腾讯数码讯(刘琦) 电动车的核心技术看电池,电池的核心技术看热管理。要说特斯拉创建了什么壁垒,那肯定就是它的热管理系统。要让迄今能量密度最高的7104颗动力锂电池,在寒冷的北欧和炎热的赤道,均保持稳定状态。这其中涉及到的硬件布局与软件算法,才是特斯拉真正的“杀手锏”。
上篇文章提到,特斯拉Model S共有249项专利,其中有104项与电池有关。而在这104项中,大部分也是跟热管理相关的专利技术。热管理系统的研发水平,不仅关系到电动汽车的安全性,也直接影响到续航里程的表现。
整体上说就是所谓的“热管理”,而简单地说指冷却系统,具体包括散热、产热、制冷,以及多余热量的利用。
在动力电池的冷却方面,有两种主流选择:空气冷却或液体冷却。空气冷却,顾名思义靠行驶过程中的气流来带走热量,这种冷却系统成本低、结构简单,但效率也低,而且占用空间较大;相比之下,液体冷却效率最高,适合特斯拉装备的大功率电池,而且在结构设计上比空气冷却要更加灵活,但关键因素是成本较高。
不仅如此,液体冷却还会存在冷却液外泄的,后期的保养与成本也较高。所以,特斯拉Model S一个电池组零售40万人民币,你也应该明白其中的原因了。有人喜欢这样计算:每节18650电池的成本,乘以7000节,就是电池组的成本。这是很滑稽的算法,根本没考虑电池组整体的包装成本,以及内部的冷却液系统。
特斯拉的冷却液循环系统,在电池包的内部呈S型排列,它将444块电池纵向划分为了7组,每组两列。这个冷却液系统不仅贯穿整个电池组,还承担着电机与电控的冷却任务。通过这个冷却液循环系统带走的热量,最终会在车辆头部的热交换器散发出去。
Model S的前脸没有传统的中网,而是一个封闭的设计。但这并不代表它没有进气口,如果你仔细观察,就会看到在前唇下部有三个进气口。这三个进气口分别对应着三个热量交换装置,两侧的用来负责空调系统,中间的负责电池与电机的冷却液循环系统。
值得注意的是,电池的冷却液循环与电机的冷却液循环是相互的两个系统,但这两者之间可以选择并联模式,也可以选择模式,所以又是相互配合的。然而,两个系统之间是不能切换的,热管理的软件算法,会根据热量分布情况来进行自动的关联。
特斯拉Model S内部有三大热管理系统,前面提到的电池冷却循环是其中之一。此外,还有另外两个冷却循环系统,分别是负责调节座舱内部气温的空调系统,以及负责冷却电机、充电器的循环系统。
在传统汽车上,空调系统(HVAC)的制冷是依靠发动机驱动的压缩机来实现的,而制热则是依靠发动机热量。在特斯拉Model S上,情况有所不同。对于制冷,可以依靠单独的电机来驱动压缩机,配合相应的制冷剂即可。而制热,由于没有发动机作为热量来源,只能选取其他制热的方式。这一点,特斯拉采取的是PTC加热方式,与某些取暖装置的原理是一样的,利用热敏原理生产热量,当然这比较耗电。
但与此同时,电机产生的多余热量也会用来加热座舱。由于电池要维持一个稳定的工作温度,所以Model S的产热部件中温度最高的其实是电机。从特斯拉的一份专利文件可以读取到,在座舱内部的制热方面,首要热源实际上是电机,其次才是PTC制热装置。不能肯定这就是目前Model S采取的方案,但具备一定参考性。
长途旅行时,空调是影响续航的一大因素。对于电动车来说,夏天行车开空调制冷,其实是比较耗电的,因为压缩机在不停工作;而冬天开空调制热,则可以充分利用电机工作时多余的热量。如果电机的热量不够,就会启用PTC制热,这时耗电量会飙升。
在北欧等极寒天气下,特斯拉的热管理系统要接受更严苛的。因为在车辆起步前,动力锂电池要达到一定的工作温度才行。理论上讲,温度越高,电池内部化学反应越活泼,特斯拉的续航也会更长。
所以与传统汽车相比,使用特斯拉要注意温度的影响。根据说明,电池组可以承受的温度范围是-30℃~60℃。在不使用车辆时,特斯拉车主把电充上,这样可以维持电池组的正常工作温度。只有在最佳温度下,电池才能发挥最大的化学效率。
由此可见,特斯拉85kWh的电量,并没有全部用来驱动车辆。最为整台车唯一的能量来源,它的一部分电量被转换为热能浪费掉了,一部分用来驱动压缩机或加热座舱了,还有一部分则用来加热电池。最终剩下的,才是用来克服面摩擦力与空气阻力,推进车辆行驶的电量。