乘用车 电动车冬季续航为何会变短?解决办法全靠它
谢锐精 POST:2021-11-2 11:00 复制链接 看图
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  谁动了电动车的“续航”?尤其在寒冷的冬天,续航问题尤为凸显。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。电动车冬季续航降低是客观事实,那么如何缓解这个问题呢?

  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,为了快速暖机,电脑会成倍的多喷射燃油,此时燃油燃烧不充分,造成了油耗的升高。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。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。

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  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化学能能量的大小。一升汽油所蕴含的能量相当于8.9kWh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445kWh,而目前市场上纯电动车搭载的电池包一般在50kWh到100kWh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”,且本就是浪费的热能在冬季回收利用作为热风供给乘员舱,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。

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  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。

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  由于材料本身的性质决定,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。

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  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。

保证冬季续航的关键——热泵系统

  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。

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电阻丝加热与热泵系统功耗实测

  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”。PTC空调,可以简单理解为热吹风机,通过加热电阻丝放出热风,功耗大,国外车主经过实测制热3小时用掉2.17度电,而热泵系统只用掉了0.735度电,是前者的三分之一。

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热泵原理

  以特斯拉为例,其采用了热泵系统,利用压缩机将低沸点液体(冷媒)蒸发吸热,液化放热的原理,把外界的热量搬到驾驶室。功耗低效率高,实测制热3小时用掉0.735度电。

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热泵原理图

  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。

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  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。

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  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。

冬季除了续航 还有雾霾

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马斯克左手特斯拉HEPA滤芯与其他车型滤芯对比

  在北方冬季用车,还会遇到一个比续航更严重的问题,直接关系到人们的健康,那就是空气污染。这时候空调滤芯就体现出它的作用了。有很多吸附空气中小颗粒物的方法,比如静电吸附、等离子除尘、活性炭吸附等等,但首先需要有个好的空调滤芯。

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Model Y 超大号 的HEPA 空调滤芯

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生化武器防御模式

  特斯拉Model Y的空调滤芯是目前所有乘用车中已知最大号的,也正是因为有了超大的医院级别的 HEPA 空调滤芯,特斯拉Model Y 可实现“生化武器防御”模式。根据特斯拉首席执行官埃隆-马斯克的说法,HEPA 过滤器比大多数汽车的空调滤芯大 10 倍左右。特斯拉表示,该过滤器也比普通汽车空气过滤器有效 100 倍。当它以最高效率工作时,它可能能够保护人们免受生物武器的攻击。

写在最后

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特斯拉 热泵(红圈处)

  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。再加上特斯拉密集的自有超充桩的支持,不论是市区代步还是长途跋涉,特斯拉都可以满足车主对冬季长距离出行的需要。

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