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電動汽車熱泵系統

汽車 更新时间:2024-09-02 07:20:18

衆所周知,冬季續航裡程是電動車的最大痛點之一。

尤其是北方,一到冬天續航裡程大幅降低,電池在低溫環境下,充放電能力會大大降低,從而導緻續航大幅縮水,如果能通過對電池進行加熱,使電池維持在最佳工作溫度區間,就可以使車輛續航得到提升。

電動汽車熱泵系統(電動車冬天想要續航長居然要靠它)1

不過在低溫下,駕駛艙内不得不出現空調制熱的需求,本身加熱電池和驅動車子來說,對電池的壓力本來就夠大了,如果再加上駕駛艙供熱,還要靠電池來供能的話,那對電池來說就是雪上加霜,續航能力進一步縮減。

目前市面上絕大部分電動車主要采用兩種方式,一種是使用PTC熱敏内阻,也就是增加一個類似電阻絲的裝置,通過加熱電阻絲來将電能轉化為熱量并吹至駕駛艙。

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這種技術類似于我們日常生活中的吹風機,加熱電熱絲後,吹出的就是熱風了,雖然足夠好用,但缺點也十分明顯,那就是功率太大,極度消耗電能,會讓本就疲軟的冬季續航雪上加霜,幾乎一半的電量都用于制熱。

而另一種則是像Model Y一樣,采用了熱泵空調。熱泵本身不生産熱量,而是将車外的熱量補充到車内取暖,工作原理基于“逆卡諾循環”,制熱主要有以下幾個步驟:

1、蒸發器從環境中吸取熱量進入熱泵系統;

2、低壓工質被壓縮升溫;

3、高溫高壓工質在冷凝器中與艙内空氣換熱;

4、加熱後的空氣被送入車廂内;

5、高壓工質經膨脹閥成為低溫低壓氣體完成循環。

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不過需要指出的是,由于熱泵系統在制熱模式時,車外換熱器作為蒸發器使用,需要吸收外界環境的熱量,因此在極寒條件下(一般是-20℃以下),制熱效率并不高。

其實說白了,大家其實可以簡單的把熱泵空調看作家裡用的空調,隻不過熱傳遞的方向反過來了,熱泵空調是把熱量帶到車内的同時,向室外吹出涼風。

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說到這,要先給大家科普一個小知識:空調中将制冷(熱)循環中産生的制冷(熱)量與制冷(熱)所耗電功率之比稱之為制熱能效比(COP)。

通常來說,電加熱器(PTC)是一種半導體發熱陶瓷,當外界溫度降低,PTC的電阻值随之減小,在電壓導通下産生電流,電流通過電阻産生熱量,因此其COP最大值不超過1,也就是說1KW電量最多可産生1KW熱量。

而一般電動汽車的PTC功率大緻在1-6kw,完成除霜功能按面積大小需要功率在2-3kw左右,PTC水加熱則需要4-6kw左右。按照公開資料顯示,以此前主流的續航300km平均帶電量35kw到電動車為例,以平均30km/h的城市車速行駛和2kw的PTC加熱,續航裡程将縮減少91km,減少36%。

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熱泵空調則利用了蒸發吸熱,液化放熱的熱力學原理,利用低沸點的制冷劑将環境中的熱量帶入到乘客艙中,乘客艙得到的熱量為消耗的電能與吸收的低位熱能之和,最低理論COP也高于1。

同樣參考公開數據,仍以續航300km帶電35kw的典型電動車為例,使用熱泵空調将加熱功率下降至1kw,則續航裡程減少為233km,遠高于PTC制冷的192km。可見在動力電池沒有突破性進展的情況下要保證低能耗制熱,熱泵空調是為數不多的有效技術。

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單純冷冰冰的數據或許大家看的并不直觀,以實際車型PTC的特斯拉Model S和熱泵空調的特斯拉Model Y給大家舉個例子:

在-15℃到15℃這個溫區,兩者耗電量一般比例在2/3:1。以此前的實驗數據為例,15℃時PTC耗電量為0.66kWh,熱泵系統耗電量僅為0.33kWh,兩者耗電量之比為2;-15℃時兩者耗電量之比為1.56。相同環境溫度下外循環PTC的耗電量比例增加更大。

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尤其是此前,美國消費者報告在2019年2月的測試數據顯示,在室外零下20攝氏度左右天氣中,Model 3的續航折損121英裡(約195公裡),相當于折損近一半。因此對于特斯拉來說,旗下最新的Model Y就不得不采用熱泵系統提升其續航。

可以說使用熱泵空調,已被公認為應對電動車冬季續航衰減、提升綜合性能的最佳方案之一。除了特斯拉、奧迪,日産聆風、雷諾ZOE、寶馬i3、豐田普銳斯、捷豹I-PACE等車型均已搭載熱泵空調。

國産電動車也完成了從0到1的突破,已經有相當一部分自主品牌電動車已經開始開始跟上,甚至可以說更進一步:例如領克就為其首款純電動車領克ZERO concept量産車搭載了一套更為先進的熱管理系統。

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從領克ZERO concept量産車公布的信息來看,這套熱管理系統的核心就是直接式熱泵,其能效可以達到傳統PTC模式的2-3倍。

而直接式熱泵能夠把熱量從低溫工質(自然環境)泵到高溫工質(動力電池艙)内,通過消耗小部分電能将外界熱量泵進乘客艙内,實現消耗少量的電“搬運”熱量,從而提升制熱能效。

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在目前熱泵系統領域中,也僅有捷豹I-Pace、豐田普銳斯等極少的純電動車搭載了這一電池加熱方式。

但領克ZERO concept量産車所采用的高溫高壓冷媒直接供熱技術相比普通熱泵,熱效率則還提升了10%。所以不論是對比傳統PTC模式還是相同的熱泵模式,領克ZERO concept量産車都走在了技術的最前端。

關鍵是,領克ZERO concept量産車這套熱管理系統還可在-30℃的極寒條件下,将動力電池艙的溫度提升至15-20℃的電池穩定工作溫度。

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與單一PTC模式車型相比,領克ZERO concept量産車能夠提升80 km的續航裡程,用于電池熱管理的能耗,則減少了50%,冬季“熱車”的效率更高,乘員艙内2分鐘出風溫度最高可達55℃。

與此同時,領克ZERO concept量産車還因為配備了電池預加熱系統,半導體振蕩加熱技術可以提升50%以上的預熱效率。通過智能化的全新一代熱管理系統,領克ZERO concept量産車經過SOC精準估算策略,能夠更加精準的反饋電池續航。

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總結

消費者購買純電車型時,最重要的一個參考指标就是續航,雖然現在各大廠商,都在嘗試通過突破電池容量上線來換取更高的續航,但電動車怕冷歸根結底是電池怕冷,除了續航會大打折扣之外,充電速度和性能也會受到不同程度的影響。

電動車需要通過更科學的方式來提升續航和用戶體驗,像特斯拉、領克ZERO concept量産車這樣的電池熱管理系統,或許才是真正科學高效發展方向之一。

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尤其是現在領克ZERO concept量産車所公布使用的直接式熱泵系統,雖然目前在同級别車型中是比較少見。

但随着在未來的純電動車發展上,電池容量是發展核心,電池安全、電池材料、電池溫控、智能電控等方面是發展重點。畢竟隻有在電池性能各方面都提升的前提下,純電動車的續航以及安全才能得到更有效的保證,或許也會給整個電動車市場提出新的技術思路。

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