比亚迪的热管理集成模块长这个样子,可以管它叫“六通阀”,因为有六个可以切换连通方向的阀
很多国内消费者接触到热泵的概念,应该是从国产特斯拉Model 3开始。在那套热泵系统中,特斯拉的工程师们,设计了一个可以电控切换水路循环流向的超级旁通阀门——八通阀,还别出心裁的在这个部件上画了一个八爪鱼。
他们将传统的热泵空调和车辆的电池系统、动力系统通过八通阀进行了打通,彻底压榨了不同系统的余热,同时进行了融合,产生了多达12种工作模式。
八爪鱼
对于这一精妙的设计,热心的知乎网友@cw5586就分析道:特斯拉的创新是把电池的冷暖系统和驾驶舱的冷暖空调结合起来了(用两个换热器实现),直接利用驾驶舱冷暖空调的大换热器解决电池的冷暖能源供给,优点有两个:
一是特别紧凑(用八通阀和两个换热器取代其它车厂用的直接发热元件和散热水箱),用两个小换热器把热量导给驾驶舱空调解决;
二是效率高,空调不管制热还是制冷都能实现相当于电能3.5倍的输出,相当于提高电池热管理效率3.5倍,同时还可以利用电池的热量(例如冬天行车电池发热就导向驾驶舱可以节约一点空调消耗的电),而其它厂家的分离系统电池加热是直接加热,效率比特斯拉差3.5倍,行车过程中电池发热无法利用只有直接用散热器消耗掉。
但需要注意的是,热泵系统也分“段位”。在极低温情况下,有些热泵系统可能会“罢工”。
比如,在东北这种冬天零下十几度的环境中,车外温度较低的同时,空气中含有较多水分。这种极端条件下,空气中的水分会在车外表面结霜,结霜后导致换热装置很难再从外界环境有效地吸收热量,导致热泵空调无法继续工作,一般热泵系统在-10℃甚至更低的时候,就直接“歇菜”了。
到了-10℃,甚至更低的温度时,你仍然需要靠PTC加热来维持温度。以特斯拉之前公布专利来看,特斯拉Model Y配备的一个低压的PTC,会在电池温度在-10~10℃这个区间辅助热泵空调混合工作。
当然,也有一些比较极端的办法,像北汽新能源的出租车会加装柴暖,以及像威马EX5-Z上有一个柴暖系统——在车身右后侧开了一个加油口,用于加注柴油,再通过柴暖系统对电池包和空调进行加热。以此,来减少电耗。这种方法虽然抗冻,但与电动车的环保理念天然相斥。
总而言之,这些“暖宝宝”方案都只是过渡方案,谈不上完美。但解决温饱还是够了。
三、在东北,锂电池没有未来
那,有没有相对“完美的”方案呢?氢燃料电池和固态电池,了解一下。
今年10月,140辆丰田氢燃料电池车MIRAI在大连通关入境。此次入境的MIRAI氢能源电池车是由日本丰田公司制造的氢能源电池汽车,续航850公里,该批车辆将在北京冬奥会期间提供运输服务。
锂电池在2021年风光无限,但到关键时刻却上不了台面。
2022年北京冬奥会与冬残奥会比赛期间,延庆、张家口将投入700余辆氢燃料电池公交车,为赛事提供交通服务保障。而这种由北汽福田欧辉客车生产的11米48座高一级氢燃料电池客车,车辆配备80KW氢燃料电池发动机,8个氢气瓶组,续航能力达500公里以上。
相较于娇贵的“锂电池”,低温环境对于氢燃料电池的使用影响较低。
燃料电池目前主要是有两种路线,一种是金属双极板,另一种是石墨双极板。其中,金属双极板的热容小,更容易实现低温启动。比如,骥翀氢能在去年就发布了一款MH170金属板燃料电池电堆,号称可以在-39℃完成冷启动。骥翀氢能创始人、董事长付宇则表示:“它可以在中国广大的北方,甚至是俄罗斯、中亚等极寒地区应用。”
中国科学院院士、中国电动汽车百人会副理事长欧阳明高认为,我国西部、北部等可再生能源丰富、纯电动车渗透率较低的区域,或将成为氢燃料电池车的发展空间。
“长城以北、西部和西北部基本上是冬季温度低、能源基地多,可再生能源的集中度高,具有氢能生产和利用的场景,非常适合氢能全产业链发展。今后5到10年,氢能市场的突破口或者适合于市场化场景,就是在可再生能源氢的富余区域,尽量在当地就近利用。”欧阳明高表示。
除了氢燃料电池之外,全固态电池也是一种更接近现实的“理想方案”。
“固态电池充放电对温度的要求较少。”一位关注固态电池领域的投资人告诉虎嗅。“现在,固态电池一部分用在航天领域,外太空的温差可比汽车上大多了”。
Kentaro YOSHIDA and Keizo HARADA在“All-Solid-State Lithium Batteries with Wide Operating Temperature RangeMitsuyasu”文章中,对基于硫化物全固态电池做了几项测试,其中在低温耐受性测试方面结果如下:
电池在低温-40℃规定的充放电(The test conditions were a constant current of 0.02mA, charged to 0.02mAh, and discharged to 3.0V)、循环(试验条件为恒流0.02mA,充至0.02 mAh,放电至3.0V)条件下。
可以发现——低温对于这种硫化物全固态电池的容量影响,是非常小的。