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2020年01月22日

低温是如何折磨电动汽车的?

2020-01-07 13:29:13 来源:互联网 阅读:3

锂离子电池怕冷这个认知,其实要早于人们对电动汽车的关注。

低温是如何折磨电动汽车的?

影响力最大的科普者,就是大名鼎鼎的苹果手机。这一点我深有体会,充满电的iPhone6在寒冷的冬季出门,没几分钟就只剩下60%的电量。若路上多耽搁一会,它直接给你关机了,连打个滴滴的机会都不给,苦不堪言。

在寒冷面前,锂电池比人还要娇贵!

低温是如何折磨电动汽车的?

正是苹果手机的科普如此到位,所以当电动汽车迎来第一个冬天、续航大幅缩短的时候,用户并没有冲动地指责厂家偷工减料带来质量问题,更多的是抱怨应对措施不到位。

冬季续航减半的原因

电动汽车冬季续航缩短,通俗地说,是由两个原因导致的:一是人怕冷,二是电池怕冷。

低温是如何折磨电动汽车的?

人怕冷,于是就要开暖风。即便是大家都熟悉的燃油车,夏季开空调油耗也会大幅上升。而冬季开暖风,情况会更加严峻,原因在于:

  • 制暖需求量更大:制暖/冷消耗主要由温差决定,冬季-10℃→20℃,制暖需求30℃。夏季35℃→25℃,制冷需求也就10℃而已。
  • 制暖效率更低:制冷由空调“电能/动能搬运热量“来实现,也就是“冷泵”。而制暖通常还是由“电能转化热量”的PTC来实现,效率要低。“电能搬运热量”的“冷泵”应用还不普遍。
低温是如何折磨电动汽车的?

燃油车的乘客也怕冷啊,为啥没觉得冬天制暖更耗油呢? 原因在于,发动机工作会产生大量的热,这些热量足以家用小轿车使用了。而电动汽车呢? 工作的时候电池、电机都非常地“冷静”,没有余热可用啊!

如果发扬阿Q精神,咱们也可以换个角度来理解:电动汽车正是因为能量转换效率高达90%以上,比发动机的20-40%高很多,所以余热才少、所以才需要消耗额外的制暖能量的!这样理解是不是舒服多了?呵呵。

至于电池怕冷,大部分人仅有模糊的、感性的认识,而不清楚具体原理。今天我们稍微花点时间,缕一缕。大家别走,我保证讲得通俗易懂。

低温是如何折磨锂电池的?

低温是如何折磨电动汽车的?

如下图,是锂离子电池的基本原理,只需要记住以下3点就可以了:

  • 正极才是锂离子的家:当所有锂离子均到达正极,回到家时,它们就不再想动了。也就是,没电可放了。
  • 强迫锂离子背井离乡,就是充电:为了避免成为死肥宅,人们就要“充电”。正负极通电之后,在各种电场力、扩散力、电化学力的作用下,锂离子们背井离乡,离开正极的家,穿越电解液,来到负极暂居下来。也就是,充满电了。
  • 思乡心切,期待放电:锂离子思乡心切,一旦有机会飞奔回正极,回家的过程中伴随着巨大的能量释放,驱动车辆前行。
低温是如何折磨电动汽车的?

那么,低温下的锂电池,发生了哪些变化呢?

低温是如何折磨电动汽车的?

  • 容量损失:锂离子 “冻住,不许动”。负极的锂离子本来思乡心切,但低温下部分锂离子失去活性(图中黄色圆圈),不愿意出门了。打个比方,本来你在银行有100万元,惹上官司后银行冻结了20万元,这部分就不能使用了。若能证明清白(温度恢复),冻结的20万元还能恢复(电量也能恢复),不会凭空消失。
低温是如何折磨电动汽车的?

  • 放电损失:电解液固化,“归家异途”凶险。温度正常时,锂离子可以顺利地穿过电解液。低温时,电解液变得“粘稠”,甚至“结冰”,锂离子的归家异途就变得凶险了,要费不少力气才能穿过去。

具体表现就是内阻增大(如下图3种不同状态的电芯,在0度以下的时候内阻都显著增大)本来一度电能跑5公里的,现在只能跑4公里了。

打个比方,这相当于增加了“能量税”,好好的10万元,只买到了8万元的货品;一旦花了出去,再恢复正常温度,这部分损失的能量也回不来了。

低温是如何折磨电动汽车的?

低温下锂离子的“归家异途”

低温是如何折磨电动汽车的?

3种不同状态的电芯,在0度以下内阻显著增加

  • 充电衰减:直观地理解,负极材料的晶格就像蜂巢一样,锂离子来了之后可以“嵌入”进去,英文叫intercalation。在低温下,晶格就收缩了,锂离子“嵌入”变得困难。所以电池管理系统就自觉地降低充电速度,这就会导致第二天早上也充不满,本来就堪忧的续航,雪上加霜。
低温是如何折磨电动汽车的?

有人说,如果我让BMS在低温下强行加大电流呢,就不能把锂离子给强行挤进晶格吗?答案是,可以是可以,但晶格有可能就“挤破”了,这会造成电池容量的永久性损耗。所以兄弟,心急吃不了热豆腐,霸王硬上弓是不可取的。

可以看出来,低温对锂离子电池的伤害是全方位的:一来充电不满,二来放电不顺,三来制暖又非常耗电。这一多管齐下,开流节源,电动汽车冬季续航减半也绝不是很夸张的说法了。

那么,有什么应对措施呢?

热泵——提高制热效率

人怕冷,可以忍一忍,“又不是不能用”(狗头笑脸)。当然,为司机与乘客制暖,也并非没有优化空间。

例如,设计较小的车型(可惜今年交付的电动汽车大部分是SUV),再如特斯拉的方向盘与座椅加热系统 —— 保证屁股与手不冷,脸上凉点可以忍,这样的话在不太冷的气候下,没必要开车内制暖了。

低温是如何折磨电动汽车的?

(特斯拉座椅加热系统)

电池怕冷,那是绝对忍不了的。一般的电加热叫PTC,听起来挺高科技的,其实就是电流通过电阻,根据焦耳定律放热。这种电加热方法,1度电可以转换成1度热,效率较低。

有没有1度电带来更多热量的方法呢?有的,也就是所谓的“热泵”,可以简单地理解为空调制冷的反过程。前两年Bosch都也在推这套系统,在奥迪Q7 e-etron有使用,更详细的介绍可以看:

理论上来说,热泵系统可以用1度电带来3度热,制暖效率达300%。有些家用空调真的能达到这种效率,非常节能。但是,就像发动机特性一样,要想达到如此高的效率,热泵/空调需要稳定的温度、湿度、风速条件(这些都是影响蒸发与冷凝的因素)。

居住空间也许能保证温度、湿度、风速条件的相对稳定,但对于汽车来说,可能一个都保证不了…… 理论效率300%,实际效率也就150%。1度电可以换来1.5度热,当然比PTC要好,但是个人看来也就是半斤八两。对纯电动汽车来说,这种头痛医头、脚痛医脚的方法,并不能从根本上解决问题。

有没有更巧妙、更根本的方法呢? 让我们来看看,今年完成量产交付的3家造车新势力是怎么做的吧——蔚来、威马、小鹏。

头铁的蔚来

——车到山前必有路,有路必有电动车

量产交付以来,蔚来做了不少匪夷所思的营销事件。比如把车开到海拔5200米的珠峰大本营、在G4高速上换电跑长途等等,基本思路就是:电动汽车不擅长做的事情,我偏要做一做。

低温是如何折磨电动汽车的?

蔚来ES8开到了珠峰营地

这似乎是想向大家阐明一个道理:燃油车能做到的,我电动车一样能做到,车到山前必有路,有路必有电动车。蔚来的这个理念,可以说已经超越了一个企业的营销需求,而是从为整个电动汽车行业呐喊。

然而,理念归理念,但这种不可持续的服务,“我偏要”的这种勉强,我总感觉是跑偏了,甚至会产生相反的效果。本来电动汽车至少表面上是要节能环保的,但这样一出车就跟一个服务队,一点也不绿色……

就比如,最近微博几位网友,说要开着蔚来ES8去大兴安岭。在零下四五十度的情况,我敢保证电池100%要罢工,既不能充电也不能放电。(锂电池旁白:这不是欺负人吗?)

蔚来为了坚持自己的理念,说车友想去可以去,他们会做好后勤保障工作。意思就是想尽办法也要让ES8的电池给热起来、跑起来。

低温是如何折磨电动汽车的?

个人认为,这是贯彻宣传企业理念的一种营销方式,但并不是解决低温锂电池性能问题的切实方法。

蔚来的方法,可谓头铁。

机智的小鹏

—— 避开寒冷区域

小鹏则“机灵”很多,绝不勉强、绝不硬刚。

低温是如何折磨电动汽车的?

一方面,交付时间晚一些,尽可能地避开第一个冬天;另一方面,首批的6个小鹏体验中心,除了首都北京之外,其他5城广州、深圳、东莞、武汉、杭州全部在长江以南。这些城市冬天也不咋冷,对电池性能几乎没有实质性威胁。

为小鹏的机智点个赞~ 当然,这并不是“解决“了低温问题,只是暂时“回避“了问题。小鹏这样做,是完全符合企业利益的,敏感的事情就让头铁的蔚来去扛吧。

小鹏的方法,可谓机智。

务实的威马

——土法子,有奇效

分析来分析去,就发现在电池容量有限情况下,只要用电池来制热,就没法在根本上解决问题。

那怎么办呢?为了用其他燃料,我们难道要往车上装一个发动机吗?那岂不是成了混合动力汽车了。那简单点,装一个锅炉呢?

低温是如何折磨电动汽车的?

这可不是开玩笑? 一位大学副教授的知识网友,就曾认真分析过这种方案的可行性。经过各种权衡与分析后,他得出结论:整个系统也不需要多大的体积,也不会产生太多额外的重量,但却能非常方便地解决电动汽车低温续航降低的问题。所以我觉得这个设想是有可能实现的。

低温是如何折磨电动汽车的?

从技术资料中可以看出,在0℃时,主要用电加热;在更冷的温度下,主要用柴油加热;在快充的情况下,用电加热迅速加到25℃(否则低温快充造成永久电池损耗)。

低温是如何折磨电动汽车的?

这套系统是选装的。大体上来说就是,长江以南不必加热,长江以北电加热足矣,酷寒之地东三省建议选装柴油加热系统。特别是在零下20度的极寒地区,锂电池面临的不再是好不好用的问题,而是能不能用的问题了。在极寒地区下,电加温已经起不了作用,这时候就需要柴油加热系统来拯救。

当然,如果用户并不是在极寒地区使用,就不必选装柴油加热系统,如此一来可以节省相关费用。

低温是如何折磨电动汽车的?

给突出科技感的电动汽车,加装一个柴油加热系统,听起来好像不怎么高大上。

设想这样一个场景:

司机:小伙子,给我加满柴油!”

加油站员工:大哥,您这是欧洲进口车吗,加柴油啊?”

司机:不是,我这是纯电动!”

加油站员工:???”

低温是如何折磨电动汽车的?


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