杏耀账号注册最高占成:电池研究院:动力电池怕冷罢工怎么办?

2022-01-28 00:10:17 作者:黄恒乐

太阳城官方棋牌 www.cpzx8.com   【太平洋汽车网 技术频道】春节前,太平洋汽车网PCauto与皆电GeekNEV同事们开着6台新能源车跑了一趟“智驾千里”春运长途,在广州与武之间跑了一个来回,其中纯电车型在南方冬季的通畅高速巡航工况下,真实续航大约在NEDC标称续航值的50-60%之间。

  若是北方媒体跑纯电续航测试,这个比例会更低一些。因而我们可以发现,新能源汽车的真实续航与外界温度的相关性非常强,夏季外界温度过热时,动力电池需要降温,车内需要开空调;冬季外界温度过低时,动力电池需要加热,车内需要开暖风。

  2021年夏季,笔者写了一篇关于电池散热降温的文章:

电池研究院:动力电池怕冷罢工怎么办?

  今天,我们来看看电池加热的一些事一些情:

 
为何需要给电池保温

  当前所有新能源车均装备了锂离子电池包,包括BEV纯电动、PEHV插混、REEV增程、HEV非插混、FCV氢燃料电池,而锂电池对温度非常敏感,特别娇气,温度太热太冷都不爽,它会立刻没有了理想,不好好充电/放电。

  一般而言,锂离子电池的最佳工作温度在20℃左右,比如MEB平台的动力电池恒温就定在23℃。如果电芯温度因为外界降温而下降过多,电芯正极材料活性降低,电芯内部运动的锂离子数量下降,正负极材料中的带电离子扩散运动能力变差,电能传递速度降低,带电离子运动不顺畅,电池充放性能下降。低温不仅影响充放电的效率,还会因为低温析锂生成锂枝晶,影响电池的循环寿命甚至让电池提前报废。

  从下图“SoC-电压”坐标图可见,极端低温-30℃与超低温-20℃下的放电曲线都非常陡峭,-30℃大约只有SoC 20-60%可用,-20℃大约只有SoC 15-80%可用,电压变化非常大。

  由于电池充放电的化学反应会发热,所以在非极端低温环境中,工作了数十分钟后的电池,可以依靠自身发热来维持温和舒适的“体温”??墒?,冷车启动状态下的动力电池,根本无法依靠自身发热来抵抗外界寒冬,这时候我们就要给电池设计保温措施。

  当然,我国国土面积实在太大,天气预报三分钟都报不完的那种,这就给动力电池保温策略给出了不同的要求,也让我们形成了“南铁锂/北三”的电池技术路线格局。上图那张图便是磷酸铁锂的电压曲线图,标称电压只有3.2V(其他动力锂电池是3.7V),且铁锂非常怕冷。

  大家可以看看下方的一月平均气温分布图,我国东北、华北、高原地带毫无疑问是0℃以下低温,中原地带能维持在0℃左右,五岭以南一路向高。

  在岭淮河线以北的用户,冬季使用磷酸铁锂配方的电动车要遭罪了,Model 3磷酸铁锂版的车主们应该最有发言权,与三元锂版的冬季续航差距有点大。

 
主流的电池的保温策略

  秦岭淮河以北一年仅一熟的地域,冬季气温分分钟往零下摄氏度走,电池包工作自产热不足以维持正常工作温度,车企基本都会用以下6种方案来解决低温难题:

A
 
被动式保温装置

  简单来说就是电芯、模组、电池包三个层面的壳体本身,以及配套的隔热保温装置。

  保温材料必须考虑很多因素,比如必须是热的不良导体,必须阻燃,必须绝缘,最好防水防尘还耐受高温低温,材料成本也不能太高,最好重量也要轻巧一些……

  一般电池包内部会放气凝胶来隔热,而气凝胶这玩意就比较有趣了,它是世界上密度最低的固体(低至0.003g/cm2),里头绝大部分都是气体,基本能隔绝热传导,美国宇航局在90年代就爱上这种新材料。Lyriq那个奥特能平台也宣传过自家气凝胶隔热材料可以挡住600℃热浪冲击。

  云母也是不错的隔热材料,岚图此前发布的“云母电池”就用了“云母+气凝胶”的方案来隔热。

  另一种材质叫“德耐隆”(Telite),是一种改性发泡材料,同样是用来隔热保温的,属于比较新型的材料。

  在这几种材料的包裹下,电芯自产热量就能让电池维持在比较舒适的问题进行充放电。

  虽然被动保温材质是比较“古老”的方式,但这是动力电池必有的配置,再简陋的新能源也会有一定的保温材质包裹。除此之外,工程师们还研发了后文我即将提到电阻/液体/外置热源系统不工作时,但这些主动式保温系统并非长时间工作的,当温度充足时自然会断开供能,此时电池包内部依然需要依靠被动保温材料来控温。

B
 
电阻加热系统

  “热得快”用过吧?就是这玩意。

  不过传统“热得快”非常低成本,没任何防护装置,相当于拿在小学生手上的RPG火箭发射器。动力电池用的电阻加热系统一般有两种,常用的叫PTC热敏电阻(Positive Temperature Coefficient),是一种电阻随温升而激增的半导体电阻(下图)。

  另一种是加热膜,有金属的或者硅基的,现在还有把导电粒子加入高分子有机材料里面做加热膜的。这些薄膜会贴在电芯附近,加热效果比PTC更加均匀,体积也比较?。ㄖ挥?mm这么?。?。

  还有一种使用“帕尔贴效应”(Peltier effect)的加热装置,热效率更高,但暂时还没量产。

  之前有读者问过,耗电来给电池加热,续航不就更低了吗?

  问得挺好。前文我们说过电池在超低温下的充放电性能会降低50%甚至更多,如果我只用5-10%的电量去加热电池,让它恢复30%电量,是不是赚了呢?就是这么个简单道理,而且加热系统不需要一直工作的,等温度差不多了,下半场留给电池工作的自产热来维持体温。

  之前我拍过MEB平台的温控装置,下图加热部分使用PTC热敏电阻(红框,一大一?。┖涂晒┭∽暗娜缺茫ɡ犊颍?,冷却部分使用R744空调压缩机装置(蓝框,同一个)。

  为什么PTC加热装置有两个呢?大的那个在车厢内,给车内供暖;小的那个在前舱内,给电池供热。两个装置独立之后,可以按需加热,耗能会更低。

  因为有PTC的存在,即使在-10℃低温环境下,1小时也可让ID.产品充入近80%电量。

C
 
液体加热系统

  此前文章我们聊过液体冷却方案,液体可以带走热量(液体冷却),也可以带来热量(液体加热),因此可以在液冷方案动力电池基础上改为冷热两种温控系统。

  液体加热方案其实是“PTC+液体循环系统”的结合(相当于一台电热水器),通过PTC加热包内液体,进而通过液体循环把热量输送到每一颗电芯上面去。

  相比单纯的PTC加热方案,“PTC+液体循环系统”的加热更加均匀,可以更好地保证电芯的一致性,延缓容量减少的速度,降低热失控的概率,提升循环寿命。

  未来,可能还会有浸入式的液体加热方案量产,热传递效率会更高。

D
 
外置热源加热

  说得有点文绉绉,其实就是利用一台内燃机,通过燃烧石化燃料产生热量为电池包加热。

  比较典型的例子就是威马EX5可供加装的“极地电加热系统”,实则是一台小型的单缸活塞式内燃机,采用燃效更高的柴油燃料,在-30℃以下的极端低温温环境中非常管用。

  这套系统的工作流程也是挺简单的,容量为6L的小油箱装了柴油,柴油燃烧之后的热量用来加热电池液体回路中的液态介质,液态介质加热电池。如果每天启动之后需要加热大约1小时,6L柴油大约够用1个月多。

  外置热源加热系统的优势是不需要耗费电池本身的电量来加热电池,缺点是造价比较高,不能拆卸,非冬季不使用这套系统时还得一直挂着它走,削减续航里程。

E
 
脉冲自加热

  脉冲自加热系统是最近才量产的,比亚迪长安都在研发这种技术,其中比亚迪将电池模组一对一编排,用电池组1对电池组2充电,然后迅速用电池组2对电池组1充电,快速左右横跳。

  因为电芯在低温状态下的内阻很大,所以脉冲充电会产生热量,而且这些热量就在电芯内部,不会有传递损耗。

  长安的脉冲自加热系统是如何的,暂时没有资料。

F
 
热泵

  热泵最近几年在新能源车领域已经开始流行起来了,它是利用液体-气体的相变来换热的。下图是 @论科技 画的图。

  外内是一个蒸发器,让气体液化放热;车外是一个冷凝器,让液体气化进行吸热;泵是拿来压缩气体用的。

  我在电池冷却文章里面聊过相变传热方式的高效率,这里就不多说了。这里要说的是,基于全球环保需要,各国逐步禁用R134a作为汽车空调 制冷剂,主要替代制冷剂为R1234yf 或CO2(R744),CO2在标准大气压下的沸点比R134a和R1234yf更低,因此在寒冷天气下制热效率更高,而且CO2制冷剂最为环保,完全无毒,后续使用无需回收。

  热泵的效率远高于PTC加热,但热泵的功率不高,此前笔者就看到过MEB平台的拆解,讲师说极度低温情况下,热泵空调与PTC会一起工作,等温升充足之后就停掉费电的PTC。

  这节的最后补充两句:隔热与保温是两个有较强相关性的独立项目,隔热是安全方面的必须,隔热性能越强越好;但保温不是越强越好,高纬度用户当然希望电池保温性能拉到满,但低纬度用户的电池若是保温太强了,散热装置的性能和成本也要随之上升,不然在夏季就无法顺利排热。

 
冬季电池保温与用车的其他事
A
 
智能化的预加热功能

  低温充电时,电池内部活性物质很慵懒,一般来说只能涓流充电,这时候进行大电流充电是很危险的,电控做得不好的新能源车在北方冬季快充时可能有风险。

  但新能源车的电量很珍贵,车辆静置状态下肯定不会一直启动加热装置来维持电池体温,若突然想出行或者突然接入电网充电,冷车启动的电池就会遇到超低温故障问题,轻则电量大减,重则无法启动或者产生锂枝晶削减循环寿命。

  目前中高端新能源车会配备电池预加热功能,在你APP预约使用车辆的时间之前一点点,先打开电池加热装置为其升温,甚至可以提前打开车舱内暖气。

B
 
如何高效率充电

  毫无疑问,露天停车场的气温是远远低于地库内部气温的。因此,如果你是纯电动车车主,可以选择露天和地库,请优先选择地库(地库停车费过高的情况除外)。

  因为冬季低温,充电速度不仅很慢,而且电池在超低温下进行充电很容易造成损伤。在地库下方,不仅气温较高,充电速度能够提升,电池安全性也得到保障。

  冬季融雪会浸湿充电装备,在自己不熟悉的公共充电桩上操作,不妨戴一双塑料绝缘手套(或者可以套在御寒手套外面的超大码绝缘手套),一方面不会弄脏自己的手或者棉手套,一方面可以做到防触电。中国的公共设施保养情况堪忧,有关部门管理或者盈利机构管理也不力,因此充电桩的日常使用损伤还是挺严重的,就怕绝缘不到位。

  此外,冬季充电普遍偏慢,而很多公共充电桩都使用了“一桩多线”充电车位。由于“一桩多线”会分走一部分功率,因此充电时,不妨挑一个两根充电枪都闲置的桩位去充电,这样子的话充电时间可以缩短一些。

C
 
温度一致性

  电芯出厂的时候就会有一致性的差别,后期会通过电控来平衡。

  冷却系统与加热系统同样会给电芯带来后期的一致性问题,无论是气体、液体、固体传热,一条热传递通道里面肯定有最热的点和最冷的点,这两个点上面的电芯就会有完全不同的老化速度,过热/过冷的电芯会老化得特别快,容量掉得更快,后期还会有电压不足的问题。

D
 
不同类型的动力系统

  新能源车都安装有动力电池,其中BEV纯电动车的动力电池最大,没有其他动力系统,因而最怕冬季低温,需要消耗自身电量来保温。

  PHEV插电混动车(中型电池)、REEV增程式混动车(小型/中型电池)、HEV非插电混动车(小型电池)均搭载内燃机,不需过多考虑冬季低温。

  FCV氢燃料电池车也需要保温,因为动力系统装在了一块小型动力电池作为能量中枢,因此也有保温的难题。

E
 
千万不要大脚“电门”放飞自我

  低温放电与低温充电一样伤电池,而那些装载了电加热系统或外置热源的纯电动车也不能幸免,因为冷车启动的时候,加热系统还没有进入状态,电池内部的温度依然很低,此时切勿大脚“电门”放飞自我并贸然表示“连冷启动都不畅顺的汽油车在冬天都是渣渣”。

  此外,因为冬天行车,车内外都需要取暖,外后视镜加热、后窗加热丝、空调暖风、座椅加热等等部件会耗费不少电能,这时候还暴力驾驶,电量消耗速度会远超你想象。

 
结语

  有不少人用上电动车之后,就不顾任何前提调校死劲给周遭的人案例电车,这并不唯物辩证。

  电动车的优缺点都太明显了,以至于需要使用场景特别吻合的人群,才特别适合买电动车,比如年均行驶里程特别长、拥车时间不低于3年、充电条件良好、不晕电车等等。此外,维度中等的用户,使用电车的乐趣会大大增加,夏天不用开足空调,冬天不用开足暖气,续航不至于那么捉襟见肘。

(文:黄恒乐)

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