電動(dòng)車為什么怕冷又怕熱？如何讓電動(dòng)車電池不懼冷熱？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-04 20:31
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在2016年北京寒冬中電動(dòng)車的實(shí)際情況，有下面三個(gè)例子：
1）周六今天加班，氣溫-14℃到-15℃。昨天滿電續(xù)航120km，今天啟動(dòng)沒多久降到93km，到單位單程22.7km，心理預(yù)估將將夠。上班途中開了2分鐘空調(diào)不暖，電池掉點(diǎn)厲害，迫不得已關(guān)了空調(diào)裹緊棉襖。開到單位電量還有69%，-15度實(shí)際續(xù)航大約才50km，心想遠(yuǎn)地兒還是別開車，盡量坐地鐵，要是堵車估計(jì)40km都開不到。
2）買了電動(dòng)車，冬天不是很冷時(shí)續(xù)航就只有120km，開了60km后就沒敢開暖風(fēng)。標(biāo)注160km續(xù)航，實(shí)際開著暖風(fēng)，充電兩次才跑100公里，很無語！
3）白天-8℃，晚上-17℃，早上充滿178km，開了40分鐘空調(diào)掉到34km，之后再沒開空調(diào)。
從案例可以看出，隨著溫度降低，電動(dòng)車普遍出現(xiàn)嚴(yán)重掉電，打開空調(diào)后尤為明顯。造成這種現(xiàn)象的主因是電池在低溫下的特性變化，下面這個(gè)圖就顯示了45℃到-30℃時(shí)，A123 20Ah電池單次放電的變化：
△圖2 A123電池在不同溫度下的放電曲線
可以明顯地看出：
25度：放電接近20Ah
0度：只能釋放出來17Ah左右
-10度：只能釋放出來16Ah左右
-20度：只能釋放出來14Ah左右
-30度：只能釋放出來11Ah左右
低溫放電，不僅僅是釋放容量小，電池電壓也快速下降，會出現(xiàn)想放電放不出來的情況。電池電壓下降后，電池管理系統(tǒng)（BMS）會限制放電電流，一般在電池單體處就會加以限制以便保護(hù)電池。
根據(jù)表格顯示，與25℃相比：-10度為原來能力的33%；-20度為原來能力的23%；-30度為原來能力的8%。
這里最嚴(yán)重的問題，是在不同荷電狀態(tài)（SOC），不同氣溫時(shí)，駕駛者實(shí)際開車時(shí)并非保持勻速駕駛，而是高頻的油門剎車切換操控，導(dǎo)致整個(gè)車的動(dòng)力性不均勻。駕駛者不僅要面對道路結(jié)冰，外部嚴(yán)寒，還要操心不確定狀態(tài)輸出時(shí)車子的續(xù)航變化，這個(gè)問題也成為了電動(dòng)車普及的一個(gè)難點(diǎn)。
高溫的問題
高溫問題隱藏的更深一些。因?yàn)樵诟邷叵码妱?dòng)汽車的工作里程反而會增加，但是其實(shí)內(nèi)部反應(yīng)卻讓電池壽命受到很大影響，特別是單體溫度差導(dǎo)致容量和參數(shù)的變化，使得電池單體間的差異進(jìn)一步的加大。而處在不同溫度的電池單體的電氣特性差異會逐漸引起均衡電路更大的壓力，導(dǎo)致整個(gè)電池系統(tǒng)可用的能量下降。
下圖是電池內(nèi)阻增加的模型和容量衰減模型，可以看到里面電池運(yùn)行時(shí)溫度永遠(yuǎn)占據(jù)一個(gè)很重要的角色。如果電池溫度不受控，容量就得按照指數(shù)的形式衰減。
另一個(gè)角度，如果我們從一款電池在不同溫度下的循環(huán)壽命和日歷壽命來看，更容易發(fā)現(xiàn)溫度對電池使用時(shí)間和充放次數(shù)的實(shí)際影響，下面圖片就直觀反映了這一變化。消費(fèi)者對于手機(jī)電池的信心，也影響到了整個(gè)電動(dòng)汽車電池的信心，而要大家接受電池能使用很長一段時(shí)間（5年～10年），溫度是一個(gè)必須要控制的一個(gè)值。
上面考慮的都是外部環(huán)境溫度對電池產(chǎn)生的影響，從某種程度而言，我們也需要認(rèn)真的理解電池的產(chǎn)熱行為。
電池產(chǎn)熱在理論上包含幾個(gè)方面，用公式表示是Qt=Qr+Qp+Qs+Qj。Qt是總產(chǎn)熱，Qj代表電流通過電池內(nèi)阻產(chǎn)生焦耳熱，Qr代表電池反應(yīng)熱，Qs代表電池內(nèi)部副反應(yīng)熱，Qp代表電池極化引起的能量損失。
在實(shí)際車輛使用中，我們可以把電池產(chǎn)熱分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種，穩(wěn)態(tài)是指車輛平穩(wěn)行駛時(shí)電池的產(chǎn)熱，瞬態(tài)是指加減速等情況下電池的產(chǎn)熱。下面的圖片是兩種產(chǎn)熱的計(jì)算方法，簡單來說，瞬態(tài)放熱的計(jì)算比較復(fù)雜，需要建立熱模型進(jìn)行測量，而穩(wěn)態(tài)產(chǎn)熱則以焦耳熱為主。
因此在車型前期需要對電池進(jìn)行整體測定，以雪佛蘭Volt為例，會采取下面幾個(gè)步驟：
1.通過整車的工況，估算電池組需要放電和充電的工況；
2.使用仿真來驗(yàn)證以上的條件；
3.通過估算推導(dǎo)在放電和充電條件下電池組產(chǎn)熱情況；
4.考慮系統(tǒng)的選擇方案(液冷和風(fēng)冷)；
5.以正常值考慮單體電池需要的散熱條件；
6.在既定的散熱條件下設(shè)計(jì)相應(yīng)的散熱片或者散熱間隙；
7.通過流體設(shè)計(jì)軟件來仿真結(jié)果。
熱設(shè)計(jì)的過程，其實(shí)是將外部環(huán)境、車輛動(dòng)力控制、電池模型和熱控制耦合起來，需要設(shè)置大量的條件來保證電池系統(tǒng)工作正常。很簡單的算法背后，需要大量的使用工況和電池模型的測試。做得好才能保證電池系統(tǒng)在保修期內(nèi)不出問題，否則即使保證單體包換，也會逐步加大售后的成本和壓力。
案例分析
從控制性的角度，熱管理系統(tǒng)可以分為主動(dòng)式、被動(dòng)式兩類。被動(dòng)式是指整個(gè)控制系統(tǒng)不需要對熱管理進(jìn)行調(diào)整，主動(dòng)式指需要通過采集溫度信號來主動(dòng)調(diào)節(jié)溫度。
從傳熱介質(zhì)的角度，熱管理系統(tǒng)又可以分為：空氣冷卻式熱管理、液體冷卻式熱管理、相變蓄熱式熱管理（實(shí)際這個(gè)很難上車）。液冷與空冷相比，可以快速帶走電池?zé)崃浚禍馗佑行?，但是工藝設(shè)計(jì)上十分復(fù)雜。
我們國家的車，也確實(shí)從被動(dòng)往主動(dòng)，空冷到液冷的模式走了。
上面是Focus EV液冷設(shè)計(jì)的一些細(xì)節(jié)，供大家參考，需要很精確的工藝設(shè)計(jì)。
?？怂笶V其實(shí)是用了PHEV的功率型電池來做能量型電池，它的液冷和加熱系統(tǒng)的性能是比較好的，事實(shí)上這款車即使在密西根的冬季也能扛過去。通過整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，綜合使用車聯(lián)網(wǎng)、充電系統(tǒng)和整車控制器，可以讓車子在出發(fā)前充電時(shí)調(diào)節(jié)電池包溫度。每個(gè)電池用這么些冷卻板，如圖11所示，其實(shí)也花了老大的血本?？傮w而言，這也表達(dá)了工程師對電池長期使用的憂慮而采取的一種辦法。
超級電池的美麗與哀愁
作者：車聯(lián)社
超級電池，全稱超級電容電池，對比傳統(tǒng)的電池有著不可比擬的優(yōu)勢。被認(rèn)為是一種可以改變電動(dòng)汽車命運(yùn)的技術(shù)，到目前為止，卻基本沒有相關(guān)的汽車產(chǎn)品。關(guān)于超級電容電池百度百科的解釋是黃金電容、法拉電容，它通過極化電解質(zhì)來儲能，屬于雙電層電容的一種。由于其儲能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此這種儲能過程是可逆的，正因?yàn)榇顺夒娙萜骺梢苑磸?fù)充放電數(shù)十萬次。超級電容一般使用活性碳電極材料，具有吸附面積大，靜電儲存多的特點(diǎn)。
超級電容電池 看上去很美
顧名思義，這種電池是由電容器組成的。電容，它就是一個(gè)儲電源器件，其作用就是儲存電荷，然后在需要的時(shí)候釋放。但是一般的電容所儲存的電荷非常少，能量密度甚至遠(yuǎn)低于蓄電池。所以，一直以來電容器一般都不作為電源來使用。
不過，人類的探索欲望是沒有窮盡的，隨著科學(xué)的進(jìn)步，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種能儲存大量電荷的電容，那就是超級電容。既然這種電池是由電容組成的，那它與傳統(tǒng)的化學(xué)電池就有本質(zhì)上的區(qū)別：
第一，超級電池的充放電過程不會發(fā)生化學(xué)變化，這個(gè)過程實(shí)質(zhì)上就是電子的轉(zhuǎn)移。沒有化學(xué)變化，就不會有在化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的次生物，材料就可以有更加持久的使用周期。超級電池循環(huán)使用壽命非常長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)50萬次，這也就意味著一輛搭載超級電容電池的電動(dòng)車使用至報(bào)廢基本都不用換電池。
第二，充電速度極快，只要充電幾十秒到幾分鐘就可達(dá)到其額定容量的95%以上，而且充電速度的快慢基本不會影響超級電池的壽命。這一點(diǎn)也得益于超級電池的工作沒有化學(xué)反應(yīng)，傳統(tǒng)的化學(xué)電池充放電過程由于有化學(xué)反應(yīng)，一旦充電過快，就會產(chǎn)生其他的物質(zhì)，進(jìn)而影響電池使用壽命。
第三，大電流放電能力超強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小。這一點(diǎn)依然得益于它的物理特性，它的放電過程，只是電子從電容的一邊跑到了另一邊。既然沒有化學(xué)反應(yīng)，大電流放電就基本不會影響使用壽命。
第四，比傳統(tǒng)化學(xué)電池高數(shù)倍的能量密度。目前，中國研制的超級電容電池的能量密度就可以達(dá)到10KWh/Kg。如果按照這樣的能量密度，再加上機(jī)械轉(zhuǎn)化效率，1Kg超級電池基本相當(dāng)于1升汽油。對比化學(xué)電池0.05-0.18KWh/Kg的能量密度，超級電池優(yōu)勢巨大。上次跟大家講過，電池的原理都是電子的移動(dòng)。鋰電池是由負(fù)極的氫來提供電子，正極由鈷酸鋰或磷酸鐵鋰等材料得到電子，從而形成電流。大量的材料比如儲氫材料，電解液，還有正極的材料，都是為了讓氫的電子動(dòng)起來。所以，傳統(tǒng)電池大部分的重量都做了輔助工作，真有作用的就是氫的電子。超級電容的原理就是兩塊材料，給它一個(gè)電壓，讓電子跑到一邊去，放電的時(shí)候電子多的那一塊材料上的電子就會跑到少的那一塊上，形成電流。所以，理論上講超級電容所有的重量都能參與電子的流動(dòng)，它的能量密度就會比化學(xué)電池大得多。
第五，環(huán)保。超級電池的主要材料石墨烯非常穩(wěn)定，不會對環(huán)境造成破壞。所以，超級電池絕對環(huán)保。
這是超級電池的主要優(yōu)點(diǎn)，還有一些小的有點(diǎn)諸如充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長期使用免維護(hù)；超低溫特性好；檢測方便，剩余電量可直接讀出。既然超級電池有如此多的優(yōu)點(diǎn)，為什么至今沒有普及呢？
為什么至今沒有普及呢？
超級電容電池的缺點(diǎn)和它的優(yōu)點(diǎn)一樣明顯。由于超級電池過快的放電速度和過低的內(nèi)阻，如果設(shè)計(jì)不好的話，本身就蘊(yùn)含著“能量突然大爆發(fā)”所隱藏的風(fēng)險(xiǎn)。超級電容放電可以非?？?，最大輸出功率可達(dá)24KW/Kg，一個(gè)50Kg的超級電容電池，最大輸出功率1200KW，一腳電門踩下去，車能飛起來。
自放電速度比電池快得多，通俗的說就是“存不住電”。超級電容始終是由電容組成的，電容是是由兩塊電極之間夾一層絕緣電介質(zhì)構(gòu)成，無論如何兩塊電極之間都會有電子的流動(dòng)，這樣就會造成儲存電量的減少。超級電池充滿電之后過一段時(shí)間就可能沒電了。
不耐高溫，超級電池的工作溫度是-40-70℃，耐高寒，溫度過高會影響工作，甚至損壞電池。
最大的缺點(diǎn)仍然是成本。雖然世界各國都在加快超級電容的研制，但要想超級電容在民用中普及，尚需時(shí)日。
我們可以看見，超級電容的缺點(diǎn)是可以克服，目前其技術(shù)尚不成熟?？墒浅夒娙莸陌l(fā)展速度非?？?，在未來幾年內(nèi)就能運(yùn)用到民用上，那為什么在汽車上仍難覓其蹤跡呢？
超級電容電池目前在汽車領(lǐng)域不火的原因
超級電容比起傳統(tǒng)電池有著不可比擬的優(yōu)勢，二者的差距就像蘋果ios和諾基亞塞班。那為什么這種電池就么有運(yùn)用到汽車上呢？
車聯(lián)社認(rèn)為超級電池在汽車領(lǐng)域的“尷尬”并不是因?yàn)樗娜秉c(diǎn)無法克服。的確，超級電池現(xiàn)在仍有許多缺點(diǎn)，所以不能大規(guī)模民用，可要解決這些缺點(diǎn)需要的時(shí)間并不長，也許再過一兩年這項(xiàng)技術(shù)就能民用。超級電池之所以“尷尬”，是因?yàn)樗哂懈锩粤恕?/span>
我們可以想象一下，一旦這項(xiàng)技術(shù)成熟，可以大規(guī)模運(yùn)用，會發(fā)生什么。如果出現(xiàn)了一輛電動(dòng)車，他一次充電20分鐘以內(nèi)，充電之后可以跑上500公里以上，電池能用幾十年，一腳“油門”下去感覺堪比跑車。如果有這么一種電動(dòng)車出現(xiàn)了，如果油價(jià)又上升到了8塊每升，那汽油車還會有多少銷量。這項(xiàng)技術(shù)可以帶動(dòng)一次汽車動(dòng)力革命，但顯然，各國都未做好準(zhǔn)備，包括中國。因?yàn)楝F(xiàn)在的汽車產(chǎn)業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)經(jīng)受不起這種程度的沖擊。
而且，超級電池技術(shù)十分先進(jìn)，各國在研制成功之前都會雪藏，然后在關(guān)鍵的時(shí)候拿出來搶占市場。就像當(dāng)年的蘋果，默默無聞，厚積薄發(fā)，搞出了一個(gè)iPhone4，搶占了大量的市場。這也是目前超級電池汽車看似不受關(guān)注的一個(gè)原因。
超級電池技術(shù)未來市場前景如何？
世界各國已經(jīng)加快對超級電容電池的研制，在中國，超級電池也發(fā)展迅速。車聯(lián)社沒有找到中國關(guān)于超級電池發(fā)展規(guī)劃的資料，不過中國已經(jīng)研制出了27KWh/Kg的超級電池，用于電磁炮的發(fā)射系統(tǒng)，相信不久將來可以民用。石墨烯得益于它的超高的導(dǎo)電性，已經(jīng)成為了一種制造超級電池的優(yōu)良材料。
一旦完全用電力來驅(qū)動(dòng)汽車，世界各國的汽車產(chǎn)業(yè)將重新處于同一起跑線，歐美等過多年來在發(fā)動(dòng)機(jī)上累積的優(yōu)勢將蕩然無存，這也就是“彎道超車”理論，要實(shí)現(xiàn)這一理論，只能依靠超級電容電池。
所以，車聯(lián)社認(rèn)為，超級電容電池依然會繼續(xù)“尷尬”一段較長的時(shí)間，這是因?yàn)榧夹g(shù)的研發(fā)尚需時(shí)日。但是，一旦超級電池運(yùn)用到汽車領(lǐng)域，必將引起不小轟動(dòng)，甚至取代內(nèi)燃機(jī)車。超級電池現(xiàn)在除了成本問題，其它的都是可以解決的問題，而且解決這些小問題都不需要太多的時(shí)間。至于制造成本，就要看國家的研發(fā)了，這是大國之間的角力，誰先突破這門技術(shù)，誰就能取得未來汽車市場的先機(jī)。
