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于雷作者

锂电池「御寒方案」的难点在哪?

不可否认的是,虽然各类电池技术路线已是五花八门,但在相当长的时期内,锂电池仍将是绝对主流的EV驱动方式。在此前提下,锂电池仍存在不断提升的空间,包括面对低温环境的解决方案。

受到材料性能制约,动力电池在低温环境放电容量严重衰退,充电也会变得非常困难。加热本是解决低温难题的有效途径,但电驱系统不像内燃机,后者热效率只有40%左右,有大量「余热」可以利用;而前者的电能利用率可达90%,所产生的余热不足以给空调或电池加热。

同时,加热也是续航的另一大劲敌。美国汽车协会(AAA)曾在宝马i3、特斯拉Model S等车型的低温测试中,发现在-6.67℃的环境下,启用暖风系统时的平均行驶里程减少41%,不开暖风的衰减也有12%。

钠离子电池、氢燃料电池等其它路线虽然受此影响较小,但目前还远不能撼动锂电池的地位。而被业界普遍认为是下一代技术的固态电池,受温度影响更加严重,现有固态电解质在60℃以上才能具备较好的电导率,所以研发更高效的电池加热系统,成为了现在及未来的必然需求。

目前,低温条件下的解决方案包括电池脉冲自加热、PTC加热、燃油加热等多种方式,技术层面也互有优劣。

「PTC加热器」成本低、效果好,

但高能耗制约冬季续航
正温度系数 (PTC) 加热器是最直观的电池加热方式:将独立的PTC加热器接入BMS电池管理系统冷却水路,相当于一个「电暖气」,利用其产生的热量带动冷却液升温,再通过冷却水路给电池包加热。另外也有一种膜结构加热器,可以紧贴在电池模组表面进行加热。

正温度系数材料具备一种自调节温度的能力:随着环境或加热器温度降低,其电阻会随之减小,低温时可以用更大的功率制热;温度升高后电阻增大,电流变小,减缓产热。

这使得PTC加热器消除了过热的可能性,同时还有表面加热均匀,无需使用诊断、恒温器或控制单元等特点,也因此减少了故障和保养问题。

这种加热方案非常可靠经济,不仅结构简单,系统层面几乎也只相当于给BMS增加一部分循环管路。但是,PTC加热器的自产热放式,意味着其热量全部来自电能转化,遇低温即可迅速发热的优势,也会带来电能消耗过高的负面影响,严重缩短了续驶里程。

即便如此,PTC加热器作为比燃油车空调「多出来」的设备,仍然给电动汽车带来了不小的额外成本,这也促使它经济性的重要程度大增,最终压到上述缺点,成为当前应用范围最广的方案。小鹏、吉利、北汽新能源、通用等品牌的纯电动车型,基本都采用PTC加热,连售价不低的奔驰EQC也是一样。

但电能对于电动汽车来说至关重要,「技术派」们总是不太考虑成本,而是想要寻找一项更节能高效的加热方案。如何能像燃油车暖风一样,将其它地方的热量「搬运」进电池,就变成节能的有效途径,这也就是目前热门的热泵技术。

热泵1份电可搬4份热,

但低温环境下,难以正常工作

热泵原是被中高端家用空调广泛应用的技术,热泵不产生热量,而是充当「热量的搬运工」。正常环境下,它仅消耗少量的逆循环净功,即可迫使3-4倍的热能从低温物体流向高温物体。

热泵的加热工作过程大致为:吸取带有热量的介质进入热泵,液态制冷剂利用蒸发吸收其热量,然后转移至冷凝端,通过压缩释放的热量,带动车内空气或电池冷却水路升温。

热泵系统可以兼顾制热和制冷两种工况。通过换向阀,车内蒸发器在制热模式下将发挥冷凝器的功用,相应的车外冷凝器在制热模式下也将被用作蒸发器。

相比PTC加热器,热泵更能切中电动车的节能需求。德国零部件供应商马勒曾在测试基于热泵开发的集成式热管理系统ITS时表示,低温环境下,采用传统电加热方式的原车续航里程为100公里,配备该系统后可增至116公里。

马勒热管理事业部前期开发总监Laurent Art称:「马勒集成式热管理系统可将车辆的续航里程数提升7%-20%,具体增幅因车型的具体设计而异。」

在电动车上,热泵被赋予的更多任务,不仅是给电池或车内加热,还是平衡各个系统温度的高效途径。而且,即使是低温环境下,电池可能也仅需在前期加温,到达一定温度后还需要散热,这对热管理技术提出了很高要求。

特斯拉Model Y的热泵配备了8向控制阀,可以通过不同冷却液循环回路的切换,在外界空气、电池、电驱系统、乘员舱多个环境内相互转移热量,共有12种工作模式,大幅提升了热管理系统的工作效率,同时也更加节能。特斯拉CEO马斯克表示:「Model Y的热泵是我这段时间见过的最好的工程设计之一。」

比亚迪e平台3.0采用的热管理系统也与之类似,官方宣称可充分利用环境、动力总成,甚至乘员舱和动力电池的余热,实现-30℃到60℃的宽域工作温度,将冬季续航里程最大提升20%。

但作为热量的搬运工,热泵效率往往由环境决定,有专家指出:「虽然利用热泵空调给驾驶室加热的效率比电阻加热好,但对外界空气的依赖程度较高。」

热泵的搬运效率通常在-10℃就会受到明显影响,尽管电动车热管理系统打通更多搬运途径,但极寒情况下仍不足以提供充足的热量。所以这种情况下,出现了两种解决方式:降低电机效率增加废热产生,利用PTC辅助加热。

电动机效率通过达到90%,这也导致其废热不足以带动车内和电池升温。所以,特斯拉和比亚迪都采取了一种软件控制手段,让其「降低效率」产生更多废热,具体功率还可以根据驾驶员需求实时变化,以及车内、空调、电池温度,实时调整。

不受环境温度影响的PTC加热器,也是热泵在极寒环境下的互补选择。Model Y在热泵中集成了一款12V低压PTC加热器,可以在-10℃以下的温度区间内,辅助热泵进行制热。

热泵是比PTC更被看好的加热技术,但因为更高的成本和技术门槛,让它没有得到迅速普及。「如果热管理技术不过关,使用热泵反而会增加电池能耗。」国内某车企工程师表示,「在电动车领域,里程焦虑和冬季里程衰减是相当长一段时间的现实,热泵对节能的贡献是最大的。」

低温性能正在成为锂电池的技术瓶颈

在热泵技术成为主流方向之前,脉冲电流加热也是一种常被提及的方案。该方案以不连续的大电流放电,通过锂电池内部欧姆阻抗产生的热量,实现对电池的预热。

北京理工大学Shujie Wu(第一作者)等人在SCI期刊Journal of Energy Storage发表的论文中提到,如果要满足快速升温的要求,大电流放电将导致电池的极化较大,因此会导致电池容量衰降速度的增加。

比亚迪刀片电池采用的也是脉冲加热方案,但根据知识产权局公布的专利信息显示,这项技术是利用脉冲式的充放电循环进行加热:双向DC-DC变换器使两个子电池组间进行循环往复的相互充放电,通过所产生的交流电使电芯内阻产生热量。

「子组电池之间的充放电必须要在电池之间引入电势差,这种电势差的引入也会对BMS提出新的要求。」一位电池研发工程师对此表示,「此外,还需要考虑这种内阻发热消耗是不是会影响电池寿命。」

相比寻找节能途径,威马选择采用一款无需耗电的柴油加热系统——其1.0版本系统配备6升油箱,2.0系统则提升到了10升。此前,EX5在低温环境下的测试中,综合续航衰减仅有4%左右,几乎没有受到任何影响。

但这是因为该加热系统并非依靠电能工作,与PTC加热器和热泵并没有实际的对比意义,而其在环保方面的影响、是否违背电动化的本质,以及是否会因补充柴油带来额外负担,还存在不小争议。

尽管有以热泵为核心的更高效解决方案出现,但仍无法真正打破低温困境,这已成为了当前阶段的技术瓶颈。北京理工大学能源与环境政策研究中心张祥教授就曾表示:「受限于目前的技术,电动汽车续航里程在极端天气下缩减严重的问题,短期内难以改变。」
产业新能源汽车电池热管理系统
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