这一派已经购买了新能源车,正在和想购买新能源车的人下定决心。
以24.9万冰点价格入手锂磷酸铁电池的model 3主人正在思考如何向家人解释当时没有买一辆奥迪A4L的原因。(威廉莎士比亚,美国作家)。
当然,聪明的汽车工程师从不把问题放在一边。低温是降低锂离子电池性能和车主舒适度的外因,所以想办法加热就行了。
爱因斯坦说这个世界上没有无缘无故的热量。各大企业观察加热的方法后解体,好像是盛大的周五下午手工课。
到底是八仙穿越还是菜鸡互啄,首先掌握新能源汽车续航和舒适性的评价方法。
第一是标准。所有机构都公开了“低温影响锂离子电池寿命”的标准,唯一具有一定权威性的是中国汽车技术研究中心(中期研究)结合电动汽车标准和技术发布的2019版《EVTEST ( 电动 汽车测评) 管理规则》。
中期研究定义的低温为摄氏-10度,这个数字显然不能覆盖整个中国,但可以作为参考标准。
从分数上我们可以解释三个分数文件。
1-优秀:寿命里程下降不到30%。
2-良好:续航里程下降到40%。
3-失败:寿命里程下降了60%以上。
中期研究考虑到实际使用情况,将通过限制空调电力,强行实施低温气候下的电动车续航里程。中期研究的补充规则中提到“空调性能减分项目”是为了避免这种作弊行为。
EV车主也可以根据自己的车辆情况测量车辆冬季低温续航偏差是什么水平。
让我们探讨一下几种典型的供暖方案。另外,对于大多数新能源车型来说,发动机余热不可用,所有方法都是新版本。
首先用令人眼花缭乱的方案融化场所。
柴油燃烧加热
买电车要加油,世界未解之谜般的操作
Weimaex5具有冬季包装,包括电池加热系统和帮助空调系统工作的柴油燃烧加热系统。
众所周知,燃烧转换热能效率很低。这种低效愚蠢的解决方案只是为了强行降低低温续航里程。
没有新能源,没有智能,还没有技术感,应用逻辑更是无理取闹。不管怎么看,都有新能源的味道,这个设定为整个车提供了三种能源接口。也就是说,慢慢给柴油充电口充电。但幸运的是,不用加入乙醚。(大卫亚设)。
当然,EX5不仅有柴油燃烧加热方法,还具备PTC辅助加热,但增加这种用户操作的难度,用前方的技术补充当代,鼓吹先进的操作,实在不喜欢。
PTC加热
直接很快,但消耗太多电力。
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别看名字那么厉害,其原理就是吹风机/电暖器。给热敏电阻通电,再用鼓风机吹出热风当暖气,利用用冷却水/油交换热量流经电池组,对电池组加热。
这个方法虽然直接快速,但是能量消耗巨大。比如蔚来早期在ES8上使用了前后两组PTC模块,最高功率达到5.5kW+3.7kW,全功率输出的情况下,一小时就消耗将近10kWh电量。由于除了要给电池组加热外,还要兼顾空调暖风,另外法规对于前风挡的除霜还有要求,所以冬季PTC功率都维持在很高的水平。
应用在新能源汽车上的难点不在于硬件布置,而是整体的能量控制方案,要保证人舒服+电池舒服,还不能太耗电。
PTC的特性决定了它的电阻会随着温度变化而变化,当温度高于居里点后阻值急剧上升,限制电流,从而降低功率。相当于自动温控的特性,但做不到“变频”,只能通过材料制造来设定居里点。
这么好的工业方案,最大的问题还是能耗太高。它的发热原理决定了COP能效比只可能低于1,也就是说外部输入的电能转化成热能,在没有其他损耗的完美情况下也就1:1,能量守恒四个大字熠熠生辉。
电机余热加热
如果余热不够,就生产一些余热
都是电能转热能,特斯拉就是要玩出花样来。我们知道电车一定有一样东西:电机。
从你有限的关于电磁的物理知识里,找到右手螺旋定则,没错跟这个没什么关系。
主要是要知道,电、磁、力是可以互相转化的,这是驱动新能源车的物理基础。这个转化是靠电机完成的,大家都想着把这个转化效率做高,降低能量损失来提高续航。
在Model 3上特斯拉偏偏要降低这个转化效率,让电机的绕组发热,并通过一个复杂的六向控制阀来把热量输送到不同区域。
很显然,这和PTC加热本质上的区别不在于能量转化的过程,而是高度集成化的热管理硬件和软件的融合。特斯拉对外公开专利时,口吻是:为了防止电机过热导致的性能和寿命衰退,但实际上无论是电池加热阶段,还是为了保证充电效率前的电池预加热阶段,都能发现电机有主动降低传动效率来发热的情况。
这样做有几个好处,是PTC加热无法追赶的。
1-集成化程度高,无需额外增加发热硬件,降低物料和装配成本。
2-电机余热虽然小,但蚊子再小也是肉。另外参考蔚来PTC功率,这基本已经是天花板了,电机绕组发热功率可以突破这个天花板。
3-电机本身还负责制动能量回收,这个回收效率也不是100%,原本浪费掉的效率,现在全部可以利用起来变成“余热”。
缺点也不是没有,承担更多功能的电机性能和寿命会更快损耗,另外在发生故障时排查和维修难度会更高。
所以尽管一样是电能转化成热,特斯拉的SuperBottle(就是以上那一套集成式冷却系统)做到了能量回收利用“滴水不漏”。这个思维,是很多传统车企所不具备的,因为跳不出前人铺的路。
热泵空调
发不起热,就从大气中借一点
其实原本的制冷空调也是热泵,但那是用来制冷的,这里说的是能制热的热泵空调。
包括马斯克也多次宣称在Model Y上使用的热泵是他见过最棒的,据信国产的Model Y也会搭载。要理解热泵,先想一下水泵。水泵是把水从A点输送到B点。同理热泵就是把热量从A物体转移到B物体。
国内外也有过很多采用热泵空调的新能源车型,特斯拉并不是第一个。
你一定听过“热泵不发热,只是大自然热量的搬运工”这句话,勉强算对吧。
但车外环境的热量也不是凭空出现的,尤其是低温时,为什么可以违反热力学定理呢。和你家客厅制冷空调一样,制热空调也是利用了冷却剂蒸发吸热,压缩液化放热的特性,原本装在车头用来散热的蒸发器反相用来给车厢加热。
基于这一点,热泵的COP是大于1的,一般是PTC的3-5倍。这意味着要完成相同的产热效果,热泵空调的能耗只有PTC的20%-30%。
弊端就是,当外界温度很低时,由于温差过大,热泵就很难对抗热力学定理,把热量从低温环境搬运进车内了。这个界限大约在-10摄氏度左右,在这个温度下车内空调的温度上限差不多在16摄氏度左右,再低体感就会急剧下降。
热泵空调的启用,并不能直接对电池包进行加热,而是能替代部分PTC的功能来给乘员舱加热。在极端低温下,热泵空调也是无法替代PTC的,所以两者不能完全互相替代。
除了上表中提到的品牌,热泵空调无疑会是“只要用得起就用”的趋势,比如此前提到的特斯拉Model Y,新款Model 3,蔚来新款车型,宝马ix3。
显然热泵空调也不是没有缺点,极端低温效果差、易结冰、成本高都是缺点。但就针对冬季低温续航优化来说,能用上热泵空调配合PTC(包括特斯拉的电机发热)是最佳的热管理加热方案。
总结:
说了目前主流的几种“加热包”,落到最后无非就是两点:冬天续航不坑爹,人也不用挨冻。从好的方面看,燃油车领域有多久没有为了解决一个问题,全世界能提出四五个主流解决方案来对比了,我不会说服任何人接受电车,但我很想看到新能源车在解决所有问题后,市场的选择走向会是什么样的。
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