關(guān)于UPS電池容量影響簡(jiǎn)述，冬季電動(dòng)車?yán)m(xù)航縮減多少?
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2019-04-06 21:08
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UPS廠商在配置蓄電池時(shí)，所選用的設(shè)計(jì)容量是完全滿足甚至超過(guò)負(fù)載不停電供電的功率容量和供電時(shí)間要求的，但是在UPS投入運(yùn)行后，用戶常常發(fā)現(xiàn)在市電停電后UPS不停電供電的實(shí)際時(shí)間遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，造成這種現(xiàn)象的原因，大多數(shù)情況下并不是最初配置時(shí)蓄電池的備用容量不夠，而是蓄電池的容量沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。造成蓄電池實(shí)際容量降低的原因很多，有電池質(zhì)量問(wèn)題，但更多的是使用和維護(hù)問(wèn)題。
(1)電池容量
鉛酸蓄電池的極板在制造過(guò)程中，對(duì)生極板進(jìn)行充電化成，便正極板上的鉛變成二氧化鉛，負(fù)極板上的鉛變?yōu)楹＞d狀鉛，但是制造廠商對(duì)極板進(jìn)行化成的時(shí)間有限，不可能將所有的物質(zhì)均轉(zhuǎn)化成活性物質(zhì)，為此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定新電池達(dá)到90%容量為合格，只有在隨后的日常使用中，容量逐漸達(dá)到正常值，安裝兩年后要求達(dá)到100%。
電池組的額定容量是在規(guī)定的放電率下得出的，放電率(1/H)=放電電流(A)/電池額定容量(Ah)例如，UPS電源中所用的小型蓄電池的典型規(guī)格之一是l2V、6Ah/2Ohv，此規(guī)格定義為輸出直流電壓l2V，標(biāo)稱容量為6Ah，放電率條件為20hr。具體含意是：把輸出直流電壓l2V的電池組置于以20H恒放電率條件下進(jìn)行放電，一直放到其輸出電壓由l2V降到l0.5V時(shí)，所測(cè)到的總安時(shí)數(shù)應(yīng)為6Ah。
我國(guó)、日本、德國(guó)工業(yè)用電池采用10小時(shí)率(表示為C10)，美國(guó)工業(yè)用電池標(biāo)準(zhǔn)為8小時(shí)率(表示為C8，)。在實(shí)際使用時(shí)，其放電率并不等于標(biāo)準(zhǔn)容量規(guī)定的放電率，當(dāng)實(shí)際放電率大于標(biāo)稱容量規(guī)定的放電率時(shí)，其實(shí)際輸出的容量要小于標(biāo)稱容量。
我國(guó)電力、郵電標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，10小時(shí)率電池，當(dāng)采用1小時(shí)率放電時(shí)，其容量為標(biāo)稱容量的55%，即0.55C10。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定2V/10小時(shí)率電池，1小時(shí)率時(shí)容量為0.65C10，6V、12V，10小時(shí)率電池，1小時(shí)率容量為0.6C10。20小時(shí)率電池，10小時(shí)率容量為0.93C20，1小時(shí)率容量為0.56C20。
蓄電池的壽命有兩種表達(dá)方法：一種為深循環(huán)使用的電池，另一種為浮充使用的“備用電源”電池。深循環(huán)使用的電池以深循環(huán)次數(shù)來(lái)表示其使用壽命，以0.8C10深度充放電循環(huán)使用的電池，其壽命達(dá)到1200次以上，而浮充使用的電池，年限可達(dá)到10~20年。蓄電池只有80%容量時(shí)認(rèn)為壽命終止。
實(shí)際使用壽命與設(shè)計(jì)使用壽命有很大差別，這主要取決于電池中水的損失情況。在設(shè)計(jì)條件下使用可達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，而當(dāng)外部條件如溫度、充電電壓、放電深度等變化超出設(shè)計(jì)要求時(shí)，實(shí)際使用壽命會(huì)大大低于設(shè)計(jì)壽命，實(shí)際使用容量也會(huì)低于設(shè)計(jì)容量。
(2)放電率對(duì)電池實(shí)際可輸出容量的影響
電池容量C(Ah)等于放電電流(A)與電池電壓達(dá)到下限值的放電時(shí)間(h)的乘積，而放電率(1/h)是實(shí)際放電電流(A)與電池標(biāo)稱容量(Ah)的比值。
在UPS的實(shí)際運(yùn)行中，市電掉電后，要求電池逆變承擔(dān)全部的負(fù)載功率，放電率視后備時(shí)間的不同而有很大差別，例如標(biāo)機(jī)在1Omin左右，維持時(shí)間很短，放電率很大，長(zhǎng)延時(shí)機(jī)可達(dá)4h或8h，放電率很小。所以蓄電池的實(shí)際放電率并非蓄電池規(guī)格定義中的放電率，圖5-1所示的放電曲線反映了不同的放電率對(duì)電池容量的影響。
屯池的實(shí)際放電電流越小，電池的電壓能維持的穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)，反之亦然。例如，對(duì)1OOHR電池組而言，當(dāng)放電電流為5A時(shí)，放電率為0.O5C，其輸出電壓維持在12V以上的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10h以上，當(dāng)電池電壓下降到臨界電壓10.5V時(shí)，放電時(shí)間可達(dá)2Oh，電池釋放的容量基本上是它的標(biāo)稱容量。若將放電電流增大至1OOA，放電率為1C，則輸出電壓維持在l2V以上的時(shí)間不到1Omin。當(dāng)電池電壓下降到臨界電壓時(shí)，可維持放電時(shí)間超過(guò)3Omin，實(shí)際放出的容量為58.3.M左右，遠(yuǎn)低于標(biāo)稱容量1OOAh。
電池組允許的放電臨界電壓值和實(shí)際可供利用的容量(AM都弓電池的放電電流大小有密切的關(guān)系。
蓄電池所允許放電時(shí)間為電池在實(shí)際放電電流下進(jìn)行放電時(shí)，電池電壓從額定值下降到它所允許的臨界電壓時(shí)所用的時(shí)間。
蓄電池可供使用的效率為它在實(shí)際放電電流下所能釋放出的實(shí)際最大容量與它的額定容量的比值。
要注意在不同的放電率情況下，電池端電壓下降的臨界值也在變化，放電率低時(shí)，例如0.01C時(shí)，實(shí)際釋放的容量接近標(biāo)稱容量，所允許的電池端電壓下降也高(10.5V)，放電率大時(shí)例如1C，實(shí)際釋放的容量小，但允許的電池端電壓也可以低些(8V)。
過(guò)度的大電流放電工作方式是不利的。在為UPS配置電池時(shí)，單憑UPS在電池逆變期間所需要的輸出電流和電池供電時(shí)間來(lái)配置所用電池的標(biāo)稱容量是不夠的，還必須根據(jù)電池逆變時(shí)的放電率和所選電池規(guī)格的輸出特性，適當(dāng)增大所配電池容量。百萬(wàn)新車迎來(lái)冬季續(xù)航考驗(yàn)，冬季路試?yán)m(xù)航下滑24%。2018年全國(guó)完成新能源乘用車銷售100.8萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)89%;2019年1-2月完成銷售14.3萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)134%;但冬季道路試驗(yàn)顯示8款車型的平均續(xù)航里程下滑24%，測(cè)試包含的鈷酸鋰、三元鋰與磷酸鐵鋰均未出現(xiàn)明顯的抗低溫優(yōu)勢(shì)，低溫?zé)峁芾砦磥?lái)市場(chǎng)潛力巨大。
高溫?zé)峁芾硪咽苤匾?，低溫?zé)峁芾砑夹g(shù)路線更多。由于夏季的40多起電池自燃事件，眾多廠商已開始重視高溫?zé)峁芾?，而低溫?zé)峁芾頋摿t仍有待開發(fā)，僅有少數(shù)廠家為電池配備了電加熱系統(tǒng);冬季續(xù)航是整車廠商乘用體驗(yàn)的核心指標(biāo)，電池的低溫性能則是電池廠商的核心競(jìng)爭(zhēng)力，每一次冬季低續(xù)航的陣痛都將促進(jìn)廠商加速低溫?zé)峁芾淼臐B透，未來(lái)市場(chǎng)潛力巨大。
低溫下電化學(xué)反應(yīng)不活躍是電池冬季電量降低的主要原因。環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，電解液黏度增大甚至部分凝固，使得鋰離子脫嵌運(yùn)動(dòng)受阻，電導(dǎo)率降低，最終引起了容量減少。低溫下使用鋰電池也易因鋰晶枝生長(zhǎng)而對(duì)電池造成不可逆的容量損傷，并形成潛在危險(xiǎn)。與NCA、磷酸鐵鋰比較，國(guó)內(nèi)主要的電池發(fā)展方向NCM811低溫性能相對(duì)較強(qiáng)，高鎳趨勢(shì)有助于減緩冬季低電量的現(xiàn)象。
研發(fā)低溫電池是解決冬季續(xù)航下降較為根本的方法，高效熱管理是當(dāng)前最可行的冬季續(xù)航管理方案。目前低溫電池主要方向有電解液改性與全天候電池，混合型電解液可以綜合各類電解液優(yōu)勢(shì)增強(qiáng)鋰電池低溫性能，全天候電池技術(shù)被寶馬認(rèn)可有機(jī)會(huì)引領(lǐng)市場(chǎng)。當(dāng)前液冷熱管理技術(shù)滲透率相比于去年已獲得較大提升，可通過(guò)反向加熱冷卻液來(lái)便捷實(shí)現(xiàn)低溫?zé)峁芾?，目前市?chǎng)已有眾多車型實(shí)現(xiàn)了低溫加熱功能。
一、冬季電動(dòng)車?yán)m(xù)航縮減多少?
–24%
百萬(wàn)新車迎來(lái)冬季續(xù)航考驗(yàn)，低溫?zé)峁芾泶笥锌蔀椤?/span>
2018年全年全國(guó)完成新能源乘用車銷售100.8萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)89%;2019年1-2月完成銷售14.3萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)134%。但新能源車在冬季，尤其在高寒的東北地區(qū)電動(dòng)汽車實(shí)際續(xù)航里程已經(jīng)出現(xiàn)明顯下降，對(duì)用戶使用造成了嚴(yán)重影響。以幾款典型新能源汽車為例，一些冬季道路試驗(yàn)顯示這些車型的平均續(xù)航里程下滑24%，測(cè)試包含的鈷酸鋰、三元鋰與磷酸鐵鋰均未出現(xiàn)明顯的抗低溫優(yōu)勢(shì)。
由于去年夏季的40多起電池自燃事件，眾多廠商已開始重視高溫?zé)峁芾恚蜏責(zé)峁芾頋摿t仍有待開發(fā)，僅有少數(shù)廠家為電池配備了電加熱系統(tǒng)。冬季續(xù)航是整車廠商乘用體驗(yàn)的核心指標(biāo)，電池的低溫性能則是電池廠商的核心競(jìng)爭(zhēng)力，我們認(rèn)為每一次冬季低續(xù)航的陣痛都將促進(jìn)廠商加速低溫?zé)峁芾淼臐B透，未來(lái)市場(chǎng)潛力巨大。
電池實(shí)驗(yàn)表明溫度越低，電池可用容量越低。以松下NCR18650A為例，在電池實(shí)驗(yàn)中-10℃下電池容量相比25℃將下降約20%，且平均電壓遠(yuǎn)低于常溫下，電池對(duì)外做功能力明顯衰減。而以某磷酸鐵鋰電池為例，-15℃下電池內(nèi)阻是15℃下的4-5倍，表征電解液導(dǎo)電能力下降嚴(yán)重。
冬季車內(nèi)加熱設(shè)備的使用加大續(xù)航損耗。
目前PTC加熱器是電動(dòng)汽車暖風(fēng)空調(diào)的主要熱源，相比于電熱絲加熱能量轉(zhuǎn)化效率已從70%上升至98%，但將高品位的電能直接轉(zhuǎn)化為低品位的熱能，能量浪費(fèi)依然巨大。蔚來(lái)汽車為ES8配備了前5.5kw后3.7kw等2個(gè)PTC加熱器，即在始終開啟的狀態(tài)下僅暖風(fēng)空調(diào)每小時(shí)將消耗近50公里續(xù)航，如果再考慮電池本身的劣化，355公里的續(xù)航只能完成一半。
理論測(cè)算加熱功耗嚴(yán)重制約續(xù)航里程。以當(dāng)前主流的300km配備35kwh電池的車型為例，可獲得加熱功耗與里程關(guān)系曲線，若要保證75%的續(xù)航保持率，車內(nèi)平均加熱功耗需要控制于1-1.5kw。但電熱轉(zhuǎn)換效率最多為1，PTC加熱器的效率已非常接近，因此需要尋找例如熱泵空調(diào)等轉(zhuǎn)化效率突破電熱瓶頸的技術(shù)。
二、鋰離子電池冬季電量減少的原因–低溫電化學(xué)反應(yīng)不活躍
低溫下電化學(xué)反應(yīng)不活躍是電池冬季續(xù)航降低的主要原因。鋰離子電池是一種典型的“搖椅電池”，其充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌穿越隔膜進(jìn)入負(fù)極，使得負(fù)極呈富鋰狀態(tài)，正極呈貧鋰狀態(tài)，同時(shí)碳負(fù)極通過(guò)外電路獲得補(bǔ)償電荷，放電時(shí)則相反。環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，電解液黏度增大甚至部分凝固，使得鋰離子脫嵌運(yùn)動(dòng)受阻，電導(dǎo)率降低，最終引起了容量減少。
低溫下使用鋰電池易造成不可逆的容量損傷和潛在危險(xiǎn)。鋰離子的溶解性在低溫時(shí)會(huì)顯著降低，易析出沉積形成鋰晶枝，生長(zhǎng)到一定程度時(shí)有可能會(huì)刺穿隔膜造成電池短路，形成潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。且此時(shí)電池負(fù)極動(dòng)力學(xué)條件較差，固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)厚度會(huì)增加，將不可逆地持續(xù)阻礙離子流動(dòng)，造成有效容量衰減。
各類正極材料的抗低溫能力均不相同，NCM811電池相對(duì)抗凍。研究發(fā)現(xiàn)在-20℃下電池的容量保持率均有下降，總體上NCM與NCA材料抗低溫性能相似，NCM811比NCA稍高，但兩者均明顯優(yōu)于磷酸鐵鋰電池。當(dāng)前國(guó)內(nèi)的電池向NCM811發(fā)展的趨勢(shì)有助于減緩冬季低電量的現(xiàn)象，但仍需要低溫?zé)峁芾韥?lái)讓電池工作在最佳范圍。
三、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?，同時(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。
(1)電池容量
鉛酸蓄電池的極板在制造過(guò)程中，對(duì)生極板進(jìn)行充電化成，便正極板上的鉛變成二氧化鉛，負(fù)極板上的鉛變?yōu)楹＞d狀鉛，但是制造廠商對(duì)極板進(jìn)行化成的時(shí)間有限，不可能將所有的物質(zhì)均轉(zhuǎn)化成活性物質(zhì)，為此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定新電池達(dá)到90%容量為合格，只有在隨后的日常使用中，容量逐漸達(dá)到正常值，安裝兩年后要求達(dá)到100%。
電池組的額定容量是在規(guī)定的放電率下得出的，放電率(1/H)=放電電流(A)/電池額定容量(Ah)例如，UPS電源中所用的小型蓄電池的典型規(guī)格之一是l2V、6Ah/2Ohv，此規(guī)格定義為輸出直流電壓l2V，標(biāo)稱容量為6Ah，放電率條件為20hr。具體含意是：把輸出直流電壓l2V的電池組置于以20H恒放電率條件下進(jìn)行放電，一直放到其輸出電壓由l2V降到l0.5V時(shí)，所測(cè)到的總安時(shí)數(shù)應(yīng)為6Ah。
我國(guó)、日本、德國(guó)工業(yè)用電池采用10小時(shí)率(表示為C10)，美國(guó)工業(yè)用電池標(biāo)準(zhǔn)為8小時(shí)率(表示為C8，)。在實(shí)際使用時(shí)，其放電率并不等于標(biāo)準(zhǔn)容量規(guī)定的放電率，當(dāng)實(shí)際放電率大于標(biāo)稱容量規(guī)定的放電率時(shí)，其實(shí)際輸出的容量要小于標(biāo)稱容量。
我國(guó)電力、郵電標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，10小時(shí)率電池，當(dāng)采用1小時(shí)率放電時(shí)，其容量為標(biāo)稱容量的55%，即0.55C10。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定2V/10小時(shí)率電池，1小時(shí)率時(shí)容量為0.65C10，6V、12V，10小時(shí)率電池，1小時(shí)率容量為0.6C10。20小時(shí)率電池，10小時(shí)率容量為0.93C20，1小時(shí)率容量為0.56C20。
蓄電池的壽命有兩種表達(dá)方法：一種為深循環(huán)使用的電池，另一種為浮充使用的“備用電源”電池。深循環(huán)使用的電池以深循環(huán)次數(shù)來(lái)表示其使用壽命，以0.8C10深度充放電循環(huán)使用的電池，其壽命達(dá)到1200次以上，而浮充使用的電池，年限可達(dá)到10~20年。蓄電池只有80%容量時(shí)認(rèn)為壽命終止。
實(shí)際使用壽命與設(shè)計(jì)使用壽命有很大差別，這主要取決于電池中水的損失情況。在設(shè)計(jì)條件下使用可達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，而當(dāng)外部條件如溫度、充電電壓、放電深度等變化超出設(shè)計(jì)要求時(shí)，實(shí)際使用壽命會(huì)大大低于設(shè)計(jì)壽命，實(shí)際使用容量也會(huì)低于設(shè)計(jì)容量。
(2)放電率對(duì)電池實(shí)際可輸出容量的影響
電池容量C(Ah)等于放電電流(A)與電池電壓達(dá)到下限值的放電時(shí)間(h)的乘積，而放電率(1/h)是實(shí)際放電電流(A)與電池標(biāo)稱容量(Ah)的比值。
在UPS的實(shí)際運(yùn)行中，市電掉電后，要求電池逆變承擔(dān)全部的負(fù)載功率，放電率視后備時(shí)間的不同而有很大差別，例如標(biāo)機(jī)在1Omin左右，維持時(shí)間很短，放電率很大，長(zhǎng)延時(shí)機(jī)可達(dá)4h或8h，放電率很小。所以蓄電池的實(shí)際放電率并非蓄電池規(guī)格定義中的放電率，圖5-1所示的放電曲線反映了不同的放電率對(duì)電池容量的影響。
屯池的實(shí)際放電電流越小，電池的電壓能維持的穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)，反之亦然。例如，對(duì)1OOHR電池組而言，當(dāng)放電電流為5A時(shí)，放電率為0.O5C，其輸出電壓維持在12V以上的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10h以上，當(dāng)電池電壓下降到臨界電壓10.5V時(shí)，放電時(shí)間可達(dá)2Oh，電池釋放的容量基本上是它的標(biāo)稱容量。若將放電電流增大至1OOA，放電率為1C，則輸出電壓維持在l2V以上的時(shí)間不到1Omin。當(dāng)電池電壓下降到臨界電壓時(shí)，可維持放電時(shí)間超過(guò)3Omin，實(shí)際放出的容量為58.3.M左右，遠(yuǎn)低于標(biāo)稱容量1OOAh。
電池組允許的放電臨界電壓值和實(shí)際可供利用的容量(AM都弓電池的放電電流大小有密切的關(guān)系。
蓄電池所允許放電時(shí)間為電池在實(shí)際放電電流下進(jìn)行放電時(shí)，電池電壓從額定值下降到它所允許的臨界電壓時(shí)所用的時(shí)間。
蓄電池可供使用的效率為它在實(shí)際放電電流下所能釋放出的實(shí)際最大容量與它的額定容量的比值。
要注意在不同的放電率情況下，電池端電壓下降的臨界值也在變化，放電率低時(shí)，例如0.01C時(shí)，實(shí)際釋放的容量接近標(biāo)稱容量，所允許的電池端電壓下降也高(10.5V)，放電率大時(shí)例如1C，實(shí)際釋放的容量小，但允許的電池端電壓也可以低些(8V)。
過(guò)度的大電流放電工作方式是不利的。在為UPS配置電池時(shí)，單憑UPS在電池逆變期間所需要的輸出電流和電池供電時(shí)間來(lái)配置所用電池的標(biāo)稱容量是不夠的，還必須根據(jù)電池逆變時(shí)的放電率和所選電池規(guī)格的輸出特性，適當(dāng)增大所配電池容量。百萬(wàn)新車迎來(lái)冬季續(xù)航考驗(yàn)，冬季路試?yán)m(xù)航下滑24%。2018年全國(guó)完成新能源乘用車銷售100.8萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)89%;2019年1-2月完成銷售14.3萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)134%;但冬季道路試驗(yàn)顯示8款車型的平均續(xù)航里程下滑24%，測(cè)試包含的鈷酸鋰、三元鋰與磷酸鐵鋰均未出現(xiàn)明顯的抗低溫優(yōu)勢(shì)，低溫?zé)峁芾砦磥?lái)市場(chǎng)潛力巨大。
高溫?zé)峁芾硪咽苤匾?，低溫?zé)峁芾砑夹g(shù)路線更多。由于夏季的40多起電池自燃事件，眾多廠商已開始重視高溫?zé)峁芾?，而低溫?zé)峁芾頋摿t仍有待開發(fā)，僅有少數(shù)廠家為電池配備了電加熱系統(tǒng);冬季續(xù)航是整車廠商乘用體驗(yàn)的核心指標(biāo)，電池的低溫性能則是電池廠商的核心競(jìng)爭(zhēng)力，每一次冬季低續(xù)航的陣痛都將促進(jìn)廠商加速低溫?zé)峁芾淼臐B透，未來(lái)市場(chǎng)潛力巨大。
低溫下電化學(xué)反應(yīng)不活躍是電池冬季電量降低的主要原因。環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，電解液黏度增大甚至部分凝固，使得鋰離子脫嵌運(yùn)動(dòng)受阻，電導(dǎo)率降低，最終引起了容量減少。低溫下使用鋰電池也易因鋰晶枝生長(zhǎng)而對(duì)電池造成不可逆的容量損傷，并形成潛在危險(xiǎn)。與NCA、磷酸鐵鋰比較，國(guó)內(nèi)主要的電池發(fā)展方向NCM811低溫性能相對(duì)較強(qiáng)，高鎳趨勢(shì)有助于減緩冬季低電量的現(xiàn)象。
研發(fā)低溫電池是解決冬季續(xù)航下降較為根本的方法，高效熱管理是當(dāng)前最可行的冬季續(xù)航管理方案。目前低溫電池主要方向有電解液改性與全天候電池，混合型電解液可以綜合各類電解液優(yōu)勢(shì)增強(qiáng)鋰電池低溫性能，全天候電池技術(shù)被寶馬認(rèn)可有機(jī)會(huì)引領(lǐng)市場(chǎng)。當(dāng)前液冷熱管理技術(shù)滲透率相比于去年已獲得較大提升，可通過(guò)反向加熱冷卻液來(lái)便捷實(shí)現(xiàn)低溫?zé)峁芾?，目前市?chǎng)已有眾多車型實(shí)現(xiàn)了低溫加熱功能。
一、冬季電動(dòng)車?yán)m(xù)航縮減多少?
–24%
百萬(wàn)新車迎來(lái)冬季續(xù)航考驗(yàn)，低溫?zé)峁芾泶笥锌蔀椤?/span>
2018年全年全國(guó)完成新能源乘用車銷售100.8萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)89%;2019年1-2月完成銷售14.3萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)134%。但新能源車在冬季，尤其在高寒的東北地區(qū)電動(dòng)汽車實(shí)際續(xù)航里程已經(jīng)出現(xiàn)明顯下降，對(duì)用戶使用造成了嚴(yán)重影響。以幾款典型新能源汽車為例，一些冬季道路試驗(yàn)顯示這些車型的平均續(xù)航里程下滑24%，測(cè)試包含的鈷酸鋰、三元鋰與磷酸鐵鋰均未出現(xiàn)明顯的抗低溫優(yōu)勢(shì)。
由于去年夏季的40多起電池自燃事件，眾多廠商已開始重視高溫?zé)峁芾恚蜏責(zé)峁芾頋摿t仍有待開發(fā)，僅有少數(shù)廠家為電池配備了電加熱系統(tǒng)。冬季續(xù)航是整車廠商乘用體驗(yàn)的核心指標(biāo)，電池的低溫性能則是電池廠商的核心競(jìng)爭(zhēng)力，我們認(rèn)為每一次冬季低續(xù)航的陣痛都將促進(jìn)廠商加速低溫?zé)峁芾淼臐B透，未來(lái)市場(chǎng)潛力巨大。
電池實(shí)驗(yàn)表明溫度越低，電池可用容量越低。以松下NCR18650A為例，在電池實(shí)驗(yàn)中-10℃下電池容量相比25℃將下降約20%，且平均電壓遠(yuǎn)低于常溫下，電池對(duì)外做功能力明顯衰減。而以某磷酸鐵鋰電池為例，-15℃下電池內(nèi)阻是15℃下的4-5倍，表征電解液導(dǎo)電能力下降嚴(yán)重。
冬季車內(nèi)加熱設(shè)備的使用加大續(xù)航損耗。
目前PTC加熱器是電動(dòng)汽車暖風(fēng)空調(diào)的主要熱源，相比于電熱絲加熱能量轉(zhuǎn)化效率已從70%上升至98%，但將高品位的電能直接轉(zhuǎn)化為低品位的熱能，能量浪費(fèi)依然巨大。蔚來(lái)汽車為ES8配備了前5.5kw后3.7kw等2個(gè)PTC加熱器，即在始終開啟的狀態(tài)下僅暖風(fēng)空調(diào)每小時(shí)將消耗近50公里續(xù)航，如果再考慮電池本身的劣化，355公里的續(xù)航只能完成一半。
理論測(cè)算加熱功耗嚴(yán)重制約續(xù)航里程。以當(dāng)前主流的300km配備35kwh電池的車型為例，可獲得加熱功耗與里程關(guān)系曲線，若要保證75%的續(xù)航保持率，車內(nèi)平均加熱功耗需要控制于1-1.5kw。但電熱轉(zhuǎn)換效率最多為1，PTC加熱器的效率已非常接近，因此需要尋找例如熱泵空調(diào)等轉(zhuǎn)化效率突破電熱瓶頸的技術(shù)。
二、鋰離子電池冬季電量減少的原因–低溫電化學(xué)反應(yīng)不活躍
低溫下電化學(xué)反應(yīng)不活躍是電池冬季續(xù)航降低的主要原因。鋰離子電池是一種典型的“搖椅電池”，其充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌穿越隔膜進(jìn)入負(fù)極，使得負(fù)極呈富鋰狀態(tài)，正極呈貧鋰狀態(tài)，同時(shí)碳負(fù)極通過(guò)外電路獲得補(bǔ)償電荷，放電時(shí)則相反。環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，電解液黏度增大甚至部分凝固，使得鋰離子脫嵌運(yùn)動(dòng)受阻，電導(dǎo)率降低，最終引起了容量減少。
低溫下使用鋰電池易造成不可逆的容量損傷和潛在危險(xiǎn)。鋰離子的溶解性在低溫時(shí)會(huì)顯著降低，易析出沉積形成鋰晶枝，生長(zhǎng)到一定程度時(shí)有可能會(huì)刺穿隔膜造成電池短路，形成潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。且此時(shí)電池負(fù)極動(dòng)力學(xué)條件較差，固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)厚度會(huì)增加，將不可逆地持續(xù)阻礙離子流動(dòng)，造成有效容量衰減。
各類正極材料的抗低溫能力均不相同，NCM811電池相對(duì)抗凍。研究發(fā)現(xiàn)在-20℃下電池的容量保持率均有下降，總體上NCM與NCA材料抗低溫性能相似，NCM811比NCA稍高，但兩者均明顯優(yōu)于磷酸鐵鋰電池。當(dāng)前國(guó)內(nèi)的電池向NCM811發(fā)展的趨勢(shì)有助于減緩冬季低電量的現(xiàn)象，但仍需要低溫?zé)峁芾韥?lái)讓電池工作在最佳范圍。
三、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?，同時(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。
