據瞭解“電池加熱” 技術可以讓新能源汽車為我們提供所需要的動力,提高動力電池容納量的相關效能。純電車在溫度低的環境中駕駛時,它的動力電池和電機等主要部件的效能消耗量會相對較大,可能導致動力不足甚至不工作的情況。
溫度對於鋰離子電池有著重要的影響,過低的溫度不僅會導致鋰離子電池效能下降,無法正常工作,低溫下充電還會導致負極析鋰現象的發生,引起電池容量快速衰降,極端情況下甚至會引起正負極短路。因此為了讓鋰離子電池在較低的溫度下正常工作,需要為鋰離子電池配備加熱裝置,以提升鋰離子電池的溫度。
低溫充電電池
三元、磷酸鐵鋰體系
-20℃低溫0.5C充電,且充放電迴圈300周以上;
-40℃低溫0.2C充電,且充放電迴圈300周以上。
低溫放電電池
三元、磷酸鐵鋰體系
-40℃高倍率5C持續放電,80%以上容量保持率;
-50℃低溫放電,75%以上容量保持率。
鋰離子動力電池的特性受環境溫度的影響相對比較明顯,當實用環境溫度較低的時候它的能量和功率減退的情況比較嚴重,如果長時間在這種溫度下使用的話還會縮短它的使用壽命。某純電車品牌已經開始在其磷酸鐵鋰車型中開啟了沿途預熱功能最佳化,為了讓電池達到接近鋰離子電池活性的最好溫度,從而提升充電效率,在充電前的行駛過程中車輛會提前加熱電池。除了使用,在溫度低的環境下, 電池充放電也將變得困難,所以純電車的啟動和充電也會受到影響。純電車使用率較高的鋰離子動力電池在零下十攝氏度時,其可用放電容納量驟降,僅能保持常溫時的30%左右。
溫度低電荷遷移內阻劇增是動力電池功率效能減退的主要原因。具體來說,首先鋰離子動力電池溫度低環境下的效能與它裡面的電解液有關係。如果溫度較低電解液電導率將降低,且溫度低的環境充可能會造成致析出的鋰金屬容易和電解液產生反應,從而使鋰離子動力電池的效能進一步惡化。溫度低的環境下電池中電極膜阻抗的增加是動力電池在這種溫度下效能惡化的又一個原因。溫度低的狀態下,電池中電極膜阻抗增加,可用功率下降。“電池加熱”技術在工程應用上,從動力電池管理系統來看,可根據用車用需求,開發針對車用電池模組和電池包的新型溫度較低的環境加熱技術,使電池在溫度低的環境下也可以保持在正常的工作溫度範圍內,從而滿足動力電池正常充放電的要求,讓車輛使用工程中在任何環境下都可以達到最佳的效能狀態。
現在大部分人不願意買電動汽車的其中一個原因就是續航里程的焦慮。尤其是在天氣冷的時候或長年高寒冷地區,由於溫度太低鋰離子電池裡的帶電粒子運動速度變慢,從而影響了電能的輸出。
而這體現出來的就是充不滿電,也不能完全放出來電。那要想讓動力電池維持適宜的工作溫度,就有了PTC方案。就是讓電池除了驅動汽車外還要分一部分電能去加熱自己。這樣雖然電能少了,但是續航還是打了折扣。不過溫度到位比完全不加熱可用的電量還是更多。這就可以看出PTC其實就是類似於電暖爐方案,可提高電量但效率不夠高。
熱泵是利用壓縮機透過外界吸收熱量,再來反哺電池。雖然熱泵也是用電池驅動的,但從效率上看就比PTC方案的效率高多了。
這裡不要忘了熱泵的工作效率是跟外界有關的。驅動壓縮機雖然電能不變,如果外界的溫度太低,就沒有多少熱量可以給它吸收了,這種情況下工作效率自然會下降,效率可能還不如PTC加熱。
熱泵方案工作溫度到零下10度左右基本上就帶不動了。而比亞迪的工程師們就想了個方案,比起熱泵方案更高效的。就是從整車熱量的角度去考慮,開發出寬溫域高效熱泵。
這又是什麼呢?就是不要只去關注外界熱量,而是整臺車在執行過程中所產生的熱量!
比方說電機和電控執行產生的廢熱。寬溫域高效熱泵可以把整臺車可以利用的廢熱全部利用起來,這樣的效率就高了。
這樣一套方案下來,可以讓電池在零下30度都能有效工作。比亞迪會把這套寬溫域高效熱泵標配在剛釋出的E平臺3.0,也就是說,以後比亞迪用這套平臺所打造的汽車都要比現在的電池效能提高20%左右,為就叫冬天不慫賊拉扛凍。
光有制熱方案還不夠,還得考慮如何把製造的熱量保留,這個工作也是相當的重要。
動力電池包為了滿足密封和強度要求,整包上殼體和下箱體採用金屬材料製成,金屬的導熱係數較高,低溫工況下散熱嚴重。
針對新能源汽車動力電池包在低溫工況下散熱嚴重導致溫差較大的問題,為保證電池的工作溫度廠商出盡奇招,部分電池包生產商會透過填充物實現保溫效果,還有的設計了一種電池包保溫層。
在低溫環境下將電池熱量更好地收集起來,使動力電池溫度維持在最佳的工作溫度區間,可以有效地提高新能源汽車動力電池使用效能。
電池包中保溫層佈置
電池包內使用的保溫材料除了導熱係數低之外,還需具備阻燃、絕緣、柔軟槓高溫和質量輕等特點。
德耐隆改性耐火隔熱氈複合材料作為電池包的保溫層,德耐隆改性耐火隔熱氈形狀可根據實際需求進行裁剪加工,由於電池包內模組表面形狀不規整,周邊佈置有高壓銅排和低壓線束,因此將保溫層仿形貼上在下箱體和上殼體內壁。
新能源汽車的電池包在低溫工況下的加入保溫層設計,採用德耐隆改性耐火隔熱氈複合材料作為電池包內的保溫材料,透過溫度試驗測試,在-25℃的低溫工況下,裝有保溫層的電池包在降溫速度上明顯比沒有使用保溫材料的要相對減小,對於這個保溫設計方法在電池包內具有較強的適用性, 能夠提高動力電池在低溫環境地區的使用效能。
特性
絕緣電阻:100MΩ(1000v絕緣電阻表)
介電強度:≥2000V/min無擊穿,無閃絡
耐火焰1200℃(5分鐘不燒穿)、無粉化無癢
符合環保標準、在火焰中燃燒時不產生有毒有害氣體
技術指標
產品密度150kg/m³(GB/T5480-2008)
長期服務溫度 -200℃至1200℃ (GB/T17430-1998;ASTM C 447)
壓縮強度(變形10%:≥67kPa;變形25%:≥250kPa)
產品憎水率≥98%(GB/T10299-2011)
導熱係數不高於0.02W/m.k(GB/T10295-2008;ASTM C 447)
加熱線收縮率<2%@650℃(ASTM C 356)
燃燒等級 A級(GB 8624-2012)
總的來說,影響電池高溫、低溫的因素可以概括為:提高電池各組分的電導率或者導電性(包括選擇導電性更好的活性材料、最佳化電解液成分、改善負極SEI膜成分、抑制正極表面物質的溶出等),從而降低電池整體的阻抗,對於提升高溫、低溫效能是有所幫助的。鋰離子電池對溫度的適應性就跟人體一樣,過高、過低的溫度都不利於其發揮最大的功能,選擇合適的材料、最佳化結構設計、定製合適的使用條件,才能充分發揮其效能。