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为何热泵对于特斯拉至关重要?

2021-10-27 20:11 · 稿源: TechWeb.com.cn

【TechWeb】如今的电动车市场,一年比一年“繁华”,新老车企接连不断推出新电动车。

并且乍一看,各家电动车的纸面参数好像都差不多,然后能够实现的“智能化”功能也都大差不差,最终消费者能够感知和左右抉择的,往往都是品牌、外观、空间等因素。

当然,同质化的纸面参数是个好事,各家厂商八仙过海各显神通,起码在消费者比较在乎的“产品力”上,能够打个不分你我;这说明电动车行业越来越成熟,能够供消费者选择的空间也越来越大。

但是,看过经典武侠小说的都知道,里面的绝世高手往往看上去平平无奇,却总是能在关键时刻凭借一身多年造诣的内功,惊艳四座。这其实暗藏着一种哲学思考,即透过现象看本质;也就是不要被表象所迷惑,因为真正决定高低的是那些无法一眼看透的东西。

所以如果将这些车看作是武侠小说人物的话,那么即将到来的冬天,将会是一场“见真章”的比武大会,有没有真本事,一试便知。

谁动了电动车的“续航”?

尽管从发展速度来讲,电动车的接受度已经越来越高,但毫无疑问,阻止人们全面拥抱电动车的最大元凶,仍然是老生常谈的续航问题。

尤其在寒冷的冬天,这个问题尤为凸显。

坦白讲,冬季车辆行驶能耗升高并非是电动车独有,燃油车一样在冬天油耗会升高,只不过电动车对于低温更加“敏感”一些。

燃油车冬季油耗增加,是因为冷却水和机油温度较低,导致发动机不在最佳工作温度区间做功,使得燃油没有被完全利用,从而浪费掉了。

而对电动车而言,冬季能耗增加,一方面是电机和电池未在最佳工作温度区间做功,使得电机效率降低、电池性能受限;而另一方面则是电动车需要消耗电能给电机、电池、乘员舱加热。

区别在于,燃油车给动力系统、乘员舱提供热量几乎不额外增加负担,而电动车则要消耗更多能源。

究其原因,是因为燃油车行驶所消耗的能源中, 60%-70%以热量形式浪费掉了,而电动车仅有10%左右的能源会被转化成热能。也就是燃油车给冷却液、机油、乘员舱加热,是“废物利用”,而电动车则要动用原本用作行驶的能源来提供热量。

此外更重要的是,无论电动车搭载多少kW·h(度)的电池包,都无法与一箱油媲美能源大小。

一升汽油所蕴含的能量相当于8.9kW·h电能(国际通用换算标准)。按照燃油车油箱50升来看,换算成电力约为445kW·h,而目前市场上纯电动车搭载的电池包一般在50kW·h到100kW·h之间,对比之下,燃油车携带的能源大概是纯电动车的4-9倍之间。

也就是说,燃油车本来就能源“富足”,且本就是浪费的能源在冬季回收利用了,所以不会对续航有太大影响;而电动车搭载的能源本就有限,在冬季还要分配一部分用作提供热量时,就会对续航产生明显影响。

不过,同时也就意味着,你加油花的400块钱,将近300块钱都给温室效应做贡献了,剩下那100块钱,实现了电动车仅需几十块钱就能行驶的续航距离。

冬季续航下降的另一个更重要的原因,是电池。

尽管各家电动车所采用的电池略有不同,但基本上可以简单分为两大类:三元锂电池和磷酸铁锂电池。而目前来看,在同类电池中,就电芯级别的低温表现并无太大差异。

由于材料本身的性质决定,举个形象的比喻,锂电池中大量的锂离子就像是一群小朋友,天气过冷,导致大家活动意愿下降,甚至三五成群取暖,即便老师强迫要求出去活动,也会因为速度下降,导致教室大门发生拥堵,进而单位时间出门的小朋友数量减少。

只不过从阴极材料的分子结构来看,三元锂电池的“教室大门”多一些宽敞一些,磷酸铁锂电池的则少一些窄一些,所以磷酸铁锂电池在低温时候性能会下降更严重。

也正是这种结构决定了三元锂电池的能量密度和充放电性能,要比磷酸铁锂电池好很多,而磷酸铁锂电池则要稳定安全许多;不过后来通过包碳技术和纳米级材料工艺,使得磷酸铁锂电池的充放电性能已经大大提高,并且能量密度也得到了相当的提升。

总体来讲,三元锂电池的电芯在低温的表现,比磷酸铁锂电池要好一些,但两者在低温状态下,其电芯的性能都会大大受限。低温对电池临时性的影响是导致电池内阻增加、锂离子镀膜现象等,导致可用容量下降,放电速率下降(性能);如果长时间低温状态使用,还会导致永久性的电池损伤。

所以低温时候,就必须要给电池加热,才能够实现更好的性能和循环寿命以及安全。尤其是冬天在使用电动车之前,如果先对车辆进行预热,不但上车后能够有良好的用车体验,其预热期间消耗的能源加上随后行驶一段距离,远比直接冷车直接开走行驶相同距离所消耗的能源少得多。

这是因为车辆通过预热,用较少的电能将电池、电机都加热到了最佳温度,使得行驶阶段效率大大提升,从而使得综合续航与夏季时几乎差不多。

换句话说对于车企而言,想要提升电动车在冬天的续航表现,就得从系统层面去考虑,而这一部分也恰恰是各家真正展现“内功”的时候。

武林秘籍“热泵”?

其实总结来说,电动车冬季的续航问题,可以归纳为一个问题:提供热量,而且是效率越高效果就越明显。

目前大部分纯电动车的制热系统都是PTC加热,其能效比为1,以3000W的功率考虑,那么满功率开启热风一个小时,即消耗3kWh电量,这对于百公里消耗10-20kWh的纯电动车而言,无疑是“奢侈消费”。

作为行业标杆的特斯拉,拿出的方案是采用热泵来大幅提高效率。

热泵,简单理解就是通过压缩机,将气体强制变成液体,从而释放出热能,来实现能源的“搬运”;换句话说,就是家用空调反过来用。其最大的特点就是,能够实现“四两拨千斤”的效果,即从低温中吸收热能,再将其搬运到所需之处,大幅提高制热效率,其能效比在合适环境能达到3。

不过热泵这玩意,特斯拉并非是第一家用在电动车上的,也更不是什么新鲜玩意,家电领域和工业领域早有采用。但不同的是,特斯拉不仅针对热泵本身进行了优化设计,还对整个热管理系统的软硬件层面进行了创新。

首先是传统热泵空调存在极寒天气制热效率低,成本高等劣势,而特斯拉热泵系统在传统热泵的运行原理基础上,经过巧妙设计,能够充分利用外界自然能(空气)、电机与电池的余热来进行制热,在提高效率同时,还降低了成本。

其次是特斯拉的热泵系统应用了的八向控制阀(Octovalve),它由8个冷却液通道和电机组成,使用一只水阀代替了传统多支路所有水路换向元件的功能,可以实现空调、电池、电机热管理系统的并联独立运行和串联工作模式,不仅减少车内空间占用,还可以大幅降低故障率、提高可靠性,能够更好地利用电池、电机,甚至是电路板等运行余热以提升制热效率。

最后,复杂的集成化系统需要智能的控制才能得以实现精确且最佳的效果。特斯拉自主开发的软件可以基于感知外界和自身系统温度,智能调节热泵工作模式,包括COP_high高能效模式、COP_blend混合模式和COP_1低能效模式,模式切换可以大幅提高系统工作效率,最终达到降低能耗,提升冬季续航能力,实现能量利用效率最大化。

所以,即便电动车采用了热泵,但实际的效果很可能大不相同,还要取决于整体热管理系统,以及BMS电池管理系统等各种提高效率的方式。

总结

得益于传统热泵基础上的自主创新,特斯拉车辆的冬季驾驶体验获得了较大提升。老司机们不难看出,即使在寒冷天气,特斯拉的电耗仍然保持在合理的范围内,充电速度也和平时差不多。甚至掌握一些小窍门之后,体验还能再上一层楼。

比如提前在手机上开启“按时出发”功能,来预热电池、加热座舱,不仅上车后温暖如春,也可以帮助车辆提高效率、降低能耗,更不存在燃油车那种磨人的“热车”环节。充电前,使用“路线规划”功能就,导航到超级充电站的路上提前预热电池,提升充电速度。

凛冬将至。但真正有“内功”御寒的车企,已经准备好了。

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