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热泵是啥?电动车冬天想要续航长居然要靠它

时间: 2022-06-21 11:12  来源: 投稿   作者: dxm   点击:  

众所周知,冬季续航里程是电动车的最大痛点之一。
 
尤其是北方,一到冬天续航里程大幅降低,电池在低温环境下,充放电能力会大大降低,从而导致续航大幅缩水,如果能通过对电池进行加热,使电池维持在最佳工作温度区间,就可以使车辆续航得到提升。
 热泵是啥?电动车冬天想要续航长居然要靠它

不过在低温下,驾驶舱内不得不出现空调制热的需求,本身加热电池和驱动车子来说,对电池的压力本来就够大了,如果再加上驾驶舱供热,还要靠电池来供能的话,那对电池来说就是雪上加霜,续航能力进一步缩减。
 
目前市面上绝大部分电动车主要采用两种方式,一种是使用PTC热敏内阻,也就是增加一个类似电阻丝的装置,通过加热电阻丝来将电能转化为热量并吹至驾驶舱。
 
这种技术类似于我们日常生活中的吹风机,加热电热丝后,吹出的就是热风了,虽然足够好用,但缺点也十分明显,那就是功率太大,极度消耗电能,会让本就疲软的冬季续航雪上加霜,几乎一半的电量都用于制热。
 
而另一种则是像Model Y一样,采用了热泵空调。热泵本身不生产热量,而是将车外的热量补充到车内取暖,工作原理基于“逆卡诺循环”,制热主要有以下几个步骤:
 
1、蒸发器从环境中吸取热量进入热泵系统;
 
2、低压工质被压缩升温;
 
3、高温高压工质在冷凝器中与舱内空气换热;
 
4、加热后的空气被送入车厢内;
 
5、高压工质经膨胀阀成为低温低压气体完成循环。
 
不过需要指出的是,由于热泵系统在制热模式时,车外换热器作为蒸发器使用,需要吸收外界环境的热量,因此在极寒条件下(一般是-20℃以下),制热效率并不高。
 
其实说白了,大家其实可以简单的把热泵空调看作家里用的空调,只不过热传递的方向反过来了,热泵空调是把热量带到车内的同时,向室外吹出凉风。
 
说到这,要先给大家科普一个小知识:空调中将制冷(热)循环中产生的制冷(热)量与制冷(热)所耗电功率之比称之为制热能效比(COP)。
 
通常来说,电加热器(PTC)是一种半导体发热陶瓷,当外界温度降低,PTC的电阻值随之减小,在电压导通下产生电流,电流通过电阻产生热量,因此其COP最大值不超过1,也就是说1KW电量最多可产生1KW热量。
 
而一般电动汽车的PTC功率大致在1-6kw,完成除霜功能按面积大小需要功率在2-3kw左右,PTC水加热则需要4-6kw左右。按照公开资料显示,以此前主流的续航300km平均带电量35kw到电动车为例,以平均30km/h的城市车速行驶和2kw的PTC加热,续航里程将缩减少91km,减少36%。
 
热泵空调则利用了蒸发吸热,液化放热的热力学原理,利用低沸点的制冷剂将环境中的热量带入到乘客舱中,乘客舱得到的热量为消耗的电能与吸收的低位热能之和,最低理论COP也高于1。
 
同样参考公开数据,仍以续航300km带电35kw的典型电动车为例,使用热泵空调将加热功率下降至1kw,则续航里程减少为233km,远高于PTC制冷的192km。可见在动力电池没有突破性进展的情况下要保证低能耗制热,热泵空调是为数不多的有效技术。
 
单纯冷冰冰的数据或许大家看的并不直观,以实际车型PTC的特斯拉Model S和热泵空调的特斯拉Model Y给大家举个例子:
 
在-15℃到15℃这个温区,两者耗电量一般比例在2/3:1。以此前的实验数据为例,15℃时PTC耗电量为0.66kWh,热泵系统耗电量仅为0.33kWh,两者耗电量之比为2;-15℃时两者耗电量之比为1.56。相同环境温度下外循环PTC的耗电量比例增加更大。
 
尤其是此前,美国消费者报告在2019年2月的测试数据显示,在室外零下20摄氏度左右天气中,Model 3的续航折损121英里(约195公里),相当于折损近一半。因此对于特斯拉来说,旗下最新的Model Y就不得不采用热泵系统提升其续航。
 
可以说使用热泵空调,已被公认为应对电动车冬季续航衰减、提升综合性能的最佳方案之一。除了特斯拉、奥迪,日产聆风、雷诺ZOE、宝马i3、丰田普锐斯、捷豹I-PACE等车型均已搭载热泵空调。
 
国产电动车也完成了从0到1的突破,已经有相当一部分自主品牌电动车已经开始开始跟上,甚至可以说更进一步:例如领克就为其首款纯电动车领克ZERO concept量产车搭载了一套更为先进的热管理系统。
 
从领克ZERO concept量产车公布的信息来看,这套热管理系统的核心就是直接式热泵,其能效可以达到传统PTC模式的2-3倍。
 
而直接式热泵能够把热量从低温工质(自然环境)泵到高温工质(动力电池舱)内,通过消耗小部分电能将外界热量泵进乘客舱内,实现消耗少量的电“搬运”热量,从而提升制热能效。
 
在目前热泵系统领域中,也仅有捷豹I-Pace、丰田普锐斯等极少的纯电动车搭载了这一电池加热方式。
 
但领克ZERO concept量产车所采用的高温高压冷媒直接供热技术相比普通热泵,热效率则还提升了10%。所以不论是对比传统PTC模式还是相同的热泵模式,领克ZERO concept量产车都走在了技术的最前端。
 
关键是,领克ZERO concept量产车这套热管理系统还可在-30℃的极寒条件下,将动力电池舱的温度提升至15-20℃的电池稳定工作温度。
 
与单一PTC模式车型相比,领克ZERO concept量产车能够提升80+km的续航里程,用于电池热管理的能耗,则减少了50%,冬季“热车”的效率更高,乘员舱内2分钟出风温度最高可达55℃。
 
与此同时,领克ZERO concept量产车还因为配备了电池预加热系统,半导体振荡加热技术可以提升50%以上的预热效率。通过智能化的全新一代热管理系统,领克ZERO concept量产车经过SOC精准估算策略,能够更加精准的反馈电池续航。
 
总结
 
消费者购买纯电车型时,最重要的一个参考指标就是续航,虽然现在各大厂商,都在尝试通过突破电池容量上线来换取更高的续航,但电动车怕冷归根结底是电池怕冷,除了续航会大打折扣之外,充电速度和性能也会受到不同程度的影响。
 
电动车需要通过更科学的方式来提升续航和用户体验,像特斯拉、领克ZERO concept量产车这样的电池热管理系统,或许才是真正科学高效发展方向之一。
 
尤其是现在领克ZERO concept量产车所公布使用的直接式热泵系统,虽然目前在同级别车型中是比较少见。
 
但随着在未来的纯电动车发展上,电池容量是发展核心,电池安全、电池材料、电池温控、智能电控等方面是发展重点。毕竟只有在电池性能各方面都提升的前提下,纯电动车的续航以及安全才能得到更有效的保证,或许也会给整个电动车市场提出新的技术思路。
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