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  • 智駕網 2022-02-28 10:53
    熱泵能讓電動車冬季出行實現空調自由嗎?
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    在電動汽車銷量直線上漲的同時,電動汽車車主冬天不敢開熱風,夏天不敢開冷氣讓不少車主將電動汽車稱為電動爹??照{自由似乎是電動汽車邁不過去的一道檻。熱泵的出現讓熱量不再單純依靠電池加熱,可以大幅度提高加熱效率,同時在新一代熱管理系統加持下,空調自由是可以實現的。問題是誰有這樣完美的解決方案。

    熱泵能不能讓電動汽車實現空調自由?


    理論上可以。但實現過程很難。


    回答這個問題之前,我們先來了解一下為什么冬季低溫會讓電動車的續航出現大幅度衰減。


    這其中電池在低溫條件的衰減是根本原因,鋰離子動力電池的低溫性能表現為隨著溫度的降低,動力電池的阻抗增大,放電電壓平臺降低,且電池的端電壓下降較快,導致其可用容量和功率大大衰減。



    從技術原理上來講,低溫環境下,正負極材料中的帶電離子的擴散運動能力變差,穿越電極與電解液的鈍化膜變得更加困難,傳遞速度也因此降低。


    即使鋰離子到達負極以后,在材料內部的擴散也變得不順暢,甚至可能在負極形成鋰凝結,短期反映為電池容量急劇減少,長期反映為電池壽命縮短。


    但冬季電動汽車續航下降并不止以上這一個原因,電動汽車通過空調制熱,空調把電池的電量轉換為熱量,能耗非常之高,大量消耗了動力電池的電量。


    以上兩方面原因共同導致了目前純電動車在冬季的續航相比宣傳續航大幅下降。



    當前為了解決這一困擾,研發人員主要從電池的低溫性能和熱管理兩方面進行提升。


    首先是低溫電池的研發,目前提高電池性能,主要依靠材料的進步,但材料的進步需要時間的積累,目前提高鋰電池的低溫性能仍然是目前研究的熱點和難點。


    目前主流廠商將目光放在了車輛的熱管理上,通過提高效率的方式將電池加熱,讓空調加熱,達到提高電動車冬季續航的效果。



    與燃油車不同,電動汽車沒有發動機,所以整車熱管理系統只能依靠空調系統,電池和電機的散熱通過空調壓縮機,加熱則通過空調熱泵和PTC控制。


    在極低的環境溫度下,如何在保證車內維持適宜的溫度同時,做到能夠快速除霜,電池快速加熱,空調調溫保持線性度,自動空調能夠保持在較高的舒適度,都屬于整車熱管理標定的內容,更進一步的追求則是用最少的電量來實現以上內容,盡量減少因為開空調導致車輛的續航里程降低程度。




    因此熱管理并不是簡單的加熱和制冷,它通過一套復雜的系統讓車內每個零部件保持在最優溫度下,簡單的說,熱管理類似于讓車內各部件像人們發燒之后使用退燒貼;而當寒冷難耐時,可以使用暖寶寶。但無論采用哪種方式都希望在各個零部件之間的熱管理減少熱量損耗、提高效率。




    在量產車中,各個品牌會根據自身產品的定位和使用特性進行取舍,拿出性價比最高的方案,再結合軟件算法進行優化,這也就使得市場上的電動汽車在熱管理方案上表現得千差萬別。


    可以說,在當前各家品牌動力電池性能接近的情況下,熱管理成為電動汽車車冬季續航得以保障的最重要系統,也是各個廠家技術硬實力的體現。


    ——01——

    電動汽車熱管理系統變革的原理


    與傳統燃油車不同,新能源汽車的發展,對于汽車熱管理系統是一場大的變革。傳統燃油車的熱管理架構主要包括了空調系統以及動力總成熱管理系統。


    新能源汽車由于動力源發生了變化,新增了三電系統,因此要對電池、電機、電控等進行熱管理的重新構建。此外,新能源汽車的空調系統因為動力方式的轉變也產生較大的變革,從壓縮機部件到制暖系統都需要進行技術的升級以及產品的替換。


    總體而言,從傳統燃油車到新能源汽車,汽車熱管理系統變得更加復雜,對于整車的重要性愈加提升。


    我們以最早大規模量產電動汽車的特斯拉舉例,其新老車型的熱管理技術迭代,如同熱管理技術的發展簡史一般。



    通以上表格我們可以看到,新車型的熱管理逐漸從全車PTC轉化到熱泵與熱量回收的方式,以提高效率。


    這里我們需要明確兩個名詞,PTC與熱泵。


    PTC在汽車上就是汽車加熱器, 全稱是“Positive Temperature Coefficient”,在純電動汽車上,PTC的原理與電加熱電器類似,像電飯鍋、電磁爐、空調等等,PTC技術即是通過給電阻絲/陶瓷等熱材料通電后產生大量熱量,以提供車輛所需的熱量。


    如果一個不夠,那么再增加一個,或者加大功率。


    其所產生的熱量Q=I2R*T,當電流穩定,電阻值越大,則功率越大,它意味著單位時間內產生的熱量也越大;當電流穩定,電阻值也穩定,那么時間越久,則耗能也越多。


    但由于電池的能量密度相較于汽油來說,實在是小的可憐,目前最新量產的鋰電池能量密度為260千瓦時/立方米,而汽油是8600千瓦時/立方米,柴油則是9600千瓦時/立方米。


    就算電能全部100%轉換為熱能,車內總體的熱量相比燃油車的效率要小的多。



    此時工程師就引入了熱泵。


    這一技術的引入,曾被馬斯克稱為“最好的工程設計之一”。


    在理論上,只要周邊空氣高于絕對零度即可通過熱泵技術收集其熱量,也就是說熱泵技術可以讓電動汽車在地球上任何極寒之地正常行駛,并讓車內保持人所需要的正常溫度。


    不過熱泵并不是新發明,其原理可以簡單理解為“把冷熱空氣搬出搬進”,也即是冷熱空氣“搬運工”,使得車內溫度達到理想溫度,在電耗上也能節約更多電能。


    在目前的高端家用電器中這樣的原理也很常見,我們常說的“空氣能”熱水器和“空氣能”空調就是應用了這一原理。



    根據測算,目前主流的熱泵效率在常見溫度下均能突破100%。


    在熱泵中,由于熱泵制冷劑汽化溫度低于-20℃,它可以在任何高于-5 ℃的其他條件下蒸發汽化,高于-5 ℃的其他條件下不另需要輔助加熱,通過壓縮制冷劑的蒸汽,同理熱泵在加熱循環過程中可以產生400%的熱效率,而低于-5 ℃只需要少量電加熱就可完成高效率運轉,在-18℃的情況下,最優秀的熱管理系統依然能實現超過200%的熱效率。



    因此在目前的先進純電動汽車上,熱泵幾乎成為標配。


    目前應用熱泵技術的車型主要有BMW i3、Jaguar I-Pace、Audi e-tron等,國內有蔚來ES6、榮威Marvel X、哪吒 S等。


    但不同品牌,各家熱泵的效率有巨大差異,這里面的因素更多的是取決于廠家對于每一份熱量的細節把控。


    ——02——

    好的熱管理系統可以將你呼吸的熱量回收


    在上周,即將在二季度預售的哪吒S,搭載了國內首個整車系統級智能熱管理策略,這款車在黑龍江黑河-30℃極寒環境下,剛剛完成了冬季極寒測試。


    我們以這款新車為例,看看國產新勢力到底在細節上下了什么功夫。



    哪吒S系統級別的熱管理,被稱為打通了整車熱量管理,它意味著從乘員艙、電池、電驅到電子部件熱管理全部打通,實現了所有部件物理部分集中和部件控制部分集中,一方面實現管路數量降低40%,可靠性提升50%。同時,整個系統廣泛采用彈性算法進行智能控制,可以保證座艙和電池供熱的前提下實現能耗最小化。


    這種高集成化的設計也應用在了熱泵的設計中,使用九通閥替代傳統熱泵方案中的2個三通閥、1個四通閥。


    九通閥可精確地按比例開閉,通過VCU實現功率無級調節。


    小到流量控制閥、水泵,大到空調壓縮機,前端冷卻模塊上的散熱風扇,都能實現精細化控制,保障電池、空調、電驅工作在最適宜的溫度。


    而這種精細化的程度實現電池余熱回收、電機余熱回收、電池自然冷卻、熱泵電池加熱、熱泵乘員艙加熱等各種節能工作模式,讓熱量最大可能不被浪費,細節的把控程度和數量上甚至勝過特斯拉引以為傲的“8爪魚”8通閥。



    傳統熱泵在-10度以下環境無法啟動,天氣越冷熱泵空調的工作效率越低,制熱效果也越差,而低溫下PTC制熱能耗較高,對續航能力影響極大;哪吒S通過各部件的精細化管理加持高效的軟件系統,其熱泵通過電驅余熱回收等實現熱管理各部件智能化協同控制,整體能效最優。


    在室外環境溫度-18℃時打開外循環工況下,出風溫度可以達到48℃,此時整個系統的COP可達到2.05以上,單熱泵即可滿足乘客艙內的采暖需求。



    哪吒S的熱管理系統利用熱泵+精細化+高集成+智能調節+能量回收等方式,通過自適應智能熱管理控制策略,單次充電節能約2%;電池包自保暖;采用電池恒溫液冷系統,15℃~45℃恒溫占比95%;-20℃低溫浸泡6小時,電芯溫度≥0℃;放電過程中電池自加熱,主要通過智能行車加熱,冬季續航提升約4%。


    可以說無論是硬件設計,還是軟件優化,我國造車新勢力最新產品的熱管理技術已不弱于國外競品。


    此外,無論是電池、電芯、智能駕駛、智能網聯等核心技術,中國也在快速進步,這其中每個部件的迭代進步都會帶來整車續航、安全性能和體驗的提升。


    ——03——

    市場主導的電動汽車市場開啟技術為王的時代


    2月20日,國家發展改革委、工業和信息化部、財政部等12部門,提出在2022年繼續實施新能源汽車購置補貼、充電設施獎補、車船稅減免優惠政策,但是補貼幅度較2021年退坡30%。同時,相關部門確認,新能源汽車購置補貼政策在2022年內正式終止,今年12月31日后上牌的車輛將不再給予補貼。


    新能源汽車補貼在2022年后正式取消,說明我國的新能源汽車行業將徹底完成從政策驅動變為市場驅動。在國內新能源企業頭部玩家也已經建成了較為完備的產業布局和供應鏈體系。


    這讓中國的電動汽車品牌的競爭更聚焦于核心技術。



    即將上市哪吒S的出現可以說反應了我國造車新勢力的信心,它正從拼量產、活下去、多車型、拼銷量的階段,進化到拼技術、拼品質的階段,而其在產品中敢于表達的個性化特質,這是源自于技術和設計的足夠自信。


    “3.9秒的加速度、量產更高效的熱管理、激進有風格的設計?!边@些特性正在吸引越來越多的年輕人。

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