電動車企如何應對冬季續航難題?

2020-12-23 騰訊網

作者:魚非魚

對於北方的電動車用戶來說,長久以來一個最大的痛就是,車輛一到冬天,不僅動力性能減弱,充電速度變慢,更重要的是,續航會大幅縮水,嚴重影響使用體驗。

為什麼電動車在冬季的使用續航會大幅下降呢?有兩個原因。首先是冬季車廂內製暖消耗了大量的電能。這一點電動汽車與燃油汽車有巨大的不同,後者發動機運轉時除去驅動車輛前進以外,同時還產生了大量廢熱,而這些廢熱自然可以用來給車廂內取暖,相當於取暖是沒有任何額外能耗的。而電動汽車的電機運轉時卻幾乎沒有廢熱(實際上相當於廢熱都在發電廠發電階段產生了),巨大的供暖能耗必須來自於車輛電池儲存的電能。而這使得電動汽車冬季能耗直接上升了10-25%。

另一個續航下降的原因則是電池在低溫狀態下性能下降,不但充放電效率下降,更重要的是,表現的電池容量也會下降10-20%。

以上兩點的疊加,就導致冬季電池續航相比春秋適宜溫度時有明顯的衰減,根據車型不同需要打6折到8折不等。如果再考慮到汽車即使在適宜溫度下實際能耗也往往高於實驗室較理想的NEDC工況下測試出來的工信部標稱續航,冬季電動車的實際續航可能只有標稱續航的40-70%。原本以為能跑400多公裡的電動汽車,可能只能跑200多公裡,稍微要出趟遠門就會捉襟見肘。

更糟糕的是,不但低溫會讓電池當時的表現容量下降,在低溫下放電還會對電池的容量造成不可逆的損害。也就是說,標稱400多公裡續航的電動車,今年冬天能跑200多公裡,到明年可能連200公裡都跑不了。這導致寒冷地區的消費者如果購買電動車,可能沒用幾年就必須要花費大量成本更換電池,不然十幾萬的汽車就幾乎成了一堆廢鐵。

顯然,深知這一劣勢的電動車企,也會想盡一切辦法來緩解這一困境。

在制暖方面,最主要的改善方法,就是將傳統電加熱制暖(一般是使用PTC熱敏電阻來發熱制暖),改變為熱泵制暖。這一變革實際上類似於家庭從電暖氣片取暖更改為用空調製暖。因為熱泵制暖並不是全部的熱能都由機器自己產生,而是通過壓縮機熱交換利用了外界空氣中已經存在的熱能,制熱效率可以達到200%甚至更多,可以將車廂制暖的能耗降低一半左右,也就大大減少了制暖對續航的損耗。

這兩年新推出的電動車有不少改用了熱泵/空調製熱,自主品牌中榮威的Ei5,Marvel X,長安的CS75 PHEV,理想One;國際品牌的特斯拉Model Y、後期型號的Model 3,寶馬i3,都採用熱泵而非PTC加熱的方式給車廂供暖。

而對於低溫對電池容量的影響,不管是暫時性的表現下降,還是長期的容量下降,都需要通過給電池加熱,保證電動汽車在使用時電池都工作在合適溫度來解決。近幾年生產的電動汽車,基本都已經加裝了電池加熱系統。只不過,多數電池加熱系統仍然還不夠理想。

目前電池加熱主流的技術形式,主要是PTC加熱和本質上很類似的加熱膜加熱,這兩種形式都是相當於在電池外加了電暖氣片,通過電暖氣片將電能轉化為熱能給電池加熱。雖然確實能解決電池壽命降低的問題,但對續航裡程減少的作用卻相對較小。原因就在於,雖然電池容量不再會因為低溫而降低,但加熱的電能還是來自於電池,而電阻發熱式加熱的能耗本身不小,如果是普通「電暖氣片」式的加熱,效率也不算特別高,並不能保證所有產生的熱量都用於給電池保溫,而有相當部分流失到了其他部分。

要進一步改進,大體有兩個方向。

一個是增加充電保溫功能。同樣是加熱電池,如果能在充電時用來自充電樁的電流一直保持電池溫度足夠,就能夠避免使用車載動力電池的電量,那麼節省的這些電量就可以增加續航。目前威馬、蔚來等廠商在充電時都提供了這一功能。其中威馬使用的是仍然是最常見的PTC加熱,而蔚來的充電保溫則是採用交流預熱系統,直接讓電池自身發熱,減少熱量浪費,效率更高,但局限性則是只能適用交流慢充樁。

當然,如果在充電過程中長期開啟充電保溫功能,浪費的電力畢竟比較多,為了節省用戶成本,一些車企還設計了遙控預熱功能,可以在用車前在APP上開啟預熱,精準的預熱電池。

更高級的充電保溫系統,則往往要結合能夠更好的儲存熱量達到保溫效果的材料。近幾年國際電動車開發的新趨勢,是將電池的冷卻系統(主要用來避免夏季和高負載下電機和電池的過熱)從自然冷卻和風冷系統改為液冷系統,這種系統採用的冷卻液比熱容較高,可以保存較多的熱量,除了用於避免電池和電機溫度過多升高以外,同樣可以用來減緩溫度下降的速度,給電池保溫,也叫做冷卻液恆溫系統。這樣一來,充電時給電池預熱就可以儲存更多的熱量並持續保溫更長時間,進一步減少從車輛動力電池取電,而電池長期高負載工作溫度升高時產生的熱量也能更多的被用於停車後的電池保溫。

蔚來ES8、比亞迪E6、宋、榮威eRX5,以及特斯拉全系都採用了液冷恆溫系統。

PCM(相變)電池加熱技術效果類似,但技術尚在發展中,目前還沒有量產車應用。

另一個方向,則是更精準的加熱電池,避免熱量的流失。交流加熱系統結構簡單成本低,但主要只適合在交流慢充時使用。如果要在行車時達到類似效果,則需要熱管系統。這種系統相當於一個類似毛細血管的直徑在微米量級的加熱管線系統,可以更精準的加熱電池各部件,效率相比傳統PTC加熱有明顯提升,但目前也還沒有真正量產應用。

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