電動車冬季續航為何會變短?解決辦法全靠它

電動車冬季續航為何會變短?解決辦法全靠它

  誰動了電動車的“續航”?尤其在寒冷的冬天,續航問題尤為凸顯。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温更加“敏感”一些。電動車冬季續航降低是客觀事實,那麼如何緩解這個問題呢?

  燃油車冬季油耗增加,是因為冷卻水和機油温度較低,導致發動機不在最佳工作温度區間做功,為了快速暖機,電腦會成倍的多噴射燃油,此時燃油燃燒不充分,造成了油耗的升高。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温度區間做功,使得電機效率降低、電池性能受限;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。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。

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  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化學能能量的大小。  一升汽油所藴含的能量相當於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。

  也就是説,燃油車本來就能源“富足”,且本就是浪費的熱能在冬季回收利用作為熱風供給乘員艙,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分用作提供熱量時,就會對續航產生明顯影響。

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  冬季續航下降的另一個更重要的原因,是電池。儘管各家電動車所採用的電池略有不同,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,就電芯級別的低温表現並無太大差異。

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  由於材料本身的性質決定,鋰電池中大量的鋰離子就像是一羣小朋友,天氣過冷,導致大家活動意願下降,甚至三五成羣取暖,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温時候性能會下降更嚴重。

  也正是這種結構決定了三元鋰電池的能量密度和充放電性能,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;不過後來通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性能已經大大提高,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温的表現,比磷酸鐵鋰電池要好一些,但兩者在低温狀態下,其電芯的性能都會大大受限。低温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(性能);如果長時間低温狀態使用,還會導致永久性的電池損傷。

  所以低温時候,就必須要給電池加熱,才能夠實現更好的性能和循環壽命以及安全。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。

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  這是因為車輛通過預熱,用較少的電能將電池、電機都加熱到了最佳温度,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。

  換句話説對於車企而言,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,而這一部分也恰恰是各家真正展現“內功”的時候。

  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。

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電阻絲加入與熱泵加熱功耗實測

  目前大部分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,那麼滿功率開啓熱風一個小時,即消耗3kWh電量,這對於百公里消耗10-20kWh的純電動車而言,無疑是“奢侈消費”。PTC空調,可以簡單理解為熱吹風機,通過加熱電阻絲放出熱風,功耗大,國外車主經過實測制熱3小時用掉2度電。

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熱泵原理

  以特斯拉為例,其採用了熱泵加入系統,利用壓縮機將低沸點液體(冷媒)蒸發吸熱,液化放熱的原理,把外界的熱量搬到駕駛室。功耗低效率高,實測制熱3小時用掉0.7度電。

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熱泵原理圖

  不過熱泵這玩意,特斯拉並非是第一家用在電動車上的,也更不是什麼新鮮玩意,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優化設計,還對整個熱管理系統的軟硬件層面進行了創新。

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  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運行原理基礎上,經過巧妙設計,能夠充分利用外界自然能(空氣)、電機與電池的餘熱來進行制熱,在提高效率同時,還降低了成本。

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  其次是特斯拉的熱泵系統應用了的八向控制閥(Octovalve),它由8個冷卻液通道和電機組成,使用一隻水閥代替了傳統多支路所有水路換向元件的功能,可以實現空調、電池、電機熱管理系統的並聯獨立運行和串聯工作模式,不僅減少車內空間佔用,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,甚至是電路板等運行餘熱以提升制熱效率。

  最後,複雜的集成化系統需要智能的控制才能得以實現精確且最佳的效果。特斯拉自主開發的軟件可以基於感知外界和自身系統温度,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,實現能量利用效率最大化。

  所以,即便電動車採用了熱泵,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。

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馬斯克左手特斯拉HEPA濾芯與其他車型濾芯對比

  在北方冬季用車,還會遇到一個比續航更嚴重的問題,直接關係到人們的健康,那就是空氣污染。這時候空調濾芯就體現出它的作用了。有很多吸附空氣中小顆粒物的方法,比如靜電吸附、等離子除塵、活性炭吸附等等,但首先需要有個好的空調濾芯。

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Model Y 超大號 的HEPA 空調濾芯
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生化武器防禦模式

  特斯拉Model Y的空調濾芯是目前所有乘用車中已知最大號的,也正是因為有了超大的醫院級別的 HEPA 空調濾芯,特斯拉Model Y 可實現“生化武器防禦”模式。根據特斯拉首席執行官埃隆-馬斯克的説法,HEPA 過濾器比大多數汽車的空調濾芯大 10 倍左右。特斯拉表示,該過濾器也比普通汽車空氣過濾器有效 100 倍。當它以最高效率工作時,它可能能夠保護人們免受生物武器的攻擊。

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特斯拉 熱泵(紅圈處)

  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。再加上特斯拉密集的自有超充樁的支持,不論是市區代步還是長途跋涉,特斯拉都可以滿足車主對冬季長距離出行的需要。

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