【电动汽车拆解】制暖（八）：用电加热器代替发动机

中心议题：
    * 用电加热器代替发动机
解决方案：
    * 用PTC加 热器将水加热
    * 沿用汽油车的制暖系统
    * 下一代、再下一代的加热器

电动汽车（EV）的课题之一在于保证车内的制暖性能。发动机车能够利用发动机产生的热量使车内保持足够温暖。而EV没有发动机，因此制暖热源须有保证。三菱重工业为EV开发出了用电发热的加热器。已由三菱汽车EV“i-MiEV”制暖系统所采用。

三菱汽车2009年7月上市的电动汽车“i-MiEV”采用了三菱重工业生产的电加热器作为空调的制暖热源（图1）。

图1：三菱汽车的电动汽车“i-MiEV”和制暖系统（a）i-MiEV。制暖的热源采用了三菱重工为EV全新开发的加热器。（b）制暖系统。加热器配置在驾驶席和副驾驶席之间的地板下方。

传统发动机车一直把发动机散热作为制暖热源。但电动汽车（EV）没有发动机，混合动力车（HEV）在发动机停转时车内也需保暖。而此次采用的电热式加热器因可用电取暖，是EV和HEV有效的制暖方式。

i-MiEV采用的加热器由可用电发热的PTC（Positive Temperature Coefficient）加热器元件、将加热器元件的热量传送至散热剂（冷却水）的散热扇、散热剂流路和控制底板等组成（图2）。因要求加热器要有较高的制暖性，因此，电源使用的是驱动马达的锂离子充电电池（330V），而非铅充电电池（12V）。

图2：加热器机身

内部有板状加热器元件。通过在元件两侧通入散热剂（冷却水）提高散热性。

由于要制造的小型单元要使用330V高电压，用少量放热元件产生大量热量，因此，加热器需要丰富的设计和制造技术经验。

用PTC加热器将水加热

加热器元件采用了普通PTC元件。PTC元件夹在电极中间，具有电阻随元件温度改变的性质。

在低温区，电阻低，电流流通产生热量，随着温度升高，电阻逐渐增大，电流难以流通，发热量随之降低。PTC元件的特性据称符合汽车的制暖性能要求——具备在低温区的高制暖性能。

此次开发的加热器由四片平面状加热器元件横向排列组成。元件两侧有散热扇，散热剂能够在流动中接触散热扇，吸收加热器的热量（图3）。4片加热器元件面积各异，通过改变发热元件的数量和组合，可以分级切换制暖能力。

图3：加热器截面图

机身上半部分有控制底板，下半部分有加热器元件等放热部分。散热剂利用散热扇加热。

加热器元件为加载高电压，以绝缘材料裹覆。采用的绝缘材料有氧化铝材料和硅树脂材料两种。加热器元件的两侧先用氧化铝材料夹裹、再以硅材料夹覆。将加热器元件双重夹裹是为了提高拼接精度。因为内侧的氧化铝偏硬，所以多覆盖一层硅板能够提高与散热扇之间的密闭性，确保其散热性。现行产品使用2种绝缘体，计划2013年左右投放的第3代产品将使绝缘体的种类减少到1种。

加热器上有散热剂的入口和出口（图4）。散热剂经上方进入加热器元件之中。元件中的流路因采用了弯折结构，使散热剂的入口和出口得以设置在左右两端。如果散热剂通路不弯折，则入口和出口就必须在单元的左侧或右侧重叠配置，使加热器的尺寸加大。散热扇为铝合金制成。为了提高气密性，接合面在压铸成形后进行了切削。

图4：加热器内的散热剂流路

散热剂从加热器元件的两面通入，能够实现高效放热。流路采用了散热剂入口和出口分别位于左右两侧的设计。

此加热器属加热散热剂的类型。使用散热剂的一大原因是为了沿用现有发动机车的制暖系统。

沿用汽油车的制暖系统

发动机车的制暖系统由发动机、散热剂、加热芯和送风的鼓风机马达组成。吸收发动机的热量温度升高的散热剂在加热芯中受风，为车内制暖。由于i-MiEV是以发动机车“i”为原型设计的EV，因此，只要有散热剂式加热器和电动水泵就能够沿用i的机构。

如果是开发EV专用产品，也可以不使用散热剂，直接用鼓风机吹送经PTC加热器加热的暖风即可。

但如果这样，即便EV特有结构能够实现，对现有系统也需要进行多处变更，使可靠性验证进度拖延。因此，i-MiEV从利用现有系统、以可靠性为重的角度出发，采用了使用散热剂的加热器单元。

从制暖系统整体来看，发动机车与i-MiEV等EV的区别如下（图5）。首先是上面提到的热源由加热器取代了发动机。发动机车是依靠曲轴旋转带动散热剂循环，EV则需要新增电动泵。

图5：制暖系统的区别

（a）发动机车的制暖系统。热源和散热剂循环由发动机的驱动力带动。当加温后的散热剂通过加热芯时，鼓风机马达向加热芯送风，为车内取暖。（b）EV的制暖系统。因为没有发动机，所以热源为加热器，配备了带动散热剂循环的电动水泵。

下一代、再下一代的加热器

此次实用化的加热器为宽180×长290×高100mm，重7.4kg。制暖能力5.0kW。如果加热器的技术发展规划把2009年7月实用化的产品视为第1代，则计划第2代和第3代将分别于2011年和2013年前后问世（图6）。

图6：截至2013年的加热器发展蓝图

2009年应用于i-MiEV的是第1代。预定于2011年左右投放市场的第2代计划实现30％的小型及轻量化。预定于2013年上市的第3代将争取使体积和重量缩小到第1代的一半。

第2代计划在沿袭第1代的基本结构和性能的基础上，实现小型化和轻量化。第1代为了最大限度考虑安全性，加热器尺寸较大。为防止散热剂漏进加热器及提高绝缘性预留了大量空间。第2代将通过优化这些空间缩小机身体积。

此外，目前加热器的ECU（电子控制单元）与空调系统整体是各自独立的。而计划从第2代开始，ECU将与加热器融为一体。通过这一改进，体积和重量预定减少到70％。

第2代还考虑提高制暖能力的设定精度。现在借助阶跃信号的开关总共能够实现8级性能切换，第2代还将加入对PWM（Pulse Width Modulation：脉宽调制）控制的支持，使制暖性能的调节更为细致。

第3代产品则会通过缩小PTC元件与散热剂之间的热阻并减少散热剂与散热扇接触面积等方式，争取使体积和重量比第1代减少50％。

汽车厂商的努力

为EV配备多个加热器元件可以使其制暖能力提高到与发动机车相当。但是，为了尽量把电池容量留给行驶，汽车厂商在设计时对制暖耗电进行了抑制。

三菱汽车公布的i-MiEV的续航距离（10·15模式）为160km。以市区行驶速度（40～60km/h）为例，在某些条件下，使用制暖时的行驶距离要短于使用制冷时。制冷的电池消耗虽大，制暖的电池消耗更胜一筹。

汽车厂商正在着手开发能够以有限的制暖性能提高用户满意度的制暖技术。比方说，i-MiEV采用了手动式空调。用户按下“MAX”开关后，温控性能和风量会以最高设定运行（图7）。

图7：利用手动空调降低温控功耗（i-MiEV）

汽车厂商为降低i-MiEV空调耗电、延长续航距离为其采用了手动空调。在三个开关中，最右侧是温度设定开关。手动按下“MAX键”后，温控性能和风量会以最高设定运行。

目前，i-MiEV的制冷制暖系统各自独立。制冷依靠使用电动压缩机的系统，如果能够把该系统应用于制暖，则功耗较使用加热器就有望降低（图8）。在理论上，制冷循环逆转可以用于制暖。但在环境气温低的情况下，制暖性能会下降，无法满足在低温区具高制暖性能的汽车制暖性能要求。

图8：空调的制冷系统（i-MiEV）

利用电动压缩机压缩冷媒并使其循环。行驶时，冷媒在冷凝器中受风冷却。

而且，在冬天，当冷凝器（制暖时改为蒸发器）结霜时，制暖性能也难以发挥。这就需要考虑增加为冷凝器（制暖时为蒸发器）加温除霜的系统。

制暖原本在某些情况下需要比制冷更高的性能。例如，在冬天制暖行驶时，为防止车窗起雾一般会导入车外空气。汽车因要在行驶的同时向车外排放加热了的空气，此时制暖需要比制冷更高的性能。由此可见，将热泵系统用于汽车制暖仍然存在着诸多课题。