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标定工程师眼里的Model 3 | 低温电池性能
发布时间:2021-04-25   点击次数:473次

    凛冬将至,气温又一次刷新底线,逼近零度。在暗搓搓迎接双十二,购置过年装备的同时,也千万别忘给自己的手机、电瓶车加条秋裤

    低温环境对于电池,尤其是纯电动车的电池来说,是又一次的严峻考验,电池包可用能量和放电功率都将受到影响。就在此时,小编突然想起自己车库角落,那辆对标用的特斯拉Model 3,是时候看下它的低温电池性能了。

 

如何给电池包加热?

    环境温度降低对电动汽车的最直接影响,就是续航缩短、动力变弱。应对低温,整车厂会采取各种各样的措施对电池进行保温或加热。比如增加一个“高压PTC”或者柴油加热装置

 

01高压PTC

 

    PTC的核心,其实是一个热敏电阻。它消耗充电桩或者动力电池的电能,将其转化成热能。转换的功率P=U2/R。所谓的“热敏”,是指低温时电阻R变低,发热功率增大;高温时电阻R变高,发热功率降低。

    现在纯电动汽车配备的PTC,峰值功率大概3kW,平均功率大概在2kW左右,不算很复杂的高科技。按照0.6元/度民用电来算,一小时工作成本1.2元,如果是快充电费来算会更贵。

 

02  柴油加热装置

    用户给车辆加油后,通过燃烧柴油来对电池进行加热,平均燃油消耗率0.2L/h通过热值换算功率大概也在2kW左右,工作成本大概1.3/h

 

0.2L/h=1800大卡/h=1800*4.18*1000J/h =7.52*10^6 J/h

2kW=2000W*3600s/h=7.2*10^6 J/h

 

    这两种方式,无论是加热功率还是使用成本都比较接近,但都各自也存在一些缺点。PTC会耗用在冬季本来就捉急的电池能量,影响续驶里程柴油加热要增加一套机构,使用这套系统的威马EX5在售价上会增加7千元左右,对于一台十几万的电动车这可不是一笔小钱。而且纯电动车加柴油这件事,听上去比较膈应。

    Model 3在这加热这方面,依旧保持了它特立独行的个性,使用了一种更新颖的方法,甚至可以说是一种倾向于传统车方案——电动车上本来就有一个可以起到电热丝的作用的零件,电机线圈绕组。

    特斯拉的思路便是利用电驱系统的废热,像传统车用发动机余热给乘员舱供暖一样。使其既用于车辆驱动,又用于产生额外的热量加热电池。

    传统车内燃机只有30%左右的驱动效率,汽油燃烧剩下70%的能量都变成热量需要去散发掉。利用余热给乘客供热,合情合理。

    那为什么Model 3之前的电动车,用了PTC,用了热泵,甚至用上了柴油加热,却没有想到用车上现成的热源?

    这不是工程师傻,是因为电机与内燃机特性完全不同。电机驱动效率基本在90%以上,产生的10%热量并不足以用来为座舱和电池进行加热。

    你可能会想,不对呀,如今市场上的电动车大多有100kW的功率,10%就有10kW,这不远远超过3kW的PTC功率了吗?你骗我。

    这是因为电机参数100kW指的是电机的峰值功率,只能持续数十秒的时间。日常行驶不是开赛車,不可能让电机持续运行在如此高功率的区间,实际驾驶的平均输出功率甚至会低到你想不到的程度。

    一台Model 3长里程版在NEDC工况下的平均输出功率只有4.22kW。就算加上能量回收等情况产生的电机热量损耗,我们把这个数字的10%乘以二,也只有不到0.9kW的平均输出功率,以此制热怕是要瑟瑟发抖了。

 

特斯拉如何给电池加热?

    通过车辆测试、拆解和资料分析,我们基本了解了他们具体是如何操作的。01 在不同的情况下,水路要可以切换02 在电机控制软件方面主动降低电机效率,以产生更多的热量来用于加热

 

01水路设计

    整个冷却/加热水路的设计要重新设计。照理说这个也不是什么太黑的高科技,但是特斯拉还是自己玩的很high——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阀门:Superbottle

    该部件共有6个进出水口(下图中1,2,3,5,6,7数字对应位置)、两个泵、一个控制阀,一个电机构成,控制阀可以改变冷却液的流动路径

    Super bottle的7和3口分别与电池的进入口和电机的进水口相连接。通过控制阀作用,可以实现7与1连通或者与2连通。对应的,3可以与6连通或者与1连通。

 

冷却模式下:

    电池冷却与电机冷却回路单独运行,互不干扰。电池内部的高温冷却液从1口流入Superbottle,从7口流出。然后经过水泵到达冷却装置,变为低温冷却液后,进入电池包进行冷却。

    驱动系统的高温冷却液则直接流入散热器,经散热降温后通过6口进入Superbottle,再从3流出,接着流入电驱系统回路进行冷却。

加热模式下:

    调整电池阀,将电池冷却回路和电机冷却回路串联起来电池内部的低温冷却液从1流入superbottle,从3流出。然后直接进入电驱系统回路,与电驱系统的油冷回路进行热交换。

    加热后的高温冷却液从5进入superbottle,7流出, 穿过水泵及冷却设备后(此时冷却设备不工作),进入电池包对电池进行加热。从而实现利用驱动系统产热对电池进行加热的功能。

    简单说,整个核心在于这个可以切换水路接通方向的阀门。冷却时,电池和电驱冷却系统互不影响。加热时,调整电池阀,将电池冷却回路和电机冷却回路串联起来

    为了这个白色的塑料罐子,特斯拉还调皮地起了个名,叫Super Bottle。甚至设计了一个超级英雄卡通形象,偷偷地印在了这个白罐子上面。

    当然这个罐子,普通用户日常使用是完全看不到的,特斯拉工程师也只是延续了以往“闷sao的作风——太空有一台正在绕日运转的Roadster,这台车的PTC上有一行著名的字:“Made on Earth by humans”

02 电机效率控制

    让我们先来看一下某个电机的效率MAP图。

    这图里的每一个点,都代表着对应扭矩、转速下的电机效率。既然工程师要控制电机效率,那我们先得知道,电机效率是怎么来的。

    电机扭矩由id,iq矢量变量控制,有方向,有大小。下图是在某转速下的等扭矩曲线图,就像计算初中物理的合力与分立一样,等效电流值的平方= id^2+iq^2。等效电流值相等,即扭矩不变时,理论上id和iq可以由无数种配比方式。

    但此时虽然扭矩不变,效率却会不断变化,因为等效电流的方向(类似于力学中合力的方向)会随着id,iq的改变而改变。当电流的方向与扭矩相切时,效率达到最高,这时候的id,iq就像二次方程的两个*解

 

    如果还是不理解,可以看一个更简单的例子。如果要两个数相加等于10,可以有2+8、3+7、4+6等无数种方案。但如果我们定义这两个数字相乘的结果最大的时候为*解,那*解只有一种就是:

5+5=10   5*5=25


    上面那张电机效率MAP图,就像是一台电机给工程师出的数学期末考卷。工程师需要为密密麻麻的每一个点,都找到*解。

    而且只有理论计算还不够,实际情况会因为铁损、轴承、气隙等因素,导致计算结果有偏差。为了细扣纠正每一点的效率,电机工程师还需要趴在台架电脑上,利用测功机把这图里每个点真实的扭矩精确测量出来并进行微调。 

    好在通常情况下,工程师一定会让电机工作在*效率点,“每个方程只需要求*解”,台架工作只要根据*电流配比的标定就可以。

    但特斯拉的工程师就没那么幸运了,因为Model 3这台电机被赋予了两个功能——驱动与加热

    比如说此时电机功率为20kW,需要的发热功率为5kW。那么需要改变电流配比,将电机驱动效率降到75%,剩下的25%功率用来发热。

    这就导致,工程师不仅需要求*解还根据发热需求计算75%效率或者85%效率等时候的id和iq从而确保各个效率下电机扭矩的准确性,确保加热需求的同时,又避免电机、电池面临热失控的风险。

    驱动功率是随驾驶员需求是实时变化的,发热功率也会依据座舱空调、电池的温度实时调整。这二者变化节奏不同,将导致电机效率也会不断的动态改变

    这对于电机的动态控制提出了很高的要求,等于在电机控制方面增加了一个维度,可能需要在MCU软件中准备多款效率MAP,确保输出功率和发热量都能满足控制需求。

 

 

有什么好处?

    这种加热方式虽然复杂,但一旦实现,优点也是显而易见:

 

01 充分利用了电机余热,能量使用率提高。

    电动车加速时,功率达到30kW再正常不过。假设此时的电机效率为90%,那么有10%即3kW的热功率产生为电池包加热。和一个普通高压PTC最大输出功率相当。也就是说可以达到跟高压PTC相近的加热效果。而电池加热可以释放电池的更多可用能量,形成良性循环,提升续驶里程

    但还要考虑行驶中的另一个方面,电机降低效率提高散热量的本质,还是需要通过电机消耗电池的电量。所以加热后释放的能量,与加热时所消耗的能量,二者衡量殊多殊少是关键

    因此,目前电池加热的使用场景主要还是在快充中提升充电速度。Model3也专门设计了一套逻辑:电池温度较低时,如果用户在导航中设置目的地为快充桩,那么在行车过程中系统就会提前对电池进行预热,保证用户到达快充桩时可以获得最大的充电功率。

 

02 最大输出功率大,加热效果好。

    普通高压PTC功率管最大输出功率在3kW左右,而电机本身可承受温升的功率至少有7-8kW,短时间内对电池加热的升温效果会更好

    这点让我们用实测数据来说明。回到我们文章开始提到的那台角落里的Model 3。第一步打开冰箱(环境转鼓试验舱),第二步把车放进去,第三步不是关冰箱门,是开始测试。

    环境温度约-10℃。停车时,后轴电机处于工作状态,但不输出扭矩,此时产热功率约3kW;

    行车过程中,后轴电机在通过降低效率,产生热量。10km/h车速时后轴电机效率低至25%,20km/h车速时后轴电机效率低至40%。电池温升速率大概可以做到1℃/min。

    下图所示为快充过程中电机产热对电池进行加热过程中的温度变化曲线:

 

03 获得稳定的能量回收驾驶体验。

    电动车用户在冬季行驶,其实还有一个小小的困扰——在温度较低且SOC较高时,能量回收的减速拖拽力达不到正常的水平,你可能习惯了某个强度的制动能量回收力度,却发现冬天充满电开出门的时候和平时的习惯不一样,必须补一脚刹车。而随着SOC下降和温度上升,感觉又慢慢变回来了

    这是因为低温高SOC时,电池的充电功率受到限制,电机无法输出较大的制动扭矩,和日常行驶的感受有所差异

P=F*V/η

P为电池充电功率;F为整车制动力;V为车速;η为电机发电效率

 

    同等车速v下,电池充电功率P越受限,整车可产生的制动力F越小。

    但是,如果通过我们刚刚的方案,可以实现电机效率η的调节。就能做到更小的充电功率P之下,实现更高制动力F,车辆在各种环境下的驾驶一致性会更好。

    总体来说,在Model 3上特斯拉的工程师一直很任性,取消仪表,电池采用大模组,手个SiC功率半导体……在加热这件事上,靠自己优秀的电控与创新能力,他们又秀了一波操作。成本几乎不提高或者说下降的前提下,提升了整个电池的性能,可以说几乎将能量效率发挥到了及致。在这方面的背后,实际上主机厂是对于核心技术的真正掌握,和各部门工程师之间的强大协同,以及对于供应商的强大控制能力,这是值得我们学习借鉴的。

 

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