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被马斯克捧上天的热泵,为什么还没普及?

编者按:本文来自36氪「未来汽车日报」(微信公众号ID:auto-time),作者:秦章勇。

被马斯克捧上天的热泵,为什么还没普及?

来源:Electrek

作者丨秦章勇

编辑丨吴岩

特斯拉Model Y交付后,隐藏在车内的热泵成了最大“彩蛋”。

热泵是将热能从热源转移的装置,功能类似于反向空调。相较于传统的电阻加热器,热泵最大的优点就是高效,其效能系数是传统电阻加热器的2-3倍。Model Y是特斯拉首款搭载热泵系统的车型,热泵能减少其电池损耗,在冬季可以增加续航里程。

“Model Y的热泵是我这段时间见过的最好的工程设计之一。”特斯拉CEO埃隆·马斯克(Elon Musk)在推特上表示,团队已经完成了下一个阶段的工作。

事实上,热泵并非新技术。“早在两三年之前国内就已经有车型搭载热泵空调了。”某新能源汽车品牌工程师王亮告诉未来汽车日报(ID:auto-time),更早之前,日产、丰田车型上也搭载过热泵空调。

但由于成本、技术等原因限制,热泵目前并没有在电动车领域大规模普及。“热泵空调效率高,未来肯定会越来越多。”王亮预计,到2022年冬奥会时期,国内电动车将大范围采用热泵空调,只不过在此之前还需要克服不少技术瓶颈。

2025年市场渗透率或达30%

目前,纯电动汽车空调主要有两种制热方式,热泵和PTC(Positive Temperature Coefficient)热敏电阻,两者制热方式不同。

热泵不产生热量,是将车外的热量补充到车内取暖,其工作原理和冷暖一体式空调一样,冬天这种空调的室外压缩机会工作,同时向室外吹出凉风。王亮表示,热泵系统其实就是换热器吸热放热的过程,类似水往低处流。

PTC则是直接将电能转化为热能,即使在极致情况下也只能实现100%的能量转换,如耗费2焦耳能量,最多只能提供2焦耳热量。消耗电能制热,意味着牺牲电动车的续航里程。

被马斯克捧上天的热泵,为什么还没普及?

热泵工作原理 来源:国金证劵

“热泵技术是依靠制冷介质把车外空气中的能量吸收,并补充给车内取暖,这种搬运能量的效率要比PTC电能转化成热能的效率高出不少。”王亮告诉未来汽车日报(ID:auto-time),在0摄氏度左右,热泵效率是PTC电加热的2.2-2.5倍;在零下7度附近,热泵效率是PTC的1.5-1.8倍。

“以现有的常温续航450公里的车型估算,零下7摄氏度时普通车型续航大约在250公里,热泵版预计可以达到280-290公里。”王亮表示,热泵版纯电动车在冬季比PTC电加热车型,要高出30-40公里的续航里程。

续航里程是电动车现阶段最大的痛点之一。美国消费者报告2019年2月的测试数据显示,在室外零下20摄氏度左右天气中,Model 3的续航折损121英里(约195公里),相当于折损近一半。对于特斯拉来说,也不得不采用热泵系统提升其续航。

此外,使用热泵空调空调也有助于提升电池的温控系统。奥迪发布E-tron表示,这款车采用了带有热泵的热管理系统,可以帮助E-tron始终保持在25-35摄氏度的良好工作区间,支持反复加速踏板踩到底加速。奥迪也因此有底气宣称,E-tron比没有搭载热泵的特斯拉Model S P 100D更快。

使用热泵空调,已被公认为应对电动车冬季续航衰减、提升综合性能的最佳方案之一。除了特斯拉、奥迪,日产聆风、雷诺ZOE、宝马i3、丰田普锐斯、捷豹I-PACE等车型均已搭载热泵空调。国产电动车也完成了从0到1的突破,荣威Ei5、荣威MARVEL X、蔚来ES6等均采用了热泵。

 国金证劵表示,热泵空调正成为车载空调新趋势,并预计2025年车载热泵空调将会达到30%的市场渗透率。

普及路上困难重重

热泵空调被公认为未来发展趋势,但目前主流新能源汽车仍以PTC电加热为主。PTC具有成本低、技术门槛低、加热快等优点,相比之下,热泵空调价格高、技术难度大。

热泵技术涉及比较专业的热力学开发和测试能力,在传统的车用空调行业,先进技术集中于几大领先供应商,而名牌大厂的产品价格和开发费用均远高于普通企业。

国内最早采用热泵的自主品牌上汽荣威工程师透露,荣威Ei5的热泵空调成本此前达到一万多元。王亮则对未来汽车日报(ID:auto-time)表示,目前热泵系统比普通空调系统多出的零部件价值平均在1200-1500元,虽然有所下降,但是这些硬性成本也会导致汽车厂商对成本、性能的平衡考量发生动摇。

被马斯克捧上天的热泵,为什么还没普及?

PTC风暖加热器 来源:国金证劵

和PTC相比,热泵空调还很大程度上受到温度的限制。“热泵空调在零下10度以下,从外界获取热量的效率明显降低,几乎是无效的。”王亮告诉未来汽车日报,在这种情况下,电动汽车还需要靠PTC加热。

此外,热泵技术在其他领域已形成成熟的产业链,但在车用领域,热泵空调的重量、体积、抗震性能、可靠性、使用寿命、供应商资源等,都是需要考虑的因素。任何一项出现短板,都会制约这项技术的应用。

其中,热泵难以普及的最大原因,还在于技术门槛。

“热泵空调在商用和家用领域已比较成熟,但应用在车辆上还有不少技术瓶颈。”王亮告诉未来汽车日报(ID:auto-time)热泵空调的工作原理虽然简单,但是把热泵空调融入新能源汽车的电控系统非常复杂。

王亮表示,在冬季开车或快速充电时,热泵处于工作状态,但当电池到达一定温度后,电池就需要散热,同时还需要保证车内温度,这对电动车的热管理技术有相当高的要求。

在这种情况下,需要电脑准确判断热泵系统和PTC的分工,协调好电池以及驾舱的温度。“如果热管理技术不过关 ,使用热泵空调反而会增加电池能耗。”王亮告诉未来汽车日报,这本质上还是考验车企的电控技术。

随着特斯拉在Model Y车型上首次搭载热泵空调,这些技术瓶颈或将被突破。

马斯克在推特表示,Model Y的热泵系统有局部加热回路,以扩大可用的温度范围。此外,热泵还通过一个8向换向阀来控制各种模式下热量的转移路径,从而创建了一个缜密的热管理系统,将热泵的功能实现了最大化。

国内一些车企也已在热泵空调技术领域取得突破。

即将上市的吉利汽车几何C将搭载热泵空调,按照官方说法,其电池智能温控系统可将电池单体温差控制在±2摄氏度以内,可以提升车辆在低温状态下20%的续航能力。

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参与低温实验的电动车 来源:电动车辆国家工程实验室

1月中旬,北汽新能源的两辆乘用车和北汽福田的4辆大巴车在零下30度的环境下放置超过48小时,然后进行超低温冷启动测试和热泵空调测试。电池系统以每分钟7摄氏度的速度持续升温,直至电池正常的工作温度20摄氏度。这意味着在零下30度的低温环境下,热泵空调仍能正常运行。

“在电动车领域,里程焦虑和冬季里程衰减是相当长一段时间的现实,热泵对节能的贡献是最大的。”王亮告诉未来汽车日报(ID:auto-time),未来热泵技术将在电动车上逐步扩大应用,直至成为电动汽车的标准解决方案。

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