近年来,全球范围内电动汽车销量逐渐增加,消费者的接受度也在不断提升。然而,阻碍人们全面拥抱电动汽车的最大瓶颈仍然是电池寿命的老式问题,尤其是在寒冷的冬天。
其实冬季车辆能耗上升并不是电动车独有的问题,冬季燃油车油耗会增加,只是电动车对低温更“敏感”。简而言之,燃油车消耗的能量有60%-70%是以热量的形式浪费掉的,而电动汽车只有10%左右的能量会转化为热量。也就是燃油车加热冷却液、机油和乘员舱,这就是“废物利用”,而电动汽车则需要利用原本用于行驶的能量来提供热量。但从另一个角度来看,冬季燃油车产生的大量热能也是温室气体排放的重要组成部分之一。
此外,冬季电池寿命下降的另一个更重要的原因是由电池的特性决定的。一般来说,三元锂电池在低温下的性能优于磷酸铁锂电池,但低温下电池的性能会受到很大限制。低温对电池的暂时影响是电池内阻增大、锂离子包覆现象等。这导致可用容量和放电率(性能)的降低。如果长期在低温下使用,还会造成电池永久性损坏。
因此,当温度较低时,必须对电池进行加热,以获得更好的性能、循环寿命和安全性。通过对车辆进行预热,以较少的电能将电池和电机加热到最佳温度,大大提高了行驶阶段的效率,从而使综合续航能力几乎与夏季持平。对于车企来说,要想在冬季提高电动车的续航性能,就必须从系统层面考虑,而这部分恰恰是各公司真正展现“内功”的时候。
以前很多电动车使用PTC(正温度系数)加热器进行加热,具有改装简单、可靠性高的优点。但冬季使用PTC加热会使续航里程降低20.1%-56.4%,而使用热泵技术可以明显增加续航里程。当热泵效率达到1.7时,续航里程将增加7.4%-13.2%。因此,热泵系统正成为主流电动汽车制造商关注的热点。所谓热泵,简单理解就是通过压缩机将气体强制变成液体,从而释放热能,实现能量的“输送”。
以全球领先的电动汽车特斯拉为例,它不仅优化了热泵本身的设计,还创新了整个热管理系统的软硬件。针对传统热泵空调在极寒天气下制热效率低、成本高的缺点,特斯拉在传统热泵运行原理的基础上重新设计后,可以充分利用外部自然能源(空气)和电机、电池的余热进行制热,提高了效率,降低了成本。
其次,特斯拉的热泵系统采用了八向控制阀,由八个冷却剂通道和电机组成。用水阀代替所有传统多分支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运行模式,不仅减少了车内占用空间,而且大大降低了故障率,提高了可靠性,可以更好地利用电池、电机甚至电路板的余热来改善系统。
特斯拉自主研发的软件可以基于感知外界温度和自身系统智能调节热泵的工作模式,包括COP_high高能效模式、COP_blend混合模式和COP_1低能效模式。模式切换可以大大提高系统的工作效率,最终降低能耗,提高冬季续航能力,最大限度地提高能源利用效率。
目前蔚来EC6,小鹏P5,ID。大众基于MEB平台打造的系列纯电动车、比亚迪基于E平台3.0打造的Dolphin、吉利旗下的Geometry C等纯电动车都搭载了热泵系统。虽然整体热管理系统和BMS电池管理系统的效率还有待进一步提升,但相信这项技术在不久的将来会成为帮助电动汽车“御寒”的重要“法宝”。
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