1）低溫對(duì)電池放電容量的影響

容量是鋰電池最重要的參數(shù)之一，它的大小隨著溫度變化的曲線如下圖所示。非常明顯的，容量隨著溫度的降低而減小。除了容量，隨著溫度降低的還有電池開(kāi)路電壓。我們都知道，電池中包含能量是容量與端電壓的乘積，當(dāng)兩個(gè)乘數(shù)都下降時(shí)，電池內(nèi)的能量一定是兩者下降效果的疊加。

低溫下正極材料活性降低，使得能夠發(fā)生移動(dòng)帶來(lái)放電電流的鋰離子數(shù)量下降，是容量下降的根本原因。

2）低溫對(duì)電池內(nèi)阻的影響

任何一個(gè)荷電量下，電池內(nèi)阻都隨著溫度的降低而明顯升高，荷電量越低的電芯，內(nèi)阻越大，并且這個(gè)趨勢(shì)也隨著溫度的變化而保持不變。

低溫下，正負(fù)極材料中，帶電離子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)能力變差，穿越電極與電解液的鈍化膜變得困難，在電解液中傳遞的速度也降低，并且在傳遞過(guò)程中還會(huì)額外產(chǎn)生很多熱量。鋰離子到達(dá)負(fù)極以后，在負(fù)極材料內(nèi)部的擴(kuò)散也變得不順暢。全部的過(guò)程，帶電離子的運(yùn)動(dòng)都變得困難重重，在外部看來(lái)，就是電芯的內(nèi)阻升高了。

3）低溫對(duì)電池充放電效率的影響

-20℃下的充電效率只有15℃時(shí)候的65%。低溫帶來(lái)了前文中描述的種種電化學(xué)層面性能的變化，內(nèi)阻顯著增加。放電過(guò)程中，大量的電能消耗在內(nèi)阻發(fā)熱上面。我們觀察到的庫(kù)倫效率下降了。電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中，就會(huì)感覺(jué)到，看起來(lái)差不多的電量，低溫下續(xù)航變短了。

4） 鋰離子電池內(nèi)部副反應(yīng)

低溫下鋰電池性能退化嚴(yán)重，同時(shí)在鋰離子電池充放電過(guò)程中會(huì)有一些副反應(yīng)發(fā)生。這些副反應(yīng)中主要是鋰離子與電解液不可逆的反應(yīng)，會(huì)造成鋰電池容量衰退，使電池性能進(jìn)一步惡化。

導(dǎo)電活性物質(zhì)的消耗，造成容量衰減?？紤]到電池中正負(fù)兩個(gè)電極的電位，相比于正極這些副反應(yīng)更有可能發(fā)生在負(fù)極側(cè)。因?yàn)樨?fù)極材料電勢(shì)比正極材料電勢(shì)要低得多，離子和電解質(zhì)溶劑產(chǎn)生副反應(yīng)的沉積物沉積在了電極表面，形成SEI 膜。SEI 膜的阻抗是引起負(fù)極反應(yīng)過(guò)電勢(shì)的一個(gè)因素之一。充電時(shí)，活性物質(zhì)表面形成的沉積物，增加了電阻。降低了活性粒子的有效表面積，增加了離子電阻。鋰電池的可用容量和能量同時(shí)發(fā)生衰退。鋰電池在充電過(guò)程中更容易發(fā)生副反應(yīng)。鋰電池充電開(kāi)始時(shí)，鋰離子通過(guò)電解液向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，所以電極和電解液之間的電位差減少，使得鋰離子與電解液中的物質(zhì)更易發(fā)生不可逆的副反應(yīng)。

2 預(yù)熱形成基本共識(shí)

在低溫環(huán)境下，動(dòng)力電池自己放電給自己加熱，即使有完備的熱管理系統(tǒng)，但最初低溫階段的放電過(guò)程，仍然會(huì)對(duì)電池壽命帶來(lái)傷害，甚至帶來(lái)安全性風(fēng)險(xiǎn)。如果只考慮電動(dòng)汽車(chē)自身上的資源，而不考慮外部資源，就形成了一個(gè)雞生蛋蛋生雞的問(wèn)題。只有跳出盯住車(chē)輛本身這個(gè)限制，才能打破這個(gè)悖論。于是，早就有人提出了預(yù)熱的可能性和可行的方法。

已經(jīng)被討論的預(yù)熱方法主要包括：PTC預(yù)熱，電熱膜預(yù)熱，液冷系統(tǒng)預(yù)熱，相變材料預(yù)熱系統(tǒng)，熱管預(yù)熱系統(tǒng)，交流預(yù)熱系統(tǒng)。所謂不同預(yù)熱方法，變的是實(shí)際加熱的介質(zhì)，不變的是由外部提供電源給動(dòng)力電池加熱的基本理念。

3特斯拉會(huì)怎么做預(yù)熱？

翻出特斯拉跟預(yù)熱相關(guān)的專利，能夠看到其對(duì)預(yù)熱的基本設(shè)想和實(shí)施方式。下面是專利中的預(yù)熱系統(tǒng)框圖。

下面是加熱系統(tǒng)在整車(chē)上的空間布置示意圖，右下方的紅框中，指明，利用外部電源，與現(xiàn)在主流設(shè)想的預(yù)熱方式一致，或者說(shuō)，當(dāng)前流行的這幾種預(yù)熱方案，也是參考了特斯拉的想法呢。下面是專利中描述的幾個(gè)預(yù)熱系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。

預(yù)熱的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)形式

專利中列舉了多個(gè)給電池預(yù)熱的形式：一個(gè)預(yù)熱系統(tǒng)，可以同時(shí)預(yù)熱一個(gè)或者多個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)；可以用加熱器實(shí)現(xiàn)預(yù)熱；可以反向使用冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)熱；可以利用電池內(nèi)部熱量加熱，比如利用充電過(guò)程中的自生熱；可以從環(huán)境中吸收熱量；可以利用電機(jī)工作發(fā)熱加熱電池；可以在電池工作過(guò)程中對(duì)其加熱；可以在充電過(guò)程中給電池加熱；可以在充電過(guò)程中利用冷卻系統(tǒng)分反向工作進(jìn)行電池加熱；預(yù)熱系統(tǒng)可以是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，也可與上面框圖中的某個(gè)或者某些系統(tǒng)配合工作。

預(yù)熱系統(tǒng)的溫度采集和比較

預(yù)熱控制系統(tǒng)中可以包含一個(gè)比較器，比較原來(lái)電池管理系統(tǒng)中采集的電池監(jiān)測(cè)溫度與設(shè)定溫度的差距，如果電池溫度低于理想值，則給出一個(gè)反饋信號(hào)；也可以單獨(dú)設(shè)置一個(gè)溫度檢測(cè)的傳感器系統(tǒng)，采集電池實(shí)際溫度；熱電偶以及其他已知的溫度傳感器都可以在這里應(yīng)用。

溫度比較器可以以多種方式反饋溫度低于理想值這一信息：溫度比較器可以不斷地發(fā)送溫度低于理想值信號(hào)，也可以間歇性的發(fā)送。

預(yù)熱控制回路

預(yù)熱控制回路需要給控制器提供一個(gè)車(chē)輛啟動(dòng)之前的加熱保持時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)送預(yù)熱使能信號(hào)。

預(yù)熱控制回路需要給出車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)間。啟動(dòng)時(shí)間可以由程序內(nèi)預(yù)設(shè)時(shí)間表直接給出；可以根據(jù)歷史上對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的積累觀察，系統(tǒng)自己估計(jì)一個(gè)時(shí)間，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)按照統(tǒng)計(jì)規(guī)律計(jì)算一個(gè)時(shí)間，比如，如果系統(tǒng)觀察到，汽車(chē)的主人在過(guò)去的幾周里都是早上8:00啟動(dòng)車(chē)子，那么在即將到來(lái)的這個(gè)早晨，它也就可以推算，車(chē)子的啟動(dòng)時(shí)間是8:00。

加熱時(shí)長(zhǎng)

什么時(shí)候開(kāi)始預(yù)熱，除了需要考慮車(chē)子的啟動(dòng)時(shí)間，還需要確定預(yù)熱的時(shí)長(zhǎng)，也就是從起始溫度加熱多長(zhǎng)時(shí)間可以達(dá)到理想溫度?？梢試?yán)格按照車(chē)子啟動(dòng)時(shí)間減去預(yù)熱需要的時(shí)間，開(kāi)啟預(yù)熱系統(tǒng)，這樣的策略，沒(méi)有考慮電池需要在理想溫度保持一定時(shí)間后，才能達(dá)到熱平衡的問(wèn)題。如果想要達(dá)到比較好的預(yù)熱效果，則需要留出保溫時(shí)間。

持續(xù)控制回路

專利中起名叫“further control system”，與前面的系統(tǒng)框圖對(duì)應(yīng)，我們暫且翻譯成“持續(xù)控制回路”。 持續(xù)控制回路需要與系統(tǒng)框圖中的多個(gè)系統(tǒng)耦合使用，至少需要與預(yù)熱控制回路和加熱系統(tǒng)配合。加熱系統(tǒng)包括發(fā)熱器件，可以是電阻加熱器或者其他類型的加熱器。持續(xù)控制回路通過(guò)溫度低于理想值信號(hào)與加熱系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系，要求加熱系統(tǒng)持續(xù)加熱；持續(xù)控制回路也可以通過(guò)預(yù)熱系統(tǒng)使能信號(hào)作用于加熱系統(tǒng)，指示其持續(xù)工作；加熱系統(tǒng)也可以作為整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，依靠冷卻液給電池加熱。

成本評(píng)估回路

給電池加熱需要花費(fèi)多少電量，與節(jié)約下來(lái)的電池電量以及其他綜合效果做一個(gè)比較，是否劃算，做這方面估計(jì)的系統(tǒng)就被起名“cost estimating circuit”，暫且稱為成本評(píng)估回路，這個(gè)在我前面度過(guò)的文獻(xiàn)中并不多見(jiàn)，是對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益的考量。成本評(píng)估結(jié)果可以用于預(yù)熱控制系統(tǒng)，判斷是否進(jìn)行預(yù)熱。成本評(píng)估的依據(jù)可以是來(lái)自于以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，市政系統(tǒng)的電價(jià)浮動(dòng)方案等，當(dāng)前電價(jià)（采用浮動(dòng)電價(jià)的地區(qū)）、預(yù)計(jì)消耗的電量等。把預(yù)熱成本與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的成本判據(jù)比較，低于預(yù)設(shè)值，才激發(fā)預(yù)熱系統(tǒng)使能信號(hào)。

預(yù)熱使能信號(hào)

預(yù)熱使能信號(hào)，可以以軟件的形式，設(shè)置在持續(xù)控制回路中；可以采用固件的形式發(fā)揮作用；可以直接使用硬件；可以利用機(jī)械開(kāi)關(guān)；

綜合

根據(jù)特斯拉在專利文獻(xiàn)中的表述，綜合理解下來(lái)，整體上應(yīng)該可以這么講：控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)計(jì)劃出發(fā)時(shí)間，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻發(fā)出加熱系統(tǒng)使能信號(hào)，啟動(dòng)預(yù)熱系統(tǒng)開(kāi)始加熱；此后，利用一個(gè)溫度比較電路，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池溫度，比較電池實(shí)際溫度和設(shè)定溫度的差距，只要得到的反饋是實(shí)際溫度尚且低于理想溫度，則持續(xù)發(fā)出加熱使能信號(hào)；如果不能獲得實(shí)際溫度信號(hào)或者已經(jīng)判斷實(shí)際溫度信號(hào)已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)理想溫度，則停止發(fā)送加熱使能信號(hào)。每個(gè)環(huán)節(jié)有多種實(shí)現(xiàn)形式。

在2017年底，特斯拉才遲遲宣布添加預(yù)熱功能，那么，在之前的車(chē)輛中都沒(méi)有設(shè)計(jì)預(yù)熱功能嗎？還記得2016年新年第一天，挪威的一輛特斯拉  Model S在超級(jí)充電站內(nèi)充電過(guò)程中起火，整輛車(chē)全部燒毀。一把火燒的電動(dòng)汽車(chē)人體溫都下降了3度?，F(xiàn)在想想，難道到賣(mài)到挪威那樣的緯度的特斯拉，當(dāng)時(shí)是沒(méi)有預(yù)熱功能的？然而看看它的加熱專利的申請(qǐng)時(shí)間，2008年3月，公開(kāi)時(shí)間是2010年6月，已經(jīng)過(guò)去了將近十年。是認(rèn)為預(yù)熱并非必要，還是有其他什么原因？個(gè)中原委不得而知。有了解的童鞋，可以講一講哈。這次特斯拉的預(yù)熱功能是會(huì)啟用當(dāng)年專利，還是另辟蹊徑呢具，我們拭目以待。