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為何熱泵對於特斯拉至關重要?

2021-10-28汽車

如今的電動車市場,一年比一年「繁華」,新老車企接連不斷推出新電動車。

並且乍一看,各家電動車的紙面參數好像都差不多,然後能夠實作的「智能化」功能也都大差不差,最終消費者能夠感知和左右抉擇的,往往都是品牌、外觀、空間等因素。

當然,同質化的紙面參數是個好事,各家廠商八仙過海各顯神通,起碼在消費者比較在乎的「產品力」上,能夠打個不分你我;這說明電動車行業越來越成熟,能夠供消費者選擇的空間也越來越大。

但是,看過經典武俠小說的都知道,裏面的絕世高手往往看上去平平無奇,卻總是能在關鍵時刻憑借一身多年造詣的內功,驚艷四座。這其實暗藏著一種哲學思考,即透過現象看本質;也就是不要被表象所迷惑,因為真正決定高低的是那些無法一眼看透的東西。

所以如果將這些車看作是武俠小說人物的話,那麽即將到來的冬天,將會是一場「見真章」的比武大會,有沒有真本事,一試便知。

誰動了電動車的「續航」?

盡管從發展速度來講,電動車的接受度已經越來越高,但毫無疑問,阻止人們全面擁抱電動車的最大元兇,仍然是老生常談的續航問題。

尤其在寒冷的冬天,這個問題尤為凸顯。

坦白講,冬季車輛行駛能耗升高並非是電動車獨有,燃油車一樣在冬天油耗會升高,只不過電動車對於低溫更加「敏感」一些。

燃油車冬季油耗增加,是因為冷卻水和機油溫度較低,導致發動機不在最佳工作溫度區間做功,使得燃油沒有被完全利用,從而浪費掉了。

而對電動車而言,冬季能耗增加,一方面是電機和電池未在最佳工作溫度區間做功,使得電機效率降低、電池效能受限;而另一方面則是電動車需要消耗電能給電機、電池、乘員艙加熱。

區別在於,燃油車給動力系統、乘員艙提供熱量幾乎不額外增加負擔,而電動車則要消耗更多能源。

究其原因,是因為燃油車行駛所消耗的能源中, 60%-70%以熱量形式浪費掉了,而電動車僅有10%左右的能源會被轉化成熱能。也就是燃油車給冷卻液、機油、乘員艙加熱,是「廢物利用」,而電動車則要動用原本用作行駛的能源來提供熱量。

此外更重要的是,無論電動車搭載多少kW·h(度)的電池包,都無法與一箱油媲美能源大小。

一升汽油所蘊含的能量相當於8.9kW·h電能(國際通用換算標準)。按照燃油車油箱50升來看,換算成電力約為445kW·h,而目前市場上純電動車搭載的電池包一般在50kW·h到100kW·h之間,對比之下,燃油車攜帶的能源大概是純電動車的4-9倍之間。

也就是說,燃油車本來就能源「富足」,且本就是浪費的能源在冬季回收利用了,所以不會對續航有太大影響;而電動車搭載的能源本就有限,在冬季還要分配一部份用作提供熱量時,就會對續航產生明顯影響。

不過,同時也就意味著,你加油花的400塊錢,將近300塊錢都給溫室效應做貢獻了,剩下那100塊錢,實作了電動車僅需幾十塊錢就能行駛的續航距離。

冬季續航下降的另一個更重要的原因,是電池。

盡管各家電動車所采用的電池略有不同,但基本上可以簡單分為兩大類:三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。而目前來看,在同類電池中,就電芯級別的低溫表現並無太大差異。

由於材料本身的性質決定,舉個形象的比喻,鋰電池中大量的鋰離子就像是一群小朋友,天氣過冷,導致大家活動意願下降,甚至三五成群取暖,即便老師強迫要求出去活動,也會因為速度下降,導致教室大門發生擁堵,進而單位時間出門的小朋友數量減少。

只不過從陰極材料的分子結構來看,三元鋰電池的「教室大門」多一些寬敞一些,磷酸鐵鋰電池的則少一些窄一些,所以磷酸鐵鋰電池在低溫時候效能會下降更嚴重。

也正是這種結構決定了三元鋰電池的能量密度和充放電效能,要比磷酸鐵鋰電池好很多,而磷酸鐵鋰電池則要穩定安全許多;不過後來透過包碳技術和納米級材料工藝,使得磷酸鐵鋰電池的充放電效能已經大大提高,並且能量密度也得到了相當的提升。

總體來講,三元鋰電池的電芯在低溫的表現,比磷酸鐵鋰電池要好一些,但兩者在低溫狀態下,其電芯的效能都會大大受限。低溫對電池臨時性的影響是導致電池內阻增加、鋰離子鍍膜現象等,導致可用容量下降,放電速率下降(效能);如果長時間低溫狀態使用,還會導致永久性的電池損傷。

所以低溫時候,就必須要給電池加熱,才能夠實作更好的效能和迴圈壽命以及安全。尤其是冬天在使用電動車之前,如果先對車輛進行預熱,不但上車後能夠有良好的用車體驗,其預熱期間消耗的能源加上隨後行駛一段距離,遠比直接冷車直接開走行駛相同距離所消耗的能源少得多。

這是因為車輛透過預熱,用較少的電能將電池、電機都加熱到了最佳溫度,使得行駛階段效率大大提升,從而使得綜合續航與夏季時幾乎差不多。

換句話說對於車企而言,想要提升電動車在冬天的續航表現,就得從系統層面去考慮,而這一部份也恰恰是各家真正展現「內功」的時候。

武林秘籍「熱泵」?

其實總結來說,電動車冬季的續航問題,可以歸納為一個問題:提供熱量,而且是效率越高效果就越明顯。

目前大部份純電動車的制熱系統都是PTC加熱,其能效比為1,以3000W的功率考慮,那麽滿功率開啟熱風一個小時,即消耗3kWh電量,這對於百公裏消耗10-20kWh的純電動車而言,無疑是「奢侈消費」。

作為行業標桿的特斯拉,拿出的方案是采用熱泵來大幅提高效率。

熱泵,簡單理解就是透過壓縮機,將氣體強制變成液體,從而釋放出熱能,來實作能源的「搬運」;換句話說,就是家用空調反過來用。其最大的特點就是,能夠實作「四兩撥千斤」的效果,即從低溫中吸收熱能,再將其搬運到所需之處,大幅提高制熱效率,其能效比在合適環境能達到3。

不過熱泵這玩意,特斯拉並非是第一家用在電動車上的,也更不是什麽新鮮玩意,家電領域和工業領域早有采用。但不同的是,特斯拉不僅針對熱泵本身進行了最佳化設計,還對整個熱管理系統的軟硬件層面進行了創新。

首先是傳統熱泵空調存在極寒天氣制熱效率低,成本高等劣勢,而特斯拉熱泵系統在傳統熱泵的執行原理基礎上,經過巧妙設計,能夠充分利用外界自然能(空氣)、電機與電池的余熱來進行制熱,在提高效率同時,還降低了成本。

其次是特斯拉的熱泵系統套用了的八向控制閥(Octovalve),它由8個冷卻液通道和電機組成,使用一只水閥代替了傳統多支路所有水路換向元件的功能,可以實作空調、電池、電機熱管理系統的並聯獨立執行和串聯工作模式,不僅減少車內空間占用,還可以大幅降低故障率、提高可靠性,能夠更好地利用電池、電機,甚至是電路板等執行余熱以提升制熱效率。

最後,復雜的整合化系統需要智能的控制才能得以實作精確且最佳的效果。特斯拉自主開發的軟件可以基於感知外界和自身系統溫度,智能調節熱泵工作模式,包括COP_high高能效模式、COP_blend混合模式和COP_1低能效模式,模式切換可以大幅提高系統工作效率,最終達到降低能耗,提升冬季續航能力,實作能量利用效率最大化。

所以,即便電動車采用了熱泵,但實際的效果很可能大不相同,還要取決於整體熱管理系統,以及BMS電池管理系統等各種提高效率的方式。

總結

得益於傳統熱泵基礎上的自主創新,特斯拉車輛的冬季駕駛體驗獲得了較大提升。老司機們不難看出,即使在寒冷天氣,特斯拉的電耗仍然保持在合理的範圍內,充電速度也和平時差不多。甚至掌握一些小竅門之後,體驗還能再上一層樓。

比如提前在手機上開啟「按時出發」功能,來預熱電池、加熱座艙,不僅上車後溫暖如春,也可以幫助車輛提高效率、降低能耗,更不存在燃油車那種磨人的「熱車」環節。充電前,使用「路線規劃」功能就,導航到超級充電站的路上提前預熱電池,提升充電速度。

凜冬將至。但真正有「內功」禦寒的車企,已經準備好了。