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如何以特斯拉的姿势解决冬季续航问题?

专栏 | 特斯拉
文 | Chris
3 月 14 日,特斯拉在官网上线了 Model Y 用户手册。相比 Model 3,Model Y 一个小小的更新是引入了热泵空调。在特斯拉之前,热泵空调在纯电动汽车行业已经有着广泛的应用。一个平平无奇的热泵空调,特斯拉能玩儿出什么花样?
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一个科普:什么是热泵?热泵是一种以逆循环方式迫使热量从低温物体流向高温物体的高效节能装置。在冬季工况下,热泵的能源效率比广泛应用的 PTC 热敏电阻加热高 2-4 倍,反应到整车上可以使续航里程增加 20% 以上。
我们首先要回答一个问题:如何以特斯拉的姿势解决冬季续航问题?借由这个问题的答案,如果你可以有所启发、想到更多,那再好不过。Enjoy it.

Model 3 是如何解决热管理问题的?

在气温低于零下 10℃ 的冬季,纯电动车的动力电池除了驱动电机,还要为全车的热能需求提供能量。如果不对能量加以高效利用,纯电动车续航衰减最高可以达到 50%。
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对于这个问题,普通厂商选择放弃:配备 PTC 热敏电阻保证电动车冬季基本的制热需求,至于续航衰减问题,战略性放弃。
有些追求的厂商选择优化:配备热泵空调,在保证制热的同时提升能源效率,降低制热对续航衰减的影响。
你要知道的是,一辆电动车,它的不同组件在不同工况下会出现完全不同的热需求。
  • 夏天开车,驾驶舱有制冷需求;
  • 夏天去超级充电桩充电,驾驶舱有制冷需求同时电池组有制热需求(更高的电池组温度有利于更快达到最大功率,缩短充电时间);
  • 夏天赶时间,高速驾驶去超级充电桩充电,驾驶舱有制冷需求,电池组有制热需求同时电机有制冷需求
......
所以一款合格的电动车,在热管理系统上至少要有空调制冷系统、采暖系统、电机冷却系统和电池组热管理系统。通过相互独立的子系统将前面提到的复杂需求逐一拆分,最终解决整车的热管理问题。
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Model 3 是如何解决这个问题的?
特斯拉没有采用市面上通用的热管理组件。通过对整个热管理系统进行重新设计,特斯拉制造了一个热管理系统的「大脑」来统筹整个热管理系统的运转。
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特斯拉工程师给这个「大脑」取了一个名字,叫 Superbottle。
Superbottle 是一个六向控制阀,通过电控调节液路的流向,Superbottle 实现了对相互独立的子系统的统一管理。
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在冷却模式下,Model 3 的电池组热管理系统和电机冷却系统相互独立:
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  • 电池组冷却液从冷却装置流出,冷却整个电池组后经过 Superbottle 的管路流回冷却装置;
  • 电机冷却液从冷却装置经过 Superbottle 流入电机总成,流出后回到冷却装置
在加热模式下, Superbottle 将电池组液路和电机液路串联起来:
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电池组冷却液经过 Superbottle 流入电机总成,流出后经过冷却装置(此时不工作)回到电池组。
也就是说,在加热模式下,特斯拉通过利用电机产生的废热来为电池组加热,就像燃油车收集发动机废热给驾驶舱供热一样。
但是这里会出现一个问题:内燃机驱动效率最高不超过 45%,而 Model 3 的电机驱动效率超过了 93%。换句话说,电机废热根本不足以满足整车的加热需求。
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特斯拉选择将电机堵转发热,最高可达 7kW 的功率完全满足了加热需求。这个时候,电机扮演的角色变成了热管理加热装置。
通过一个六向控制阀电控调节液路的流向,特斯拉 Model 3 第一次把全车的热管理子系统统一管理起来。
一个不恰当的比喻,传统的纯电动车相互独立的热管理系统就像北方冬季的分户式采暖系统,每家每户都有独立的采暖系统,能耗高、成本高、污染大;而 Model 3 的 Superbottle 就像集中供暖,一次性投资大、使用成本低、能源效率高。
从整车角度来看,Superbottle 的优势不止于此。曾经对逆向工程了两台 Model 3 的 Sandy Munro 对 Superbottle 做出了如下评价:
  • 提升了集成度,降低包装空间的需求
  • 增加了可维修性的潜力
  • 潜在的热管理系统重量(独立安装支架、外壳等)下降
  • 降低组装成本(n 个组件简化为 1 个组件)
  • 降低制造时间和成本(n 个组件简化为 1 个组件)
当然弊端也显而易见,由于不是供应链的标准化组件,Superbottle 的研发和模具成本更高。

Superbottle + 热泵 = Model Y 热管理?

接着往下说,既然 Superbottle 因为非标准化组件成本偏高,那么将其应用到 Model Y、Model S/X 上快速上量,通过规模化来降低成本是不是一个合理的思路?
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再加上文章开头提到,Model Y 增加了热泵,所以 Superbottle + 热泵 = Model Y 热管理系统,对吗?
从特斯拉申请的专利「具有极端温度加热能力和热效率预处理的最佳能源电动汽车热泵」来看,特斯拉工程师没有止步于「添加热泵」,而是将热泵作为新的能源供给组件纳入到 Superbottle 中,Superbottle 由此升级为一个自带八向控制阀的热管理「大脑」。
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硬件的进阶只是第一步,根据专利所述,光是非活动模式下,Model Y 上的 Superbottle 就支持 1 种冷却模式和 4 种加热模式。
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除了收集电机废热二次利用,Model Y 的 Superbottle 还会收集电池组废热,加上热泵的外部环境产热,整个系统热管理的供给和消耗都通过集中控制而变得空前复杂。
通过监测外部环境温度、电机系统温度、电池组温度和座舱温度、综合电机、电池组和热泵、压缩机等所有热源供给在不同工况下(例如热泵在零下 30℃ 的极限工况能源效率最低)的最佳效率,最终输出综合结果来提升整车的热体验。
继续前文的不恰当比喻的话,相比 Model 3,Model Y 上的 Superbottle 就好像从「集中供暖」进阶到了「集中供热」:将电厂(热电联产)、集中锅炉房、工业废热、太阳能等热源供给与城市厂区生产用热、居民区生活用热采暖等热源消耗统筹规划起来。

从 Superbottle 所想到的

回到 Model Y,完全一致的电池组规格/轮毂尺寸、更重的车身、更大的撞风面积,Model Y 反而比 Model 3 的 EPA 工况续航多了 27 公里。这是进阶版 Superbottle 的功劳吗?
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Superbottle 是 Model 3/Y 上的高度集成综合管理、干掉分布式独立组件思路的一个缩影。如果你了解 Model 3 的话,它「三权分立,一统全车」的电子电气架构;Autopilot 感知前融合、干掉传统的「感知芯片」的思路,与 Superbottle 是如出一辙的。
回到热管理,传统车企阵营的热管理统筹思维发展到了什么水平?
2019 年的上海车展上,博世展出了一个热管理控制系统,会针对电机、电池组、电控和座舱的制热/冷需求进行综合管理。不过从展出的产品来看,在硬件层面,博世还没推出一个类 Superbottle 一样的组件。而我们更好奇的是:从车展亮相到进入车企整车项目装车,需要多长时间?
640-12.jpg图 I 汽车工程师之家
值得一提的是,完整体现 Model Y 上的 Superbottle 的这份专利,申请于 2018 年 9 月 7 日。彼时 Model 3 已经投产一年有余,也就是说,特斯拉团队已经形成了可持续的大破大立式创新的研发节奏。就在 3 月 14 日,Model Y 开始了批量交付。
这就是理想汽车 CEO 李想所说的「传统厂商绝不是在缩短这个差距,而是被加速拉大」
这种现象是怎样造成的?是不是特斯拉的热管理人才素养高于博世、大陆、BBA 这样的传统巨头?
答案是显而易见的。Superbottle 的专利一作是特斯拉的热管理系统高级主任工程师 Nick Mancini,在加入特斯拉前,他在苹果担任热设计工程师。他经手的第一个项目是特斯拉 Model 3。也就是说,在 Superbottle 之前,他对纯电动汽车热管理系统的设计经验为零。
640-13.jpgiPhone 的热管理?
在特斯拉的项目开发中,特斯拉 CEO Elon Musk 极度关注创新的重要性,反复鼓励引导工程师从事物的本质出发来思考问题,抛开产业现状和已有趋势的限制,以第一性原理的思维方式来解决问题。如果你关注特斯拉的人才团队,跨界任职比比皆是。
最终的结果是,一大群对汽车电驱动、自动驾驶、电子电气架构经验为零的工程师,在加入特斯拉后迸发出了旺盛的创意和超强的执行力。
人才是高速流动的,特斯拉的使命、价值观、文化氛围才是核心竞争力。

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