凜冬將至，氣溫又一次重新整理底線，逼近零度。在暗搓搓迎接雙十二的，購置過年裝備的同時，也千萬別忘給自己的手機、電瓶車加條“秋褲”。

低溫環境對於電池，尤其是純電動車的電池來說，是又一次的嚴峻考驗，電池包可用能量和放電功率都將受到影響。就在此時，小編突然想起自己車庫角落，那輛對標用的特斯拉Model 3，是時候看下它的低溫電池效能了。

環境溫度降低對電動汽車的最直接影響，就是續航縮短、動力變弱。應對低溫，各大車廠會採取各種各樣的措施對電池進行保溫或加熱。比如增加一個“高壓PTC”或者柴油加熱裝置。

1. 高壓PTC

PTC的核心，其實是一個熱敏電阻。它消耗充電樁或者動力電池的電能，將其轉化成熱能。

轉換的功率P=U2/R。所謂的熱敏電阻，可以大致理解為一個“電熱絲”，低溫時電阻R變低，發熱功率增大；高溫時電阻R變高，發熱功率降低。

現在純電動汽車配備的PTC，峰值功率大概3kW，平均功率大概在2kW左右，不算很複雜的高科技。按照0.6元一度民用電來算，一小時工作成本1.2元，如果是快充電費來算會更貴。

2 柴油加熱裝置

（兩條空氣流動方向。一條是被加熱的空氣，一條是燃燒柴油需要的空氣）

使用者給車輛加油後，通過燃燒柴油來對電池進行加熱，平均燃油消耗率0.2L/h，通過熱值換算功率大概也在2kW左右，工作成本大概1.3元/h。

計算公式如下：

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

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

所以，2kW≈0.2L/h

這兩種方式，無論是加熱功率還是使用成本都比較接近，但都各自存在一些缺點。

PTC會耗用在冬季本來就捉急的電池能量，影響續駛里程。

柴油加熱要增加一套機構，使用這套系統的威馬EX5在售價上會增加7千元左右，對於一臺十幾萬的電動車這可不是一筆小錢。而且純電動車加柴油這件事，聽上去比較膈應。

那特斯拉是怎麼做的呢？

Model 3在這加熱這方面，依舊保持了它特立獨行的個性，使用了一種更新穎的方法，甚至可以說是一種傾向於傳統車方案——電動車上本來就有一個可以起到電熱絲的作用的零件，電機線圈繞組。

特斯拉的思路便是利用電驅系統的廢熱，像傳統燃油車用發動機餘熱給乘員艙供暖一樣。使其既用於車輛驅動，又用於產生額外的熱量加熱電池。

傳統車內燃機只有30%左右的驅動效率，汽油燃燒剩下70%的能量都變成熱量需要去散發掉。利用餘熱給乘客供熱，合情合理。

那為什麼Model 3之前的電動車，用了PTC，用了熱泵，甚至用上了柴油加熱，卻沒有想到用車上現成的熱源？

這不是工程師傻，是因為電機與內燃機特性完全不同。電機驅動效率基本在90%以上，產生的10%熱量並不足以用來為座艙和電池進行加熱。

你可能會想，不對呀，現在市場上的電動車大多有100kW的功率，10%就有10kW，這不遠遠超過3kW的PTC功率了嗎？你騙我。

這是因為電機引數100kW指的是電機的峰值功率，只能持續數十秒的時間。日常行駛不是開賽車，不可能讓電機持續執行在如此高功率的區間，實際駕駛的平均輸出功率甚至會低到你想不到的程度。

一臺Model 3長里程版在NEDC工況下的平均輸出功率只有4.22kW。就算加上能量回收等情況產生的電機熱量損耗，我們把這個數字的10%乘以二，也只有不到0.9kW的平均輸出功率，以此制熱怕是要瑟瑟發抖了。

通過車輛測試、拆解和資料分析，我們基本了解了他們具體是如何操作的。

1 在不同的情況下，水路要可以切換；

2 電機控制軟體方面主動降低電機效率，以產生更多的熱量來用於加熱。

1. 水路設計

整個冷卻/加熱水路的設計要重新設計。照理說這個也不是什麼太黑的高科技，但是特斯拉還是自己玩的很high——特斯拉的工程師們設計了一個可以電控切換水路迴圈流向的閥門：Superbottle。

該部件共有6個進出水口（下圖中1,2,3,5,6,7數字對應位置）、兩個泵、一個控制閥，一個電機構成，控制閥可以改變冷卻液的流動路徑。

Super bottle的7和3口分別與電池的進入口和電機的進水口相連線。通過控制閥作用，可以實現7與1連通或者與2連通。對應的，3可以與6連通或者與1連通。

冷卻模式下：

電池冷卻迴路和電機冷卻迴路單獨執行，互不干擾。電池內部的高溫冷卻液從1口流入superbottle，從7口流出，然後經過水泵到達冷卻裝置。變為低溫冷卻液後，進入電池包進行冷卻。

驅動系統的高溫冷卻液則直接流入散熱器，散熱降溫後的低溫冷卻液經6進入superbottle，然後從3流出，接著流入驅動系統迴路進行冷卻。

加熱模式下：

調整電池閥，將電池冷卻迴路和電機冷卻迴路串聯起來。電池內部的低溫冷卻液從1流入superbottle，從3流出。然後直接進入驅動系統迴路，與驅動系統的油冷迴路進行熱交換。

加熱後的高溫冷卻液從5進入superbottle，7流出， 穿過水泵及冷卻裝置後（此時冷卻裝置不工作），進入電池包對電池進行加熱。從而實現利用驅動系統產熱對電池進行加熱的功能。

簡單說，核心就在於這個可以切換水路接通方向的閥門。冷卻時，電池和電驅冷卻系統互不影響。加熱時，調整電池閥，將電池冷卻迴路和電機冷卻迴路串聯起來。

為了這個白色的塑料罐子，特斯拉還調皮地起了個名，叫Super Bottle。甚至設計了一個超級英雄卡通形象，偷偷地印在了這個白罐子上面。

當然這個罐子，普通使用者日常使用是完全看不到的，特斯拉工程師也只是延續了以往“悶騷”的作風——太空有一臺正在繞日運轉的Roadster，而這臺車的PTC上有一行著名的字：“Made on Earth by humans”。

2. 電機效率控制

讓我們先來看一下某個電機的效率MAP圖。

這圖裡的每一個點，都代表著對應扭矩、轉速下的電機效率。既然工程師要控制電機效率，那我們先得知道，電機效率是怎麼來的。

電機扭矩由id，iq向量變數控制，有方向，有大小。下圖是在某轉速下的等扭矩曲線圖，就像計算初中物理的合力與分立一樣，等效電流值的平方= id^2+iq^2。等效電流值相等，即扭矩不變時，理論上id和iq可以由無數種配比方式。

但此時雖然扭矩不變，效率卻會不斷變化，因為等效電流的方向（類似於力學中合力的方向）會隨著id，iq的改變而改變。當電流的方向與扭矩相切時，效率達到最高，這時候的id，iq就像二次方程的兩個最優解。

如果還是不理解，可以看一個更簡單的例子。如果要兩個數相加等於10，可以有2+8、3+7、4+6等無數種方案。但如果我們定義這兩個數字相乘的結果最大的時候為最優解，那最優解只有一種就是：

5+5=10，5*5=25。

上面那張電機效率MAP圖，就像是一臺電機給工程師出的數學期末考卷。工程師需要為密密麻麻的每一個點，都找到最優解。

而且只有理論計算還不夠，實際情況會因為鐵損、軸承、氣隙等因素，導致計算結果有偏差。為了細扣糾正每一點的效率，電機工程師還需要趴在臺架電腦上，利用測功機把這圖裡每個點真實的扭矩精確測量出來並進行微調。

好在通常情況下，工程師一定會讓電機工作在最優效率點，“每個方程只需要求最優解”，臺架工作只要根據最優電流配比的標定就可以。

但特斯拉的工程師就沒那麼幸運了，因為Model 3這臺電機被賦予了兩個功能——驅動與加熱。

比如說此時電機功率為20kW，需要的發熱功率為5kW。那麼需要改變電流配比，將電機驅動效率降到75%，剩下的25%功率用來發熱。

這就導致，工程師不僅需要求最優解，還根據發熱需求計算75%效率或者85%效率等時候的id和iq，從而確保各個效率下電機扭矩的準確性，確保加熱需求的同時，又避免電機、電池面臨熱失控的風險。

驅動功率是隨駕駛員需求是實時變化的，發熱功率也會依據座艙空調、電池的溫度實時調整。這二者變化節奏不同，將導致電機效率也會不斷的動態改變。

這對於電機的動態控制提出了很高的要求，等於在電機控制方面增加了一個維度，可能需要在MCU軟體中準備多款效率MAP，確保輸出功率和發熱量都能滿足控制需求。

這種加熱方式雖然複雜，但一旦實現，優點也是顯而易見：

01 充分利用了電機餘熱，能量使用率提高。

電動車加速時，功率達到30kW再正常不過。假設此時的電機效率為90%，那麼有10%即3kW的熱功率產生為電池包加熱。和一個普通高壓PTC最大輸出功率相當。也就是說可以達到跟高壓PTC相近的加熱效果。而電池加熱可以釋放電池的更多可用能量，形成良性迴圈，提升續駛里程。

但還要考慮行駛中的另一個方面，電機降低效率提高散熱量的本質，還是需要通過電機消耗電池的電量。所以加熱後釋放的能量，與加熱時所消耗的能量，二者衡量殊多殊少是關鍵。

因此，目前電池加熱的使用場景主要還是在快充中提升充電速度。Model3也專門設計了一套邏輯：電池溫度較低時，如果使用者在導航中設定目的地為快充樁，那麼在行車過程中系統就會提前對電池進行預熱，保證使用者到達快充樁時可以獲得最大的充電功率。

02 最大輸出功率大，加熱效果好。

普通高壓PTC功率管最大輸出功率在3kW左右，而電機本身可承受溫升的功率至少有7-8kW，短時間內對電池加熱的升溫效果會更好。

這點讓我們用實測資料來說明。回到我們文章開始提到的那臺角落裡的Model 3，第一步開啟冰箱（環境轉榖試驗艙），第二步把車放進去，第三步不是冰箱，是開始測試。

環境溫度約-10℃。停車時，後軸電機處於工作狀態，但不輸出扭矩，此時產熱功率約3kW；

行車過程中，後軸電機在通過降低效率，產生熱量。10km/h車速時後軸電機效率低至25%，20km/h車速時後軸電機效率低至40%，電池溫升速率大概可以做到1℃/min。

下圖所示為快充過程中電機產熱對電池進行加熱過程中的溫度變化曲線：

03 獲得穩定的能量回收駕駛體驗。

電動車使用者在冬季形式還有一個小小的困擾——在溫度較低且SOC較高時，能量回收的減速拖拽力達不到正常的水平，你可能習慣了某個強度的制動能量回收力度，卻發現冬天充滿電開出門的時候和平時的習慣不一樣，必須補一腳剎車。而隨著SOC下降和溫度上升，感覺又慢慢變回來了。這種回收強度的不確定性讓人十分討厭。

這是因為低溫高SOC時，電池的充電功率受到限制，電機無法發出較大的制動扭矩，和日常行駛的感受有所差異：

P=F*V/η

P為電池充電功率；F為整車制動力；V為車速；η為電機發電效率

同等車速v下，電池充電功率P越受限，整車可產生的制動力F越小。

但是，如果通過我們剛剛的方案，可以實現電機效率η的調節。就能做到更小的充電功率P之下，實現更高制動力F，車輛在各種環境下的駕駛一致性會更好。

總體來說，在Model 3上特斯拉的工程師一直很任性，取消儀表，電池採用大模組，首個SiC功率半導體……在加熱這件事上，靠自己優秀的電控與創新能力，他們又秀了一波操作。成本幾乎不提高或者說下降的前提下，提升了整個電池的效能，可以說幾乎將能量效率發揮到了極致。

在這方面的背後，實際上主機廠是對於核心技術的真正掌握，和各部門工程師之間的強大協同，以及對於供應商的強大控制能力，這是值得我們學習借鑑的。

感謝工程師齊方庭、趙烈劍、許政、伍宇飈等對本文的大力支援