」进行干燥处理，再到达「膨胀阀」，在这进行降温降压处理，最后是送回到「蒸发箱」，吸收热量。从而实现『压缩→冷凝（放热）→膨胀→蒸发（吸热）』的制冷循环。
▲传统汽车空调主要部件及其作用
在整个传统汽车的空调系统中，「压缩机」无疑是一个能耗巨兽，此前我们提到：「定频空调」与「变频空调」的最高油耗差可以达到40%。其中的道理，大家可以自行科普，这里就不赘述了。
电动车空调制冷原理
电动汽车的「制冷系统」与传统汽车在大思路上没有质的区别，只是在实现制冷的方式上产生了不同，准确地说，电动汽车的制冷手段更加丰富，我列举3个目前比较主流的电动汽车制冷方式——「电动压缩机制冷」、「余热制冷」和「热电制冷」。
1.电动压缩制冷
无论是传统燃油车还是电动车，均可以采用「电动压缩机制冷」系统，所以「压缩机制冷」也是最为常见的电动汽车空调系统。不过在结构上有一点不同，即「压缩机」驱动动力源由发动机变为「驱动电机」。
▲传统汽车空调（左）与电动汽车空调（右）对比（电动压缩制冷式）
电池组的直流电经「逆变器」为空调「压缩机」驱动电机供电，从而形成「制冷循环」，产生制冷效果。其详细的工作原理在上一段中已经详解，这里我就不展开了。
只是需要提示的是，传统汽车的空调「压缩机」分摊的是发动机的功率。而电动汽车空调的「驱动电机」消耗的就是电池电量，所以耗电总是难免的！
2. 余热制冷
「余热制冷」的基本原理是利用设备的余热来降温，要点有2点：
1. 「余热」从哪里来：对电动汽车而言，大功率器件（功率变换、驱动马达、马达控制器等）在工作时会产生热量；
2. 「余热」怎么降温：还是通过不同物质或同一物质『气液不平衡』的性质来实现制冷循环，这是我们反复提到的空调制冷的最基本的降温逻辑之一。
▲电动汽车吸附式制冷原理（源自网络）
「余热制冷」主要被分为吸收式制冷、氢化物制冷和固体吸附式制冷。我们分别来看一下：
▲「余热制冷」分类及详解
从表格中『缺点』一栏中，我们大致了解到「余热制冷」系统的一些短板，所以我们要给「余热制冷」系统一点优化的时间，将其优点发挥出来。
3.热电制冷
「热电技术」的基本构成是「N型半导体」和「P型半导体」，原理是通过金属导流片连接，当电流由N通过P时，电场使N中的电子和P中的空穴反向流动，它们产生的能量来自晶格的热能，于是在导流片上吸热，在另一端放热，产生温差，如下图所示：
▲电动汽车热电原理
「热电制冷」目前在电动汽车行业运用的还是比较广泛，与传统空调相比有其自身的特点：
▲电动汽车热电制冷效率和原理（图片源自网络）
◇ 电流方向的改变就可以有制热/制冷的逆效果；
◇ 工作电流为直流电源；
◇ 热电元件热惯性小，若「热端」有良好的散热，只需要较短的制冷时间；
◇ 通过调节电流就可以调节制冷的温度和速度，并且控制温度的精度高，可连续调节能量；
◇ 最高制冷的效率能够达到90%，「制热系数」（COP=（吸收的低位热能+消耗电能）/消耗电能）大于1；
◇ 重量轻、体积小、紧凑的结构，可以减小电动汽车质量；
◇ 不需要传动部件、无摩擦、无振动、抗冲击、寿命长、可靠性高。
但是现阶段「热电制冷」的总体效率只有传统「机械式」效率的一半左右，在没有得到提升的前提下，「热电制冷」主要应用在对小体积和轻量化需求比较大的设备上。
要使得「热电空调」达到传统空调的效果，「碲」存量也是一个问题。
编辑注：“碲”读dì，一种非金属元素，对热和电传导不良，加入金属或合金中，可以改变性能。
此外，制造「热电元件」所需的『碲、铋、硒、锑』四种元素，其中『硒、铋、锑』的储存量较大，而「碲」存量有限（主要通过从炼铜的废料中提取），这使得「碲」的产量限制了「热电设备」在电动汽车上（特别是大型电动车）的广泛运用。
总结
以上则是一些关于电动汽车空调的基本原理，几乎覆盖了目前所有主流车型，至于具体到每个车型用的什么空调，我会在此后的文章酌情详解，最后归纳一下本文的要点：
1. 电动车空调制冷的确挺费电的；
2. 主流的电动车空调与传统燃油车结构相似，「压缩机」（驱动电机）是主要的耗电源；
3. 「余热制冷」和「热电制冷」很有发展前途，只是我们还需要等一等，等技术完善后，必然能优化电动汽车空调耗电的问题；
4. 原理大家现在基本都了解了，不过夏天开车不开空调？！不太可能吧。
