.電動(dòng)車實(shí)驗(yàn)室新鮮直達(dá) .
眾所周知,寒冷的冬天是電動(dòng)車的克星,較低的溫度會(huì)降低電池組的工作性能。人怕冷,可以貼上暖寶寶,穿上羽絨服以御寒。但電動(dòng)車(電池組)怕冷時(shí),該怎么辦呢?界業(yè)內(nèi)有沒有什么辦法可以解決電動(dòng)車的冬季供暖問題呢?
針對(duì)這個(gè)問題,EVLAB特意邀請(qǐng)到了汽車圈內(nèi)的行業(yè)專家以及工程師們和大家一起探討“電動(dòng)的冬季供暖問題”??靵砺犅爩I(yè)人士是怎么說的吧!
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電動(dòng)汽車制熱大概分為兩種:熱泵和PTC
熱泵的原理和空調(diào)一樣,內(nèi)外搬運(yùn)熱量,功率比較低,一般1~2kW。在外界溫度不太低的情況下,制熱效果比較好,但是外界溫度低于-10,效果就大打折扣了。
PTC相當(dāng)于暖氣,直接用電發(fā)熱,功率比較高,一般可達(dá)3~5kW。外界溫度高低對(duì)其發(fā)熱效率沒影響。兩種方式各有利弊,大家可以根據(jù)功率來推算對(duì)續(xù)航的影響,比如電池組50kWh電,如果是PTC空調(diào),每小時(shí)用電3~5度,每小時(shí)大概會(huì)減少6~10%的續(xù)航。
不過需要注意的是,當(dāng)冬季室外溫度比較低的時(shí)候,電動(dòng)車的電池包會(huì)自行加熱以維持電池的正常放電,也就是說電池包還有一個(gè)加熱器,這個(gè)加熱器的功率更大,可到5~10kW,當(dāng)冬季車輛啟動(dòng)的時(shí)候,要靠此加熱器將電池加熱到適合正常工作的溫度,這部分電量也是不少的。
對(duì)于部分具有座椅加熱功能的車型來講,座椅加熱的最大功率大概在1~2kW之間,大概會(huì)影響5%左右的電池續(xù)航。
綜合核算,PTC大概會(huì)減少15%~20%左右的續(xù)航,熱泵空調(diào)大概會(huì)減少10%~15%的續(xù)航,電池包加熱器大概會(huì)減少10%~30%的續(xù)航,座椅加熱大概減少5%左右的續(xù)航……
這也是為什么在冬季比較寒冷(-10度及以下)的情況下,電動(dòng)車電池的續(xù)航會(huì)大幅縮水甚至減半的原因了。
2
鋰離子電池怕冷這個(gè)認(rèn)知,
其實(shí)要早于人們對(duì)電動(dòng)汽車的關(guān)注。
影響力最大的科普者,就是大名鼎鼎的蘋果手機(jī)。這一點(diǎn)我有親身體會(huì),充滿電的iPhone6在寒冷的冬季出門,沒幾分鐘就只剩下60%的電量。若路上多耽擱一會(huì),它直接給你關(guān)機(jī)了,連打個(gè)滴滴的機(jī)會(huì)都不給,苦不堪言。在寒冷面前,鋰電池比人還要嬌貴!
正是蘋果手機(jī)的科普如此到位,所以當(dāng)電動(dòng)汽車迎來第一個(gè)冬天、續(xù)航大幅縮短的時(shí)候,用戶并沒有沖動(dòng)地指責(zé)廠家偷工減料帶來質(zhì)量問題,更多的是抱怨應(yīng)對(duì)措施不到位。
電動(dòng)汽車冬季續(xù)航縮短,
通俗地說,是由兩個(gè)原因?qū)е碌模?/strong>
一是人怕冷,二是電池怕冷。
人怕冷,于是就要開暖風(fēng)。即便是大家都熟悉的燃油車,夏季開空調(diào)油耗也會(huì)大幅上升。而冬季開暖風(fēng),情況會(huì)更加嚴(yán)峻,原因在于:
制暖需求量更大:制暖/冷消耗主要由溫差決定,冬季-10℃→20℃,制暖需求30℃。夏季35℃→25℃,制冷需求也就10℃而已。
制暖效率更低:制冷由“電能/動(dòng)能搬運(yùn)熱量“來實(shí)現(xiàn),也就是“冷泵”。而制暖通常是由“電能轉(zhuǎn)化熱量”的PTC來實(shí)現(xiàn),效率低?!半娔馨徇\(yùn)熱量”的“冷泵”應(yīng)用還不普遍。
燃油車的乘客也怕冷啊,為啥沒覺得冬天制暖更耗油呢? 原因在于,發(fā)動(dòng)機(jī)工作會(huì)產(chǎn)生大量的熱,這些熱量足以家用小轎車使用了。而電動(dòng)汽車呢? 工作的時(shí)候電池、電機(jī)都非常地“冷靜”,沒有余熱可用??!
如果發(fā)揚(yáng)阿Q精神,咱們也可以換個(gè)角度來理解:電動(dòng)汽車正是因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)換效率高達(dá)90%以上,比發(fā)動(dòng)機(jī)的20-40%高很多,所以余熱才少、所以才需要消耗額外的制暖能量的!這樣理解是不是舒服多了?呵呵。
至于電池怕冷,大部分人僅有模糊的、感性的認(rèn)識(shí),而不清楚具體原理。今天我們稍微花點(diǎn)時(shí)間,縷一縷。大家別走,我保證講得通俗易懂。低溫是如何折磨鋰電池的?只需要記住以下3點(diǎn)就可以了:
正極才是鋰離子的家:當(dāng)所有鋰離子均到達(dá)正極,回到家時(shí),它們就不再想動(dòng)了。也就是,沒電可放了。
強(qiáng)迫鋰離子背井離鄉(xiāng),就是充電:為了避免成為死肥宅,人們就要“充電”。正負(fù)極通電之后,在各種電場力、擴(kuò)散力、電化學(xué)力的作用下,鋰離子們背井離鄉(xiāng),離開正極的家,穿越電解液,來到負(fù)極暫居下來。也就是,充滿電了。
思鄉(xiāng)心切,期待放電:鋰離子思鄉(xiāng)心切,一旦有機(jī)會(huì)飛奔回正極,回家的過程中伴隨著巨大的能量釋放,驅(qū)動(dòng)車輛前行。
那低溫下的鋰電池,發(fā)生了哪些變化呢?
容量損失:鋰離子 “凍住,不許動(dòng)”。負(fù)極的鋰離子本來思鄉(xiāng)心切,但低溫下部分鋰離子失去活性(圖中黃色圓圈),不愿意出門了。打個(gè)比方,本來你在銀行有100萬元,惹上官司后銀行凍結(jié)了20萬元,這部分就不能使用了。若能證明清白(溫度恢復(fù)),凍結(jié)的20萬元還能恢復(fù)(電量也能恢復(fù)),不會(huì)憑空消失。
放電損失:電解液固化,“歸家異途”兇險(xiǎn)。溫度正常時(shí),鋰離子可以順利地穿過電解液。低溫時(shí),電解液變得“粘稠”,甚至“結(jié)冰”,鋰離子的歸家異途就變得兇險(xiǎn)了,要費(fèi)不少力氣才能穿過去。具體表現(xiàn)就是內(nèi)阻增大,本來一度電能跑5公里的,現(xiàn)在只能跑4公里了。
打個(gè)比方,這相當(dāng)于增加了“能量稅”,好好的10萬元,只買到了8萬元的貨品;一旦花了出去,再恢復(fù)正常溫度,這部分損失的能量也回不來了。
低溫下鋰離子的“歸家異途”
3種不同狀態(tài)電芯,0度以下內(nèi)阻顯著增加
充電衰減:直觀地理解,負(fù)極材料的晶格就像蜂巢一樣,鋰離子來了之后可以“嵌入”進(jìn)去,英文叫intercalation。在低溫下,晶格就收縮了,鋰離子“嵌入”變得困難。
所以電池管理系統(tǒng)就自覺地降低充電速度,這就會(huì)導(dǎo)致第二天早上也充不滿,本來就堪憂的續(xù)航,雪上加霜。
有人說,如果我讓BMS在低溫下強(qiáng)行加大電流呢,就不能把鋰離子給強(qiáng)行擠進(jìn)晶格嗎?答案是,可以是可以,但晶格有可能就“擠破”了,這會(huì)造成電池容量的永久性損耗。所以兄弟,心急吃不了熱豆腐。
可以看出來,低溫對(duì)鋰離子電池的傷害是全方位的:一來充電不滿,二來放電不順,三來制暖又非常耗電。這一多管齊下,開流節(jié)源,電動(dòng)汽車冬季續(xù)航減半也絕不是很夸張的說法了。那么,有什么應(yīng)對(duì)措施呢?
熱泵——提高制熱效率
人怕冷,可以忍一忍,“又不是不能用”(狗頭笑臉)。當(dāng)然,為司機(jī)與乘客制暖,也并非沒有優(yōu)化空間。例如,設(shè)計(jì)較小的車型,再如特斯拉的方向盤與座椅加熱系統(tǒng) —— 保證屁股與手不冷,臉上涼點(diǎn)可以忍,這樣的話就不太冷的氣候下,就沒必要開車內(nèi)制暖了。
特斯拉座椅加熱系統(tǒng)
電池怕冷,那是絕對(duì)忍不了的。一般的電加熱叫PTC,聽起來挺高科技的,其實(shí)就是電流通過電阻,根據(jù)焦耳定律放熱。這種電加熱方法,1度電可以轉(zhuǎn)換成1度熱,效率較低。
有沒有1度電帶來更多熱量的方法呢?有的,也就是所謂的“熱泵”,可以簡單地理解為空調(diào)制冷的反過程。前兩年Bosch都也在推這套系統(tǒng),在奧迪車型e-tron版本上有使用。
理論上來說,熱泵系統(tǒng)可以用1度電帶來3度熱,制暖效率達(dá)300%。有些家用空調(diào)真的能達(dá)到這種效率,非常節(jié)能。但是,就像發(fā)動(dòng)機(jī)特性一樣,要想達(dá)到如此高的效率,熱泵/空調(diào)需要穩(wěn)定的溫度、濕度、風(fēng)速條件(這些都是影響蒸發(fā)與冷凝的因素)。
居住空間也許能保證溫度、濕度、風(fēng)速條件的相對(duì)穩(wěn)定,但對(duì)于汽車來說,可能一個(gè)都保證不了…… 理論效率300%,實(shí)際效率也就150%。1度電可以換來1.5度熱,當(dāng)然比PTC要好,但是個(gè)人看來也就是半斤八兩。對(duì)純電動(dòng)汽車來說,這種頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳的方法,并不能從根本上解決問題。
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