冬至過后,一年中最冷的時節來臨。隨著溫度下降,電池正極材料活性明顯降低,反映到用戶體驗就是續航出現縮水,特別是北方城市的電車車主,一到冬季苦不堪言,不敢開暖風、頻繁充電甚至裹軍大衣開車。為什么一到冬天電動車就“腿短”?電動車在冬季如何延長續航里程呢?
為什么一到冬天電動車就“腿短”?
電動車“腿短”是幾個方面共同作用導致的。鋰電池的最佳工作溫度是20℃左右,如果電芯溫度過低,會導致電芯正極材料活性降低,進而帶來電芯內部運動的鋰離子數量下降(電量減少);帶電離子運動能力變差,電能傳遞速度降低,帶電離子運動不順暢(充放電性能下降)等不利因素。
其次,在冬季低溫環境下,空氣密度增加,車輛行駛時空氣阻力增大,也會導致行駛能耗增加。同時,低溫時橡膠變硬,輪胎喪失部分彈性,增加輪胎滾動阻力,也是續航減少的因素之一。
電車腿短,主要是油車的襯托。作為燃油車,發動機上都有散熱器(水箱)這么個東西,由于內燃機的熱效率最高不過50%,大部分的能量都以熱量的形式浪費掉。因此,對油車來說,冬季開暖風相當于進一步提高了發動機效率,根本不存在費電的問題。
但電車不一樣,缺少了發動機這個熱源,電機發熱量遠比不上發動機,幫助電池升溫都不夠,別說為座艙供暖,因此電動車只能另尋出路來供暖,這是導致電車腿短的最大因素。
對電動車來說,最簡單的加熱方法就是“電熱絲”,這和“熱得快”“電熱毯”差不多,屬于電阻加熱,在汽車上一般成為PTC(Positive Temperature Coefficient),是一種電阻隨溫升而激增的半導體電阻,也叫熱敏電阻。工作原理是將電能轉化為熱能,效率接近100%,聽上去不錯,但對電動車來說效率很低。
部分電動車上配備的PTC電阻為一大一小共兩個,功率約為2kW—10kW,大的負責為座艙制熱,小的負責為電池加熱。蔚來2018年發布的ES8搭載雙PTC電阻,全開時功率超過9kW(前排5.5kW、后排3.7kW)。
試想,在低溫環境下,一輛車從冷車開啟加熱,以加熱功率5kW計算,一個80kWh的電池也僅能工作16小時就會耗盡電能,即便座艙溫度上來后,也需要1—2kW的功率維持溫度,這也是為什么很多電動車冬季電耗激增的所在。
電動車在冬季如何延長續航里程呢?
作為車主,延長續航基本上只能通過增加輪胎胎壓、把制熱溫度調低一點,甚至不開制熱來延長續航里程,幾乎沒有別的辦法。而廠家除了增大電池容量、優化電池配方以外,熱泵空調是最具備潛力和性價比的技術。
說到熱泵空調,并非新鮮技術,早在100多年前的1824年,法國科學家薩迪·卡諾提出“卡諾循環”理論,成為熱泵技術的起源。1852年,英國科學家威廉·湯姆森提出“冷凍裝置可以用于加熱”的觀點,并提出正式的熱泵系統構想,被稱為現代熱力學之父。
熱泵(Heat Pump)技術是一種“泵”,但并不泵水,而是專門泵熱量的,它利用液體-氣體的相變來換熱的,具體原理是一種將低位熱源的熱能轉移到高位熱源的裝置。簡單的說,只搬運熱量,而不產生熱量。聽起來是不是和空調的原理一樣,只是反過來了而已。
和油車上搭載的那套空調系統構造幾乎一模一樣,熱泵系統由壓縮機、制冷劑、膨脹閥、冷凝器、蒸發器等組成。
相比PTC接近1:1的能量轉換來說,熱泵由于本身不產熱,只是消耗能量來搬運熱量,效率大幅提升,熱泵系統COP(性能系數)可達2—4,是PTC電阻的數倍。
根據小鵬汽車的數據,小鵬P5采用X-HP智能熱管理系統,搭載熱泵空調后,冬季續航里程可以提高15%。
但熱泵系統也不是沒有缺點,主要表現在成本高、技術難度高、極低溫環境下制熱效率差等。此外,熱泵系統結構更復雜,相比普通單冷空調的成本高出千元之多,和PTC電阻相比,熱泵空調的效率也受到溫度的限制。當環境溫度在零下10度以下,熱泵系統從外界獲取熱量的效率明顯降低。
隨著技術的發展,現階段低溫熱泵可以-30℃的環境下快速供暖,并且在-20℃的環境下依然保持較高的制暖能耗比,北方不適合開電動車的言論,或許在數年內隨著技術的進步將逐步破除,低溫環境下,電動車與燃油車的差距正逐步縮小。(朋月)