“熱管理”對于大部份傳統(tǒng)車消費者來說,即陌生又無感。但到了純電汽車時代,由于電池成本很貴,電池的能耗成了車企和用戶關(guān)注的焦點。熱管理的重要性就被凸顯。
整車熱管理系統(tǒng),不管是給座艙調(diào)節(jié)溫度,還是給電池保溫,都會對能耗、續(xù)航產(chǎn)生了直接的影響,在媒體機構(gòu)冬季測試中,熱管理的好壞,通過續(xù)航的達成率和能耗的增加的比例可以直觀的顯現(xiàn)出來。
Part 1、什么是熱管理系統(tǒng)
我們首先來說明什么是熱管理系統(tǒng),以及什么是好的熱管理系統(tǒng)。
從用戶的角度來說,電動汽車時代熱管理系統(tǒng)主要的作用,體現(xiàn)在一內(nèi)一外。內(nèi)部是讓車內(nèi)溫度冬暖夏涼,比如給座椅和方向盤加熱,或者提前打開空調(diào)等等——在快速調(diào)節(jié)座艙溫度的過程中,用多少時間達到指定的溫度、需要花費多少能量,如何平衡很關(guān)鍵;外部是要確保電池處在適合工作的溫度——既不能太熱,會熱失控、起火;也不能太冷,電池溫度過低的時候,能量釋放受阻,對實際使用影響就是續(xù)航里程明顯下降。
熱管理在冬季會更重要,因為防止熱失控在電池設(shè)計時已經(jīng)考慮得比較充分了,但在冬天,怎么花較少的能量讓電池處在最佳的工作溫度,就是熱管理要解決的重點問題。
由此可見,電動汽車的熱管理系統(tǒng),不僅僅是燃油車的空調(diào)系統(tǒng),還需要在此基礎(chǔ)上做一些深度的迭代,要同電子電氣架構(gòu)、動力總成、剎車系統(tǒng)等 一起進行協(xié)調(diào)、優(yōu)化,因此,這里面是有很多的門道和講究。
Part 2、如何進行熱管理
●?傳統(tǒng)的辦法:PTC加熱
在傳統(tǒng)設(shè)計中,為給乘客艙以及電池提供熱源,電動車會額外配置熱源零部件PTC。PTC是指正溫度系數(shù)熱敏電阻,這個零件的電阻和溫度是正相關(guān)的。也就是說,當環(huán)境溫度降低,PTC的電阻也會降低。這樣在恒定電壓下通電,電阻變小導(dǎo)致電流增大,通電的發(fā)熱量就會隨之變大,起到加熱的效果。
PTC加熱有兩種方案,水暖和風暖。這兩者的區(qū)別是加熱的介質(zhì)不同,水暖是通過PTC加熱冷卻液,再和散熱器進行熱交換;風暖則是冷空氣直接和PTC進行換熱,最終吹出暖風。
●?特斯拉的熱泵系統(tǒng)
除了傳統(tǒng)方法,熱管理工程師也在積極嘗試新的方案。比如特斯拉的解決方案。我有一個朋友,是電車小白用戶,她問我特斯拉到底好在哪里?其實特斯拉在電車上,有很多技術(shù)創(chuàng)新點,圍繞熱泵系統(tǒng)的熱管理就是其中之一。
熱泵相當于熱量的“搬運工”,可以把低溫“物體”,比如外界的冷空氣的熱量吸收出來,傳遞到工質(zhì)內(nèi),再通過對工質(zhì)的壓縮使其升溫,最終高溫工質(zhì)通過冷凝器和車內(nèi)空氣進行換熱,實現(xiàn)暖風的功能。——需要說明的是,這項技術(shù)本身也不是特斯拉首創(chuàng),在電動汽車發(fā)展初期,傳統(tǒng)車企已經(jīng)在汽車上應(yīng)用了熱泵系統(tǒng),并且花了5-8年的時間進行產(chǎn)品技術(shù)驗證。
熱泵技術(shù)有四個核心零部件,分別是:電動壓縮機、換向閥、換熱器和電子膨脹閥。重點來了,傳統(tǒng)設(shè)計中,換向閥是四通的,熱源就是外界空氣。而特斯拉的創(chuàng)新在于,整合了更多的熱源,開發(fā)了八通閥,作為車輛上熱管理系統(tǒng)的“調(diào)度員”,特斯拉的粉絲親切的地稱之為“八爪魚”。
特斯拉改良的熱泵系統(tǒng),本質(zhì)是將兩部分進行了融合:
一是傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)所依賴的環(huán)境熱量;
二是動力電池系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)(包括電機和傳統(tǒng)系統(tǒng))以及功率電子產(chǎn)生的余熱。特斯拉的熱管理依靠八通換向閥,對上面兩種來源的熱量進行復(fù)雜的熱量汲取,更高效地搬運熱量,既能讓車內(nèi)極速升溫,又能有效節(jié)能降耗。提高熱泵空調(diào)總體的效率。
而且,特斯拉熱泵系統(tǒng)的工作方式,還可以通過不斷更新的算法,來提高效率。
Part 3?、熱管理技術(shù)的發(fā)展方向
后續(xù)熱管理技術(shù)上還能如何突破呢?
因為熱管理本質(zhì)還是平衡座艙溫度和電池能耗,所以熱管理技術(shù)發(fā)展的方向,還是要圍繞“熱耦合”技術(shù),簡單來說就是在整車層面、全局綜合考慮:如何把能量耦合集成利用,包括:能量梯度利用,以及通過系統(tǒng)部件結(jié)構(gòu)集成、系統(tǒng)中樞集成控制,將能量傳遞到所需的位置;另外還可以基于智能化架構(gòu)的智能控制。
技術(shù)的突破主要圍繞三種能量的交互:
1)主動加熱的電能量:既有傳統(tǒng)的PTC加熱 ,也使用電機來對電池加熱,綜合使用負載來創(chuàng)造熱量;
2)被動利用的環(huán)境能量&電池電機廢熱:通過熱泵系統(tǒng),有效利用環(huán)境能量和電機和電池方面的廢熱
3)借力外部的電網(wǎng)能量:利用電網(wǎng)連接的優(yōu)勢,進一步借用(主要是)家用充電樁的電網(wǎng),提前預(yù)熱車輛電池,讓電池在用車時達到最佳使用狀態(tài)。
總體來說,新一代的熱管理系統(tǒng),是通過將空氣、冷卻介質(zhì)和電能三種能量集成,再利用各個系統(tǒng)之間機械能轉(zhuǎn)移而相互拆借,實現(xiàn)能量的最大化利用。
小結(jié):
電動汽車熱管理最重要的目的之一,就是不斷提高電動汽車冬季的特性。前段時間國內(nèi)大面積降溫了,電動汽車的低溫性能又被吐槽。但相信隨著熱管理系統(tǒng)和電池技術(shù)的發(fā)展,將來的電動汽車將會全面適應(yīng)和低溫相處。