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热泵能让电动车冬季出行实现空调自由吗?

2022-02-26 汽车
在电动汽车销量直线上涨的同时,电动汽车车主冬天不敢开热风,夏天不敢开冷气让不少车主将电动汽车称为电动爹。空调自由似乎是电动汽车迈不过去的一道槛。热泵的出现让热量不再单纯依靠电池加热,可以大幅度提高……

热泵能让电动车冬季出行实现空调自由吗?

在电动汽车销量直线上涨的同时,电动汽车车主冬天不敢开热风,夏天不敢开冷气让不少车主将电动汽车称为电动爹。空调自由似乎是电动汽车迈不过去的一道槛。热泵的出现让热量不再单纯依靠电池加热,可以大幅度提高加热效率,同时在新一代热管理系统加持下,空调自由是可以实现的。问题是谁有这样完美的解决方案。 

文丨智驾网  硕奇 

热泵能不能让电动汽车实现空调自由?

理论上可以。但实现过程很难。

回答这个问题之前,我们先来了解一下为什么冬季低温会让电动车的续航出现大幅度衰减。

这其中电池在低温条件的衰减是根本原因,锂离子动力电池的低温性能表现为随着温度的降低,动力电池的阻抗增大,放电电压平台降低,且电池的端电压下降较快,导致其可用容量和功率大大衰减。

热泵能让电动车冬季出行实现空调自由吗?

从技术原理上来讲,低温环境下,正负极材料中的带电离子的扩散运动能力变差,穿越电极与电解液的钝化膜变得更加困难,传递速度也因此降低。

即使锂离子到达负极以后,在材料内部的扩散也变得不顺畅,甚至可能在负极形成锂凝结,短期反映为电池容量急剧减少,长期反映为电池寿命缩短。

但冬季电动汽车续航下降并不止以上这一个原因,电动汽车通过空调制热,空调把电池的电量转换为热量,能耗非常之高,大量消耗了动力电池的电量。

以上两方面原因共同导致了目前纯电动车在冬季的续航相比宣传续航大幅下降。

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当前为了解决这一困扰,研发人员主要从电池的低温性能和热管理两方面进行提升。

首先是低温电池的研发,目前提高电池性能,主要依靠材料的进步,但材料的进步需要时间的积累,目前提高锂电池的低温性能仍然是目前研究的热点和难点。

目前主流厂商将目光放在了车辆的热管理上,通过提高效率的方式将电池加热,让空调加热,达到提高电动车冬季续航的效果。

热泵能让电动车冬季出行实现空调自由吗?

与燃油车不同,电动汽车没有发动机,所以整车热管理系统只能依靠空调系统,电池和电机的散热通过空调压缩机,加热则通过空调热泵和PTC控制。

在极低的环境温度下,如何在保证车内维持适宜的温度同时,做到能够快速除霜,电池快速加热,空调调温保持线性度,自动空调能够保持在较高的舒适度,都属于整车热管理标定的内容,更进一步的追求则是用最少的电量来实现以上内容,尽量减少因为开空调导致车辆的续航里程降低程度。

热泵能让电动车冬季出行实现空调自由吗?

因此热管理并不是简单的加热和制冷,它通过一套复杂的系统让车内每个零部件保持在最优温度下,简单的说,热管理类似于让车内各部件像人们发烧之后使用退烧贴;而当寒冷难耐时,可以使用暖宝宝。但无论采用哪种方式都希望在各个零部件之间的热管理减少热量损耗、提高效率。

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在量产车中,各个品牌会根据自身产品的定位和使用特性进行取舍,拿出性价比最高的方案,再结合软件算法进行优化,这也就使得市场上的电动汽车在热管理方案上表现得千差万别。

可以说,在当前各家品牌动力电池性能接近的情况下,热管理成为电动汽车车冬季续航得以保障的最重要系统,也是各个厂家技术硬实力的体现。

——01——

电动汽车热管理系统变革的原理

与传统燃油车不同,新能源汽车的发展,对于汽车热管理系统是一场大的变革。传统燃油车的热管理架构主要包括了空调系统以及动力总成热管理系统。

新能源汽车由于动力源发生了变化,新增了三电系统,因此要对电池、电机、电控等进行热管理的重新构建。此外,新能源汽车的空调系统因为动力方式的转变也产生较大的变革,从压缩机部件到制暖系统都需要进行技术的升级以及产品的替换。

总体而言,从传统燃油车到新能源汽车,汽车热管理系统变得更加复杂,对于整车的重要性愈加提升。

我们以最早大规模量产电动汽车的特斯拉举例,其新老车型的热管理技术迭代,如同热管理技术的发展简史一般。

热泵能让电动车冬季出行实现空调自由吗?

通以上表格我们可以看到,新车型的热管理逐渐从全车PTC转化到热泵与热量回收的方式,以提高效率。

这里我们需要明确两个名词,PTC与热泵。

PTC在汽车上就是汽车加热器, 全称是“Positive Temperature Coefficient”,在纯电动汽车上,PTC的原理与电加热电器类似,像电饭锅、电磁炉、空调等等,PTC技术即是通过给电阻丝/陶瓷等热材料通电后产生大量热量,以提供车辆所需的热量。

如果一个不够,那么再增加一个,或者加大功率。

其所产生的热量Q=I²R*T,当电流稳定,电阻值越大,则功率越大,它意味着单位时间内产生的热量也越大;当电流稳定,电阻值也稳定,那么时间越久,则耗能也越多。

但由于电池的能量密度相较于汽油来说,实在是小的可怜,目前最新量产的锂电池能量密度为260千瓦时/立方米,而汽油是8600千瓦时/立方米,柴油则是9600千瓦时/立方米。

就算电能全部100%转换为热能,车内总体的热量相比燃油车的效率要小的多。

热泵能让电动车冬季出行实现空调自由吗?

此时工程师就引入了热泵。

这一技术的引入,曾被马斯克称为“最好的工程设计之一”。

在理论上,只要周边空气高于绝对零度即可通过热泵技术收集其热量,也就是说热泵技术可以让电动汽车在地球上任何极寒之地正常行驶,并让车内保持人所需要的正常温度。

不过热泵并不是新发明,其原理可以简单理解为“把冷热空气搬出搬进”,也即是冷热空气“搬运工”,使得车内温度达到理想温度,在电耗上也能节约更多电能。

在目前的高端家用电器中这样的原理也很常见,我们常说的“空气能”热水器和“空气能”空调就是应用了这一原理。

热泵能让电动车冬季出行实现空调自由吗?

根据测算,目前主流的热泵效率在常见温度下均能突破100%。

在热泵中,由于热泵制冷剂汽化温度低于-20℃,它可以在任何高于-5 ℃的其他条件下蒸发汽化,高于-5 ℃的其他条件下不另需要辅助加热,通过压缩制冷剂的蒸汽,同理热泵在加热循环过程中可以产生400%的热效率,而低于-5 ℃只需要少量电加热就可完成高效率运转,在-18℃的情况下,最优秀的热管理系统依然能实现超过200%的热效率。

热泵能让电动车冬季出行实现空调自由吗?

因此在目前的先进纯电动汽车上,热泵几乎成为标配。

目前应用热泵技术的车型主要有BMW i3、Jaguar I-Pace、Audi e-tron等,国内有蔚来ES6、荣威Marvel X、哪吒 S等。

但不同品牌,各家热泵的效率有巨大差异,这里面的因素更多的是取决于厂家对于每一份热量的细节把控。

——02——

好的热管理系统可以将你呼吸的热量回收

在上周,即将在二季度预售的哪吒S,搭载了国内首个整车系统级智能热管理策略,这款车在黑龙江黑河-30℃极寒环境下,刚刚完成了冬季极寒测试。

我们以这款新车为例,看看国产新势力到底在细节上下了什么功夫。

热泵能让电动车冬季出行实现空调自由吗?

哪吒S系统级别的热管理,被称为打通了整车热量管理,它意味着从乘员舱、电池、电驱到电子部件热管理全部打通,实现了所有部件物理部分集中和部件控制部分集中,一方面实现管路数量降低40%,可靠性提升50%。同时,整个系统广泛采用弹性算法进行智能控制,可以保证座舱和电池供热的前提下实现能耗最小化。

这种高集成化的设计也应用在了热泵的设计中,使用九通阀替代传统热泵方案中的2个三通阀、1个四通阀。

九通阀可精确地按比例开闭,通过VCU实现功率无级调节。

小到流量控制阀、水泵,大到空调压缩机,前端冷却模块上的散热风扇,都能实现精细化控制,保障电池、空调、电驱工作在最适宜的温度。

而这种精细化的程度实现电池余热回收、电机余热回收、电池自然冷却、热泵电池加热、热泵乘员舱加热等各种节能工作模式,让热量最大可能不被浪费,细节的把控程度和数量上甚至胜过特斯拉引以为傲的“8爪鱼”8通阀。

热泵能让电动车冬季出行实现空调自由吗?

传统热泵在-10度以下环境无法启动,天气越冷热泵空调的工作效率越低,制热效果也越差,而低温下PTC制热能耗较高,对续航能力影响极大;哪吒S通过各部件的精细化管理加持高效的软件系统,其热泵通过电驱余热回收等实现热管理各部件智能化协同控制,整体能效最优。

在室外环境温度-18℃时打开外循环工况下,出风温度可以达到48℃,此时整个系统的COP可达到2.05以上,单热泵即可满足乘客舱内的采暖需求。

热泵能让电动车冬季出行实现空调自由吗?

哪吒S的热管理系统利用热泵+精细化+高集成+智能调节+能量回收等方式,通过自适应智能热管理控制策略,单次充电节能约2%;电池包自保暖;采用电池恒温液冷系统,15℃~45℃恒温占比95%;-20℃低温浸泡6小时,电芯温度≥0℃;放电过程中电池自加热,主要通过智能行车加热,冬季续航提升约4%。

可以说无论是硬件设计,还是软件优化,我国造车新势力最新产品的热管理技术已不弱于国外竞品。

此外,无论是电池、电芯、智能驾驶、智能网联等核心技术,中国也在快速进步,这其中每个部件的迭代进步都会带来整车续航、安全性能和体验的提升。

——03——

市场主导的电动汽车市场开启技术为王的时代

2月20日,国家发展改革委、工业和信息化部、财政部等12部门,提出在2022年继续实施新能源汽车购置补贴、充电设施奖补、车船税减免优惠政策,但是补贴幅度较2021年退坡30%。同时,相关部门确认,新能源汽车购置补贴政策在2022年内正式终止,今年12月31日后上牌的车辆将不再给予补贴。

新能源汽车补贴在2022年后正式取消,说明我国的新能源汽车行业将彻底完成从政策驱动变为市场驱动。在国内新能源企业头部玩家也已经建成了较为完备的产业布局和供应链体系。

这让中国的电动汽车品牌的竞争更聚焦于核心技术。

热泵能让电动车冬季出行实现空调自由吗?

即将上市哪吒S的出现可以说反应了我国造车新势力的信心,它正从拼量产、活下去、多车型、拼销量的阶段,进化到拼技术、拼品质的阶段,而其在产品中敢于表达的个性化特质,这是源自于技术和设计的足够自信。

“3.9秒的加速度、量产更高效的热管理、激进有风格的设计。”这些特性正在吸引越来越多的年轻人。

本文来自微信公众号 “AutoR智驾”(ID:zhinengqiche),作者:硕奇,经授权发布。