经过多年的挣扎和探索,特斯拉终于把热泵系统集成到了整车上,Model Y成为配备这种技术的首款车型。这从Model Y的用户手册可得到了确认:
在Model Y之前,从Roadster到最新的Model 3,特斯拉的加热方案总体上依赖直接使用电池包电能的加热器,如PTC,在走,但发展的趋势却是在逐渐去PTC化,将可以利用的热能利用起来。
热泵在电动汽车上的使用由来已久,像Nissan Leaf、Renault ZOE、VW e-golf、BMW i3、Jaguar I-PACE、Audi e-tron、KIA Soul EV荣威Ei5、荣威Marvel X、蔚来ES6等都有采用热泵技术。相比于这些车型,特斯拉可能在热泵与整车的集成上做得更进一步。特斯拉热泵集成应用的策略可以通过下面这张图来说明,即根据环境温度与电池温度的关系,从COP的划分,来规划热泵系统参与加热的程度,以及启动不同级别的加热模式。
COP称之为制热能效比:是空调将制冷/热循环中产生的制冷/热量与制冷/热所消耗的功率之比。比如PTC,通过电流流经电阻发热产生热量,因此其COP最大不超过1,也就是说1kW电量最多可以产生1kW的热量。
(1)在温度极低,如达到-30℃,此时压缩机作为加热器来使用,单纯地利用电池包的电能来加热,COP=1;
(2)在-10℃~10℃之间,会启动混合模式,即有部来自加热器(如乘员舱低压加热器),部分热能来自热泵,COP=1~2;
(3) 10℃以上,将完全依靠热泵系统,进行加热,COP的值在1.5与5之间。
特斯拉采用一个8向换向阀来完成各种模式的切换。
因为热泵在低于-10℃之后,能效就很低了,所以,有的车企会配合一个高压加热器来应对这种超低温情况。但特斯拉应该没有采用这个方案,两个原因:(1)这种加热的成本很高,一个高压加热器的成本大约512美元;(2)引入了高压安全的问题,所以,特斯拉倾向于把它去掉。
特斯拉对热泵效能的考虑更多的是基于一般的寒冷环境,如-10℃,对于应对比如-30度的情况,特斯拉会将压缩机compressor作为加热器来使用,这个时候纯电加热的效率值 COP=1,注意,该种情况,必须电池温度、乘员舱温度,和外部温度都达到-30℃。很多时候,外界的温度在-30℃,但电池包内的温度已经达了30℃的被动热管理阀值点,此时,热泵系统已经可以高效运行了。
要想更有效地利用热泵,必须建立精细化的工作模组,对各种使用工况进行综合考虑,比如一种常见的情况是,环境温度-10℃或更高些,电池与乘员舱都需要加热,并且距离车子出发还有1个小时左右,此时热泵系统将采用的模式策略为:首先,热泵通过利用环境空气,经乘员舱蒸发器作用,为电池系统加热(此时COP〉〉1),让PACK的温度处于被动热管理阀值点之上;然后,切换工作模式,利用热泵从PACK中取热,对乘员舱进行加热,
在Model Y配备热泵之前,已经有很多的业内人士在探讨为什么特斯拉不采用热泵技术。必须认识到,每一项技术的应用都是一个成本-功能平衡的结果。特斯拉在此时推出热泵技术,意味着对特斯拉来讲,这个技术方案已经成熟可用了。
1、如果直接采用传统的热泵思路走,那么,空调和热泵大约需要相同的数量冷却管路,连接上会复杂;压缩机的控制也将更复杂;控制阀和控制的电子设备也将更复杂。在Model 3之前,特斯拉还没有精力和时间来解决这些复杂性问题,转而采取当时市面上简单的PTC产品是性价比最高的行动。
2、随着Model 3上更多集成技术的实施,像液冷系统中的superbottle的出现,让之前存在的很多复杂性得以解决,特斯拉能够更简单来集成热泵系统。
3、与Model 3共用大约70%的平台和零部件,为特斯拉攻克一些技术难题和用户痛点赢得了时间,得以更充份地验证热泵集成后的功效。
4、通过这个热泵系统,特斯拉似乎想建立起一个缜密的“热能产生与热能收集系统”,从仅利用电池电能产热(电池包级only on battery level)、到利用电池产热+利用电机电控余热产能(on whole vehicle level,整车级)、再到现在的利用电池产热+利用车内各处可以产热的部件+环境产热(both car and enviroment,延伸到车以外);这些都需要能够进行软件上的精准控制。比如,对于一般的汽车,风扇连接到12VDC,通过电阻器来控制转度,特斯拉正计划采用交流风扇和交流压缩机,并增加一个(或两个)逆变器(也可能是PWM)来控制它们,就像控制汽车的电机一样。这符合特斯拉进化的方向:用一切手段来数字化硬件,甚至机械件,这是智能汽车的基础。
5、对于其他整车企业来说,这无疑又开辟了应对冬天低温一个崭新方案,尽管这也不是创新的新技术,但却是一种有门槛的技术应用。
6、根据特斯拉对产业的影响上看,PTC要失势,热泵要加速
这个热泵集成的解读实在是烧脑袋,光这个的专利就有57页,我计划在第二版的《进化与变革:特斯拉10年3代动力电池集成技术研究报告》中再详细阐述具体的技术细节,同时也要等到车子拆解和车主的一手信息得到确认后。
联系客服