電動(dòng)車冬天續(xù)航問(wèn)題:低溫續(xù)航方案–高效熱管理
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-08 10:29
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低溫續(xù)航下方案–高效熱管理
耐低溫電池的研發(fā)是解決冬季續(xù)航下降較為根本的辦法，主要方向有改性電解液與全天候電池，但當(dāng)前仍在實(shí)驗(yàn)階段。
采用混合鋰鹽、溶劑與添加劑獲得綜合性能較強(qiáng)的低溫電解液是獲得低溫鋰電池的重要手段。電解液是電池抗低溫能力最重要的因素之一，當(dāng)前研究表明將不同的鋰鹽、溶劑與添加劑這三種組分按特定比例混合可以達(dá)到綜合最優(yōu)的效果。例如在溶劑方面，傳統(tǒng)溶劑EC介電常數(shù)高、成膜性好，但因其熔點(diǎn)高、黏度大，而低熔點(diǎn)(-48℃)的PC溶劑可有效地避免電解液體系在低溫下發(fā)生凝固，調(diào)整兩者配比可降低體系粘度，獲得綜合兩者優(yōu)點(diǎn)的抗低溫溶劑。
全天候電池是未來(lái)電池的可選項(xiàng)。在2016年美國(guó)ECPower公司和賓夕法尼亞州立大學(xué)的華人團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)研發(fā)出可在低溫條件下使用的鋰離子電池，通過(guò)在內(nèi)部加入電熱鎳箔經(jīng)過(guò)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低溫自動(dòng)加熱，可在25秒內(nèi)將電池溫度從-20℃升至0℃并維持穩(wěn)定。這種全氣候電池為方形，添加成本每千瓦時(shí)少于1元，附加重量不超越1.5%，-20℃下的容量衰減僅為普通電池的一半。寶馬18年1月宣布與ECPower簽訂專利協(xié)議，極有可能將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于未來(lái)的寶馬純電動(dòng)車型。我們認(rèn)為帶自加熱功能的全天候電池是未來(lái)的可選項(xiàng)之一，但可靠性、加熱耗電量與電路控制仍是需要解決的問(wèn)題。
高效熱管理是當(dāng)前最可行的冬季續(xù)航管理方案
低溫下電池加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜工程。若僅從最大續(xù)航角度考慮，電池加熱系統(tǒng)為保持電池在特定溫度下的自身能耗存在最優(yōu)解，但從電池安全角度，在0℃以下均需要采取電池加熱系統(tǒng)以盡量延長(zhǎng)電池壽命。此外采用電池加熱勢(shì)必需要在電池組中填入保溫材料，但這與高溫?zé)峁芾淼男枨蟊车蓝Y，因此熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮各類因素。
電池加熱系統(tǒng)有多種方案，液冷加熱系統(tǒng)可行性最高。目前電池加熱系統(tǒng)有PTC加熱、電熱膜加熱、相變加熱、冷卻液加熱、熱管加熱、交流加熱等多種實(shí)現(xiàn)方式。特斯拉2017年底在OTA系統(tǒng)中升級(jí)了電池預(yù)熱功能，其專利中顯示采取了多種加熱策略，可以在不同工作狀態(tài)、不同加熱媒介、不同熱量來(lái)源下進(jìn)行全天候電池?zé)峁芾?。但從其拆解圖看，主要的加熱方法還是使用PTC加熱冷卻液，這也是目前的最合邏輯的選擇，可以同時(shí)解決高低溫?zé)峁芾淼拿埽瑫r(shí)改造較為便利，僅需要在高溫液冷熱管理基礎(chǔ)上增加熱源即可。
已有眾多車型裝備低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)，電池液冷加熱系統(tǒng)成主打賣點(diǎn)。目前大多數(shù)新能源汽車都已裝備電池加熱系統(tǒng)，但基于PTC的暖風(fēng)加熱系統(tǒng)效率較低。除特斯拉以外，威馬EX5、傳祺GE3以及銷量前十的車型中裝備液冷系統(tǒng)的車型均裝備了基于電池冷卻液加熱系統(tǒng)，已經(jīng)成為重要的產(chǎn)品賣點(diǎn)，隨液冷系統(tǒng)滲透率的提升，冷卻液加熱功能也將持續(xù)滲透。
熱泵空調(diào)可在冬季高效節(jié)能。熱泵制熱時(shí)的實(shí)際COP可以達(dá)到2-4，即相同能耗下產(chǎn)生的熱量是PTC的2-4倍。目前國(guó)內(nèi)已有榮威Ei5與MARVELX裝備了熱泵空調(diào)系統(tǒng)，可保證冬季高效制熱。以續(xù)航300km帶電35kw的典型電動(dòng)車型為例進(jìn)行測(cè)算，PTC、熱泵空調(diào)以及兩者組合的方式所形成的3種方案中僅使用熱泵空調(diào)相比于僅使用PTC加熱可增加14%的續(xù)航里程，節(jié)能效應(yīng)非常明顯。
耐低溫電池的研發(fā)是解決冬季續(xù)航下降較為根本的辦法，主要方向有改性電解液與全天候電池，但當(dāng)前仍在實(shí)驗(yàn)階段。
采用混合鋰鹽、溶劑與添加劑獲得綜合性能較強(qiáng)的低溫電解液是獲得低溫鋰電池的重要手段。電解液是電池抗低溫能力最重要的因素之一，當(dāng)前研究表明將不同的鋰鹽、溶劑與添加劑這三種組分按特定比例混合可以達(dá)到綜合最優(yōu)的效果。例如在溶劑方面，傳統(tǒng)溶劑EC介電常數(shù)高、成膜性好，但因其熔點(diǎn)高、黏度大，而低熔點(diǎn)(-48℃)的PC溶劑可有效地避免電解液體系在低溫下發(fā)生凝固，調(diào)整兩者配比可降低體系粘度，獲得綜合兩者優(yōu)點(diǎn)的抗低溫溶劑。
全天候電池是未來(lái)電池的可選項(xiàng)。在2016年美國(guó)ECPower公司和賓夕法尼亞州立大學(xué)的華人團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)研發(fā)出可在低溫條件下使用的鋰離子電池，通過(guò)在內(nèi)部加入電熱鎳箔經(jīng)過(guò)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低溫自動(dòng)加熱，可在25秒內(nèi)將電池溫度從-20℃升至0℃并維持穩(wěn)定。這種全氣候電池為方形，添加成本每千瓦時(shí)少于1元，附加重量不超越1.5%，-20℃下的容量衰減僅為普通電池的一半。寶馬18年1月宣布與ECPower簽訂專利協(xié)議，極有可能將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于未來(lái)的寶馬純電動(dòng)車型。我們認(rèn)為帶自加熱功能的全天候電池是未來(lái)的可選項(xiàng)之一，但可靠性、加熱耗電量與電路控制仍是需要解決的問(wèn)題。
高效熱管理是當(dāng)前最可行的冬季續(xù)航管理方案
低溫下電池加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜工程。若僅從最大續(xù)航角度考慮，電池加熱系統(tǒng)為保持電池在特定溫度下的自身能耗存在最優(yōu)解，但從電池安全角度，在0℃以下均需要采取電池加熱系統(tǒng)以盡量延長(zhǎng)電池壽命。此外采用電池加熱勢(shì)必需要在電池組中填入保溫材料，但這與高溫?zé)峁芾淼男枨蟊车蓝Y，因此熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮各類因素。
電池加熱系統(tǒng)有多種方案，液冷加熱系統(tǒng)可行性最高。目前電池加熱系統(tǒng)有PTC加熱、電熱膜加熱、相變加熱、冷卻液加熱、熱管加熱、交流加熱等多種實(shí)現(xiàn)方式。特斯拉2017年底在OTA系統(tǒng)中升級(jí)了電池預(yù)熱功能，其專利中顯示采取了多種加熱策略，可以在不同工作狀態(tài)、不同加熱媒介、不同熱量來(lái)源下進(jìn)行全天候電池?zé)峁芾?。但從其拆解圖看，主要的加熱方法還是使用PTC加熱冷卻液，這也是目前的最合邏輯的選擇，可以同時(shí)解決高低溫?zé)峁芾淼拿埽瑫r(shí)改造較為便利，僅需要在高溫液冷熱管理基礎(chǔ)上增加熱源即可。
已有眾多車型裝備低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)，電池液冷加熱系統(tǒng)成主打賣點(diǎn)。目前大多數(shù)新能源汽車都已裝備電池加熱系統(tǒng)，但基于PTC的暖風(fēng)加熱系統(tǒng)效率較低。除特斯拉以外，威馬EX5、傳祺GE3以及銷量前十的車型中裝備液冷系統(tǒng)的車型均裝備了基于電池冷卻液加熱系統(tǒng)，已經(jīng)成為重要的產(chǎn)品賣點(diǎn)，隨液冷系統(tǒng)滲透率的提升，冷卻液加熱功能也將持續(xù)滲透。
熱泵空調(diào)可在冬季高效節(jié)能。熱泵制熱時(shí)的實(shí)際COP可以達(dá)到2-4，即相同能耗下產(chǎn)生的熱量是PTC的2-4倍。目前國(guó)內(nèi)已有榮威Ei5與MARVELX裝備了熱泵空調(diào)系統(tǒng)，可保證冬季高效制熱。以續(xù)航300km帶電35kw的典型電動(dòng)車型為例進(jìn)行測(cè)算，PTC、熱泵空調(diào)以及兩者組合的方式所形成的3種方案中僅使用熱泵空調(diào)相比于僅使用PTC加熱可增加14%的續(xù)航里程，節(jié)能效應(yīng)非常明顯。
