冬季不变“电动爹”？热泵系统能否成为“御寒神器”

第一电动大牛作者电动大咖·新能源汽车 2021-10-29 13:41

近年来，电动汽车的销量在全球范围内逐渐增加，消费者的接受度也在水涨船高。然而，阻碍人们全面拥抱电动汽车的最大瓶颈，仍然是老生常谈的续航问题，尤其在寒冷的冬天，这个问题尤为突出。

其实，冬季车辆行驶能耗升高并非是电动汽车独有的问题，燃油车在冬天的油耗一样会升高，只不过得电动汽车对于低温更加“敏感”一些。简而言之，是因为燃油车行驶所消耗的能源中， 60%-70%以热量形式浪费掉了，而电动汽车仅有10%左右的能源会被转化成热能。也就是燃油车给冷却液、机油、乘员舱加热，是“废物利用”，而电动汽车则要动用原本用作行驶的能源来提供热量。但从另一个角度来说，燃油车在冬季产生的大量热能，也是温室气体排放的重要组成部分之一。

此外，冬季续航下降的另一个更重要的原因，是电池的特性决定的。总体来讲，三元锂电池的电芯在低温的表现，比磷酸铁锂电池要好一些，但两者在低温状态下，其电芯的性能都会大大受限。低温对电池临时性的影响是导致电池内阻增加、锂离子镀膜现象等，导致可用容量下降，放电速率下降（性能）；如果长时间低温状态使用，还会导致永久性的电池损伤。

所以低温时候，就必须要给电池加热，才能够实现更好的性能和循环寿命以及安全。车辆通过预热，用较少的电能将电池、电机都加热到了最佳温度，使得行驶阶段效率大大提升，从而使得综合续航与夏季时几乎差不多。对于车企而言，想要提升电动汽车在冬天的续航表现，就得从系统层面去考虑，而这一部分也恰恰是各家真正展现“内功”的时候。

此前许多电动汽车采用PTC（positive temperature coefficient，正温度系数）加热器制热，具有改造简单、可靠性高的优势。但在冬季使用PTC取暖将会使得续航里程下降20.1%-56.4%，而使用热泵技术则可以明显增加续航里程，当热泵效率达到1.7时，续航里程增加7.4%-13.2%，因此热泵系统正在成为主流电动汽车厂商攻关的热点。所谓热泵，简单理解就是通过压缩机，将气体强制变成液体，从而释放出热能，来实现能源的“搬运”。

以目前全球电动汽车“带头大哥”特斯拉为例，其不仅针对热泵本身进行了优化设计，还对整个热管理系统的软硬件层面进行了创新。针对传统热泵空调存在极寒天气制热效率低、成本高等劣势，特斯拉在传统热泵的运行原理基础上，经过重新设计，能够充分利用外界自然能（空气）、电机与电池的余热来进行制热，在提高效率同时，还降低了成本。

其次是特斯拉的热泵系统应用了的八向控制阀（Octovalve），它由8个冷却液通道和电机组成，使用一只水阀代替了传统多支路所有水路换向元件的功能，可以实现空调、电池、电机热管理系统的并联独立运行和串联工作模式，不仅减少车内空间占用，还可以大幅降低故障率、提高可靠性，能够更好地利用电池、电机，甚至是电路板等运行余热以提升制热效率。

特斯拉自主开发的软件可以基于感知外界和自身系统温度，智能调节热泵工作模式，包括COP_high高能效模式、COP_blend混合模式和COP_1低能效模式，模式切换可以大幅提高系统工作效率，最终达到降低能耗，提升冬季续航能力，实现能量利用效率最大化。