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電池研究院:動力電池怕冷罷工怎么辦?

2022-01-28 00:10:17 作者:黃恒樂

  【太平洋汽車網 技術頻道】春節前,太平洋汽車網PCauto與皆電GeekNEV同事們開著6臺新能源車跑了一趟“智駕千里”春運長途,在廣州與武之間跑了一個來回,其中純電車型在南方冬季的通暢高速巡航工況下,真實續航大約在NEDC標稱續航值的50-60%之間。

  若是北方媒體跑純電續航測試,這個比例會更低一些。因而我們可以發現,新能源汽車的真實續航與外界溫度的相關性非常強,夏季外界溫度過熱時,動力電池需要降溫,車內需要開空調;冬季外界溫度過低時,動力電池需要加熱,車內需要開暖風。

  2021年夏季,筆者寫了一篇關于電池散熱降溫的文章:

電池研究院:動力電池怕冷罷工怎么辦?

  今天,我們來看看電池加熱的一些事一些情:

 
為何需要給電池保溫

  當前所有新能源車均裝備了鋰離子電池包,包括BEV純電動、PEHV插混、REEV增程、HEV非插混、FCV氫燃料電池,而鋰電池對溫度非常敏感,特別嬌氣,溫度太熱太冷都不爽,它會立刻沒有了理想,不好好充電/放電。

  一般而言,鋰離子電池的最佳工作溫度在20℃左右,比如MEB平臺的動力電池恒溫就定在23℃。如果電芯溫度因為外界降溫而下降過多,電芯正極材料活性降低,電芯內部運動的鋰離子數量下降,正負極材料中的帶電離子擴散運動能力變差,電能傳遞速度降低,帶電離子運動不順暢,電池充放性能下降。低溫不僅影響充放電的效率,還會因為低溫析鋰生成鋰枝晶,影響電池的循環壽命甚至讓電池提前報廢。

  從下圖“SoC-電壓”坐標圖可見,極端低溫-30℃與超低溫-20℃下的放電曲線都非常陡峭,-30℃大約只有SoC 20-60%可用,-20℃大約只有SoC 15-80%可用,電壓變化非常大。

  由于電池充放電的化學反應會發熱,所以在非極端低溫環境中,工作了數十分鐘后的電池,可以依靠自身發熱來維持溫和舒適的“體溫”??墒?,冷車啟動狀態下的動力電池,根本無法依靠自身發熱來抵抗外界寒冬,這時候我們就要給電池設計保溫措施。

  當然,我國國土面積實在太大,天氣預報三分鐘都報不完的那種,這就給動力電池保溫策略給出了不同的要求,也讓我們形成了“南鐵鋰/北三”的電池技術路線格局。上圖那張圖便是磷酸鐵鋰的電壓曲線圖,標稱電壓只有3.2V(其他動力鋰電池是3.7V),且鐵鋰非常怕冷。

  大家可以看看下方的一月平均氣溫分布圖,我國東北、華北、高原地帶毫無疑問是0℃以下低溫,中原地帶能維持在0℃左右,五嶺以南一路向高。

  在嶺淮河線以北的用戶,冬季使用磷酸鐵鋰配方的電動車要遭罪了,Model 3磷酸鐵鋰版的車主們應該最有發言權,與三元鋰版的冬季續航差距有點大。

 
主流的電池的保溫策略

  秦嶺淮河以北一年僅一熟的地域,冬季氣溫分分鐘往零下攝氏度走,電池包工作自產熱不足以維持正常工作溫度,車企基本都會用以下6種方案來解決低溫難題:

A
 
被動式保溫裝置

  簡單來說就是電芯、模組、電池包三個層面的殼體本身,以及配套的隔熱保溫裝置。

  保溫材料必須考慮很多因素,比如必須是熱的不良導體,必須阻燃,必須絕緣,最好防水防塵還耐受高溫低溫,材料成本也不能太高,最好重量也要輕巧一些……

  一般電池包內部會放氣凝膠來隔熱,而氣凝膠這玩意就比較有趣了,它是世界上密度最低的固體(低至0.003g/cm2),里頭絕大部分都是氣體,基本能隔絕熱傳導,美國宇航局在90年代就愛上這種新材料。Lyriq那個奧特能平臺也宣傳過自家氣凝膠隔熱材料可以擋住600℃熱浪沖擊。

  云母也是不錯的隔熱材料,嵐圖此前發布的“云母電池”就用了“云母+氣凝膠”的方案來隔熱。

  另一種材質叫“德耐隆”(Telite),是一種改性發泡材料,同樣是用來隔熱保溫的,屬于比較新型的材料。

  在這幾種材料的包裹下,電芯自產熱量就能讓電池維持在比較舒適的問題進行充放電。

  雖然被動保溫材質是比較“古老”的方式,但這是動力電池必有的配置,再簡陋的新能源也會有一定的保溫材質包裹。除此之外,工程師們還研發了后文我即將提到電阻/液體/外置熱源系統不工作時,但這些主動式保溫系統并非長時間工作的,當溫度充足時自然會斷開供能,此時電池包內部依然需要依靠被動保溫材料來控溫。

B
 
電阻加熱系統

  “熱得快”用過吧?就是這玩意。

  不過傳統“熱得快”非常低成本,沒任何防護裝置,相當于拿在小學生手上的RPG火箭發射器。動力電池用的電阻加熱系統一般有兩種,常用的叫PTC熱敏電阻(Positive Temperature Coefficient),是一種電阻隨溫升而激增的半導體電阻(下圖)。

  另一種是加熱膜,有金屬的或者硅基的,現在還有把導電粒子加入高分子有機材料里面做加熱膜的。這些薄膜會貼在電芯附近,加熱效果比PTC更加均勻,體積也比較?。ㄖ挥?mm這么?。?。

  還有一種使用“帕爾貼效應”(Peltier effect)的加熱裝置,熱效率更高,但暫時還沒量產。

  之前有讀者問過,耗電來給電池加熱,續航不就更低了嗎?

  問得挺好。前文我們說過電池在超低溫下的充放電性能會降低50%甚至更多,如果我只用5-10%的電量去加熱電池,讓它恢復30%電量,是不是賺了呢?就是這么個簡單道理,而且加熱系統不需要一直工作的,等溫度差不多了,下半場留給電池工作的自產熱來維持體溫。

  之前我拍過MEB平臺的溫控裝置,下圖加熱部分使用PTC熱敏電阻(紅框,一大一?。┖涂晒┻x裝的熱泵(藍框),冷卻部分使用R744空調壓縮機裝置(藍框,同一個)。

  為什么PTC加熱裝置有兩個呢?大的那個在車廂內,給車內供暖;小的那個在前艙內,給電池供熱。兩個裝置獨立之后,可以按需加熱,耗能會更低。

  因為有PTC的存在,即使在-10℃低溫環境下,1小時也可讓ID.產品充入近80%電量。

C
 
液體加熱系統

  此前文章我們聊過液體冷卻方案,液體可以帶走熱量(液體冷卻),也可以帶來熱量(液體加熱),因此可以在液冷方案動力電池基礎上改為冷熱兩種溫控系統。

  液體加熱方案其實是“PTC+液體循環系統”的結合(相當于一臺電熱水器),通過PTC加熱包內液體,進而通過液體循環把熱量輸送到每一顆電芯上面去。

  相比單純的PTC加熱方案,“PTC+液體循環系統”的加熱更加均勻,可以更好地保證電芯的一致性,延緩容量減少的速度,降低熱失控的概率,提升循環壽命。

  未來,可能還會有浸入式的液體加熱方案量產,熱傳遞效率會更高。

D
 
外置熱源加熱

  說得有點文縐縐,其實就是利用一臺內燃機,通過燃燒石化燃料產生熱量為電池包加熱。

  比較典型的例子就是威馬EX5可供加裝的“極地電加熱系統”,實則是一臺小型的單缸活塞式內燃機,采用燃效更高的柴油燃料,在-30℃以下的極端低溫溫環境中非常管用。

  這套系統的工作流程也是挺簡單的,容量為6L的小油箱裝了柴油,柴油燃燒之后的熱量用來加熱電池液體回路中的液態介質,液態介質加熱電池。如果每天啟動之后需要加熱大約1小時,6L柴油大約夠用1個月多。

  外置熱源加熱系統的優勢是不需要耗費電池本身的電量來加熱電池,缺點是造價比較高,不能拆卸,非冬季不使用這套系統時還得一直掛著它走,削減續航里程。

E
 
脈沖自加熱

  脈沖自加熱系統是最近才量產的,比亞迪長安都在研發這種技術,其中比亞迪將電池模組一對一編排,用電池組1對電池組2充電,然后迅速用電池組2對電池組1充電,快速左右橫跳。

  因為電芯在低溫狀態下的內阻很大,所以脈沖充電會產生熱量,而且這些熱量就在電芯內部,不會有傳遞損耗。

  長安的脈沖自加熱系統是如何的,暫時沒有資料。

F
 
熱泵

  熱泵最近幾年在新能源車領域已經開始流行起來了,它是利用液體-氣體的相變來換熱的。下圖是 @論科技 畫的圖。

  外內是一個蒸發器,讓氣體液化放熱;車外是一個冷凝器,讓液體氣化進行吸熱;泵是拿來壓縮氣體用的。

  我在電池冷卻文章里面聊過相變傳熱方式的高效率,這里就不多說了。這里要說的是,基于全球環保需要,各國逐步禁用R134a作為汽車空調 制冷劑,主要替代制冷劑為R1234yf 或CO2(R744),CO2在標準大氣壓下的沸點比R134a和R1234yf更低,因此在寒冷天氣下制熱效率更高,而且CO2制冷劑最為環保,完全無毒,后續使用無需回收。

  熱泵的效率遠高于PTC加熱,但熱泵的功率不高,此前筆者就看到過MEB平臺的拆解,講師說極度低溫情況下,熱泵空調與PTC會一起工作,等溫升充足之后就停掉費電的PTC。

  這節的最后補充兩句:隔熱與保溫是兩個有較強相關性的獨立項目,隔熱是安全方面的必須,隔熱性能越強越好;但保溫不是越強越好,高緯度用戶當然希望電池保溫性能拉到滿,但低緯度用戶的電池若是保溫太強了,散熱裝置的性能和成本也要隨之上升,不然在夏季就無法順利排熱。

 
冬季電池保溫與用車的其他事
A
 
智能化的預加熱功能

  低溫充電時,電池內部活性物質很慵懶,一般來說只能涓流充電,這時候進行大電流充電是很危險的,電控做得不好的新能源車在北方冬季快充時可能有風險。

  但新能源車的電量很珍貴,車輛靜置狀態下肯定不會一直啟動加熱裝置來維持電池體溫,若突然想出行或者突然接入電網充電,冷車啟動的電池就會遇到超低溫故障問題,輕則電量大減,重則無法啟動或者產生鋰枝晶削減循環壽命。

  目前中高端新能源車會配備電池預加熱功能,在你APP預約使用車輛的時間之前一點點,先打開電池加熱裝置為其升溫,甚至可以提前打開車艙內暖氣。

B
 
如何高效率充電

  毫無疑問,露天停車場的氣溫是遠遠低于地庫內部氣溫的。因此,如果你是純電動車車主,可以選擇露天和地庫,請優先選擇地庫(地庫停車費過高的情況除外)。

  因為冬季低溫,充電速度不僅很慢,而且電池在超低溫下進行充電很容易造成損傷。在地庫下方,不僅氣溫較高,充電速度能夠提升,電池安全性也得到保障。

  冬季融雪會浸濕充電裝備,在自己不熟悉的公共充電樁上操作,不妨戴一雙塑料絕緣手套(或者可以套在御寒手套外面的超大碼絕緣手套),一方面不會弄臟自己的手或者棉手套,一方面可以做到防觸電。中國的公共設施保養情況堪憂,有關部門管理或者盈利機構管理也不力,因此充電樁的日常使用損傷還是挺嚴重的,就怕絕緣不到位。

  此外,冬季充電普遍偏慢,而很多公共充電樁都使用了“一樁多線”充電車位。由于“一樁多線”會分走一部分功率,因此充電時,不妨挑一個兩根充電槍都閑置的樁位去充電,這樣子的話充電時間可以縮短一些。

C
 
溫度一致性

  電芯出廠的時候就會有一致性的差別,后期會通過電控來平衡。

  冷卻系統與加熱系統同樣會給電芯帶來后期的一致性問題,無論是氣體、液體、固體傳熱,一條熱傳遞通道里面肯定有最熱的點和最冷的點,這兩個點上面的電芯就會有完全不同的老化速度,過熱/過冷的電芯會老化得特別快,容量掉得更快,后期還會有電壓不足的問題。

D
 
不同類型的動力系統

  新能源車都安裝有動力電池,其中BEV純電動車的動力電池最大,沒有其他動力系統,因而最怕冬季低溫,需要消耗自身電量來保溫。

  PHEV插電混動車(中型電池)、REEV增程式混動車(小型/中型電池)、HEV非插電混動車(小型電池)均搭載內燃機,不需過多考慮冬季低溫。

  FCV氫燃料電池車也需要保溫,因為動力系統裝在了一塊小型動力電池作為能量中樞,因此也有保溫的難題。

E
 
千萬不要大腳“電門”放飛自我

  低溫放電與低溫充電一樣傷電池,而那些裝載了電加熱系統或外置熱源的純電動車也不能幸免,因為冷車啟動的時候,加熱系統還沒有進入狀態,電池內部的溫度依然很低,此時切勿大腳“電門”放飛自我并貿然表示“連冷啟動都不暢順的汽油車在冬天都是渣渣”。

  此外,因為冬天行車,車內外都需要取暖,外后視鏡加熱、后窗加熱絲、空調暖風、座椅加熱等等部件會耗費不少電能,這時候還暴力駕駛,電量消耗速度會遠超你想象。

 
結語

  有不少人用上電動車之后,就不顧任何前提調校死勁給周遭的人案例電車,這并不唯物辯證。

  電動車的優缺點都太明顯了,以至于需要使用場景特別吻合的人群,才特別適合買電動車,比如年均行駛里程特別長、擁車時間不低于3年、充電條件良好、不暈電車等等。此外,維度中等的用戶,使用電車的樂趣會大大增加,夏天不用開足空調,冬天不用開足暖氣,續航不至于那么捉襟見肘。

(文:黃恒樂)

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