理想汽車發力電動化！自研熱泵應對低溫，與寧德時代合作達5C超充
作者 ｜ R編輯 ｜志豪
車東西12月9日消息，近日，理想汽車舉辦了冬季用車技術日，講解了一些有關冬季用車的問題和解決方法。
▲理想汽車冬季用車技術日現場
理想汽車表示，冬季用車時，座艙太冷是讓很多用戶都困擾的問題，車內溫度上升速度太慢、車內溫度分佈不均的情況，是新能源車型長期被用戶詬病的產品痛點。
針對寒冷的冬季用車場景，理想汽車的首要目標就是保障全家人的舒適駕乘，力求讓全家人都能感受到來自溫暖座艙的幸福感。
那麼提升冬季用車舒適度的難點究竟在哪裡？又該如何克服？理想汽車做出了詳細的講解。
一、自研多源熱泵系統傳感器最多達51個
對於人體而言，通常在24℃左右環境溫度中，舒適性體驗最好。在北方漫長冬季環境下，要使車內達到舒適溫度，需要跨越幾十度的溫差，這時就需要有一套強大的熱管理系統來提供充足的制熱能力。
目前行業內大部分電動汽車針對冬季採暖有兩種常規解法，使用最廣泛的是PTC（加熱器，用於電池或乘員艙加熱的熱源產生）直接加熱水或空氣採暖，簡單快速，但要做到兼顧北方較寒冷地區（-20°C）的採暖需求，體積、重量和能耗都會大幅增加；此外也有車企採用熱氣旁通方案，通過電動壓縮機自發熱採暖，但這種採暖方式在初始段的制熱速度慢且壓縮機轉速高、噪音大。
▲行業內大部分電動汽車針對冬季採暖方法
爲了解決這兩種常規解法的弊端，理想MEGA（參數丨圖片）採用了自研多源熱泵系統，具備43種模式可以應對全溫域多場景下的能量調配。對於低溫下空調採暖效果不好的問題，可通過壓縮機“自產自銷”快速制熱：利用空調採暖後溫度依然比較高的冷卻液快速加熱冷媒，激活熱泵單元，使電動壓縮機產生額外的制熱能力。這套方案與行業常規做法的制熱能力的對比: 採暖速度更快，峰值制熱能力更大。
▲理想MEGA自研多源熱泵系統
有了更強勁的制熱能力做保障，並不代表就一定能有良好的舒適性體驗。低溫條件下首先要滿足整車一排、二排、三排的平等權益，避免一排熱的快，二排不熱或者熱的慢的現象。
其次，低溫條件下人體四肢的熱需求高於軀幹，所以腳部空間需求的熱量更多。只有保障低溫條件下爲腳部提供更多的熱量，才能提供更好的舒適性體驗，同時還需要實現面腳溫度分層，保障低溫駕駛過程腳部感受溫暖與頭部感受清爽。
要想達到上述的舒適性效果，核心是對整車熱量的精細化分配。駕駛員在駕駛過程中，腳部擺放位置相對固定。一般車上主駕位置會有2至3個吹腳的出風口，但理想MEGA額外增加了2個，主駕吹腳出風口達到了5個。
通過流場設計，將出風朝向分別對應駕駛員腳面和腳踝的位置，讓熱量精準送到人體感知部位，這樣不僅熱得更快，用戶的體感也會更舒適。
▲理想MEGA整車熱量的精細化分配
同時，在出行過程中，車輛的外界氣候、溫度等條件在不斷變化。需要結合智能空調的感知能力，才能保證在全場景下，都能實現更強勁、更均衡的制熱效果。
從理想L9開始，其傳感器數量達到了38個，到了新一代產品理想MEGA上，又增加了優化空氣質量的二氧化碳傳感器、負離子傳感器，增加了天氣預報、地圖導航等信號識別。
如今，理想MEGA空調標定可調用全車傳感器的數字已經達到了51個，信號來源通過車控計算單元（XCU）統一處理，進而實現全車溫度的智能控制。
▲理想MEGA全場景智能溫度調節
以具體場景爲例，在隧道場景下，理想MEGA的舒適性算法融合了地圖信息，能夠識別出隧道場景，結合光照傳感器、外溫傳感器綜合判定，在溫度控制上做特殊處理、對車外污染源做隔絕，保證溫度的穩定舒適，和更好的艙內空氣質量。
二、採用雙層流空調箱設計 研發電量軌跡算法
在另外一方面，冬季新能源汽車續航里程的“縮水”一直是北方地區車主用車時的普遍痛點。
究其原因，最主要的是低溫下材料物理特性的變化。-7℃時，輪胎滾動阻力相比常溫增加50%、風阻增加10%，驅動系統中潤滑油變粘稠導致效率降低2%，以及卡鉗和軸承的拖滯阻力也會增加50%。
▲冬季續航降低原因
除了在基礎材料科學領域投入研發，解決上述原因導致的能耗增加，理想汽車將提升冬季續航的重點放在了熱管理系統和電池上。
在冬季續航的下降中，空調消耗佔比15%、電池損耗佔比10%左右，理想汽車針對這兩項問題提出了一套“開源節流”的解決方案。節流對應的是在確保座艙舒適性的前提下降低空調消耗，開源則對應了電池低溫放電量的提升。
在冬季用車過程中，座艙加熱是耗能“大戶”，所以空調及其背後的熱管理系統的效率，是開發電動車時優化能耗的重點方向。
冬天在車內開空調，除了需要考慮採暖，還有一個必須解決的問題是起霧。車內的溼暖空氣遇到冰涼的玻璃，很容易起霧。一個通常的解決辦法是開啓空調的外循環，引入車外乾燥涼爽的空氣進行除霧。但相比讓溫暖的空氣在車內循環，開啓外循環意味着額外的制熱負擔，勢必會帶來空調能耗的增加。
針對這一問題，理想汽車採用了雙層流空調箱的設計加以解決。雙層流空調箱是指對空調進氣結構進行上下分層，引入適量外部空氣分佈在上層空間，在解決玻璃起霧風險的同時，也能讓成員呼吸到新鮮的空氣。
內循環的溫暖空氣分佈在車艙下部空間，使用更少的能量就可以讓腳部感到溫暖。同時，結合溫溼度傳感器、二氧化碳傳感器等豐富的傳感單元，理想汽車開發了更智能的控制算法，在確保不起霧的前提下可以將內循環空氣的比例提升到70%以上，節能效果顯著。
以理想MEGA爲例，在-7°C CLTC標準工況下，雙層流空調箱帶來了57W的能耗降低，這也意味着3.6km的續航提升。
▲理想MEGA雙層流空調箱設計
除了空調箱的創新，爲了應對冬季不同場景，在各種環境下都對每一份熱量精細化利用，理想汽車對熱管理系統的架構也進行了自研。
其中一個十分常見的場景是冬季早晨通勤時的冷車啓動。由於這種情況多爲城市行駛工況，電驅儘管有餘熱可以供給座艙採暖，但熱量並不多。
如果熱管理架構採用傳統方案，電驅餘熱在向座艙傳遞時還會同時經過電池，爲電池加熱。但如果此時電池電量較高，實際上並不需要加熱來增加放電能力，那麼爲電池加熱反而成了不必要的能量消耗。
因此，理想汽車在熱管理系統的迴路中增加了繞過電池的選項，讓電驅直接爲座艙供熱，相比傳統方案節能12%左右。
▲理想汽車自研熱管理系統架構
此外，如高速行駛時由於電驅餘熱充足，除了可以給乘員艙供熱，還可以將多餘熱量儲存在電池中，在下高速進入城區後，如果遇上擁堵，電驅的餘熱不夠用，電池中存儲的熱量就可以支持乘員艙的供熱。
做到熱管理場景覆蓋更全之餘，理想汽車還對零部件做了高效設計，減少熱管理系統本身的熱耗散。理想MEGA的熱管理集成模塊，將泵、閥、換熱器等16個主要功能部件集成在一起，大幅減少零部件數量，管路長度減少4.7米，管路熱損失減少8%，這也是行業首款滿足5C超充功能的集成模塊。理想L6搭載了增程熱泵系統的超級集成模塊，解決了空間佈置難題。
▲理想MEGA的熱管理集成模塊
除了以優秀的熱管理降低空調消耗實現“節流”外，還需要在提升電池低溫放電量的“開源”方面不斷挖掘。冬季電池低溫能量衰減的主要原因，是由於在低溫環境下，鋰離子電池的電化學活性降低，自身放電阻力增大。
這意味電池放電效率下降，會有更多的能量在電池內部被消耗掉。同時，電池的功率能力也會下降，低電量下可能無法支持車輛正常行駛的同時，還需要額外消耗能量去加熱電池。
針對這一問題，理想汽車在達成MEGA的5C超充性能研究上，投入了大量精力來降低電芯內阻水平，不僅實現了超充過程中的低發熱要求，也帶來了低溫可用電量的提升。
▲理想MEGA低內阻電芯設計
在這個過程中，理想汽車對電芯內阻構成進行了分析，拆解了三個層級共17項內阻成分，再針對每一項內阻成分進行優化可行性分析。
最後，通過採用超導電高活性正極、低粘高導電解液等技術，成功將MEGA 5C電芯的低溫阻抗降低了30%，功率能力相應提升30%以上。如果放到整車低溫續航測試工況來看，這意味着內阻能量損失減少1%，電池加熱損耗減少1%，整體續航可以增加2%。
除了理想MEGA採用的麒麟5C電池，理想L6的磷酸鐵鋰電池同樣針對冬季用車進行了優化。許多電動車用戶都曾有過這樣的尷尬經歷：明明儀表盤上顯示還有電量，卻突然發生失速、甚至“趴窩”的情況，問題的根源在於磷酸鐵鋰電量估不準。
磷酸鐵鋰電量估不準，主要原因是校準機會少。行業內一般採用電池開路電壓校準電量。對於三元鋰電池，由於開路電壓與剩餘電量通常呈現一一對應的關係，因此可以通過測量電壓來準確估算電量。
但磷酸鐵鋰電池則完全不同，同一個開路電壓可能對應多個電量值，導致電量難以校準。爲了解決這一困擾，許多車企建議用戶定期將電池充滿，用於校準電量。
然而，這樣的做法並未從根本上解決磷酸鐵鋰電池電量估不準的問題。特別是對於增程或插混車型，用戶的駕駛習慣使得電池充滿的機會更少，因此電量校準變得難上加難。
針對這個問題，理想汽車歷經3年時間，研發了ATR自適應軌跡重構算法，算法能夠依據車主日常用車過程中的充放電變化軌跡，實現電量的自動校準。
即便用戶長期不滿充，或者單純用油行駛，電量估算誤差也能保持在3%至5%，相比行業常規水平提升了50%以上，使得理想L6在低溫場景下使用時，相比於傳統算法放電電量提升了至少3%。
▲ATR自適應軌跡重構算法
對於增程車型而言，純電續航並非從滿電到電量耗盡所行駛的里程，而是指在增程器啓動前，車輛依靠純電驅動的行駛里程。冬季來臨時，低溫環境會造成電池放電能力減弱，造成剩餘電量較高時增程器提前啓動，導致純電行駛里程變短。因此，提升電池的低溫放電能力，就成爲了提升純電續航和動力表現的關鍵。
從原理而言，電池放電、輸出功率的原理類似於大壩放水。放電時電壓“水位”落差越大，輸出的功率就越強。但電壓落差並非越大越好，一旦低於安全邊界，便會對電池造成一定的壽命影響。
由於電池材料對溫度較爲敏感，在低溫下會出現比常溫更快的電壓跌落和更大的電壓波動，所以行業內通常會採用較爲保守的功率控制算法，限制低溫下電池放電時的電壓落差。因此，傳統方法會留有非常多的功率冗餘，造成“有力使不出”的情況。
理想汽車針對這一問題，推出了APC功率控制算法，通過高精度的電池電壓預測模型，實現了未來工況電池最大能力的毫秒級預測，因此，可以在安全邊界內，最大限度地釋放動力。
▲APC功率控制算法
憑藉APC算法，理想L6在低溫環境下的電池峰值功率提升30%以上，也將增程器啓動前的放電電量提升了12%以上，將冬季的純電續航進一步提升，ATR算法和APC算法讓理想L6的低溫純電續航提升15%。
三、優化電芯材料設計預冷預熱算法
冬季充電沒有其他季節快，同樣是很多新能源車主的困擾。隨着氣溫驟降，電池活性減弱，電動車的充電時間往往大幅延長。在常溫下，傳統2C電池系統從10%充至80%通常在30分鐘左右，但是在低溫環境下，相應的充電時間會延長到50分鐘左右。
而理想汽車在開發理想MEGA的5C電池的時候，目標是不僅要在常溫下做到12分鐘500公里，達到接近燃油車的補能速度，更要確保在寒冷的冬季也能保持這一水準。爲了實現四季如常的充電體驗這一目標，理想汽車在硬軟件兩個維度進行技術升級，從高倍率電芯設計、高效熱管理設計，以及多項智能充電控制策略等多領域全面優化。
理想MEGA搭載的麒麟5C電池從微觀層面上，對電芯材料（正極、負極、電解液、隔膜）進行了優化，進一步改善了鋰離子的傳輸路徑，實現高倍率性能，在低溫條件下，充電倍率能力相對傳統2C電芯提升超過100%。
▲理想MEGA高倍率電芯設計
此外，理想MEGA的電池包採用麒麟架構，打造超大換熱面積的電池熱管理系統。更大的換熱面積不僅有助於在夏季更快帶走多餘熱量，而且可以在冬季有效提升電池加熱的速度，讓電池在短時間內達到最適宜5C超充的溫度。
傳統的冷卻方案通常將整塊冷板佈置在電池箱體的底部，通過電芯底面的一小塊面積與電芯進行換熱，單位時間內冷卻、加熱的效果有限。而理想MEGA的電池包取消了整塊的底部冷板設計，麒麟架構將液冷板分散插入到每排電芯中間，形成類似“三明治夾心”的結構，以保證每個電芯能夠通過殼體大面區域和冷卻液進行換熱，整個換熱面積相對於原來的底部冷卻方案提升5倍。
同時利用整車熱管理熱泵技術帶來的強大的加熱能力，理想MEGA的麒麟5C電池即便是在零下10℃的極低溫環境下，依然能夠實現1.2°C/分鐘的電池包加熱速率。
此外，理想汽車設計了一套非常周密的智能預冷預熱算法。例如在設定去超充站的導航路線後，車輛在到達超充場站前，算法就可以根據電池的實時狀態、場站的實時距離，自適應地調節電池預熱開啓時間和預熱水溫，確保到達充電站開始充電時，電池溫度得以控制在最優溫度區間，目前已經可以做到對電池溫度的控制精度小於1℃，以最小的加熱能耗保證最佳的充電溫度。
▲理想汽車智能預冷預熱算法
理想MEGA開始交付之後，理想汽車關注到很多用戶實際的充電習慣是儘量追求滿充，有不少的超充用戶都會將電池充到95%（理想超充樁電量限制值）。但由於電池的化學特性，在80%以後電池充電速度會降低，導致用戶充電時長增長。爲了讓大部分用戶在儘可能短的時間內滿充，提升末段80-95%區間的充電功率勢在必行。
理想汽車分別從電壓、電流、溫度三個維度顯著提升控制精度，進一步釋放了電芯的充電性能。升級後從10%充到95%，僅需17分鐘時間，相比之前縮短了5分鐘。即便在電量充到95%的情況下，充電功率依舊可以維持在100kW以上。
▲理想MEGA末段充電功率提升
四、與寧德時代合作電池包 自研熱泵系統
在現場，理想汽車也展示了一些有關快充、能耗管理和自研的一些熱管理模塊。
▲5C麒麟電池
圖中的是理想汽車與寧德時代合作的5C麒麟電池包，這是與理想MEGA實車上的電池包1：1尺寸的模型，圖中藍色的爲一個電芯。
▲5C麒麟電池
同時還能看到電芯之間的麒麟架構的示意，麒麟架構將液冷板分散插入到每排電芯中間，形成類似“三明治夾心”的結構，以保證每個電芯能夠通過殼體大面區域和冷卻液進行換熱，整個換熱面積相對於原來的底部冷卻方案提升5倍。
▲麒麟散熱架構示意
此外，理想汽車也展出了很多自研的與熱管理有關的模塊。圖中是理想L6熱管理超級集成模塊，理想汽車表示該模塊有十通閥，零件數少33%，管路長度減少4.3米，管路熱損失減少8%。同時主駕駛右耳噪音小於25dB。
▲理想L6熱管理超級集成模塊
圖中是理想汽車自研的R290熱泵系統，理想汽車表示其能實現22種功能模式切換，比現有方案35攝氏度環境溫度製冷時節能超過9%，零下20攝氏度環境溫度時採暖節能超過40%。
▲理想汽車R290熱泵系統
圖中時理想汽車研發的另外一套二氧化碳熱泵系統，理想汽車表示其可以滿足全溫域熱泵空調、電池5C超充加熱和冷卻功能，制熱能力可達8kW。
▲理想汽車二氧化碳熱泵系統
結語：理想汽車提升冬季用車體驗
理想汽車表示，理想汽車通過自產自銷的熱泵運行模式、整車熱量的精細化分配、智能化的場景識別，讓理想汽車在任何情況下，都能夠保障全場景舒適。
同時，理想汽車也將打造全家人體驗最好的新能源車作爲目標，針對低溫環境不斷深耕技術研發。在冬季續航達成率上，理想汽車已經在持續研發熱管理和電池技術。
此外，理想汽車認爲，超充是必須的路徑，四季都要達成，理想汽車突破了電動車冬季充電的瓶頸，以5C超充技術爲核心，爲用戶繪製了一幅四季如常、暢行無阻的電動出行藍圖。