1 低温下动力电池性能下降
1) 低温对电池放电容量的影响
容量是锂电池最重要的参数之一, 它的大小随着温度变化的曲线如下图所示. 非常明显的, 容量随着温度的降低而减小. 除了容量, 随着温度降低的还有电池开路电压. 我们都知道, 电池中包含能量是容量与端电压的乘积, 当两个乘数都下降时, 电池内的能量一定是两者下降效果的叠加.
低温下正极材料活性降低, 使得能够发生移动带来放电电流的锂离子数量下降, 是容量下降的根本原因.
2) 低温对电池内阻的影响
任何一个荷电量下, 电池内阻都随着温度的降低而明显升高, 荷电量越低的电芯, 内阻越大, 并且这个趋势也随着温度的变化而保持不变.
低温下, 正负极材料中, 带电离子的扩散运动能力变差, 穿越电极与电解液的钝化膜变得困难, 在电解液中传递的速度也降低, 并且在传递过程中还会额外产生很多热量. 锂离子到达负极以后, 在负极材料内部的扩散也变得不顺畅. 全部的过程, 带电离子的运动都变得困难重重, 在外部看来, 就是电芯的内阻升高了.
3) 低温对电池充放电效率的影响
-20℃下的充电效率只有15℃时候的65%. 低温带来了前文中描述的种种电化学层面性能的变化, 内阻显著增加. 放电过程中, 大量的电能消耗在内阻发热上面. 我们观察到的库伦效率下降了. 电动汽车行驶过程中, 就会感觉到, 看起来差不多的电量, 低温下续航变短了.
4) 锂离子电池内部副反应
低温下锂电池性能退化严重, 同时在锂离子电池充放电过程中会有一些副反应发生. 这些副反应中主要是锂离子与电解液不可逆的反应, 会造成锂电池容量衰退, 使电池性能进一步恶化.
导电活性物质的消耗, 造成容量衰减. 考虑到电池中正负两个电极的电位, 相比于正极这些副反应更有可能发生在负极侧. 因为负极材料电势比正极材料电势要低得多, 离子和电解质溶剂产生副反应的沉积物沉积在了电极表面, 形成SEI 膜. SEI膜的阻抗是引起负极反应过电势的一个因素之一. 充电时, 活性物质表面形成的沉积物, 增加了电阻. 降低了活性粒子的有效表面积, 增加了离子电阻. 锂电池的可用容量和能量同时发生衰退. 锂电池在充电过程中更容易发生副反应. 锂电池充电开始时, 锂离子通过电解液向负极运动, 所以电极和电解液之间的电位差减少, 使得锂离子与电解液中的物质更易发生不可逆的副反应.
2 预热形成基本共识
在低温环境下, 动力电池自己放电给自己加热, 即使有完备的热管理系统, 但最初低温阶段的放电过程, 仍然会对电池寿命带来伤害, 甚至带来安全性风险. 如果只考虑电动汽车自身上的资源, 而不考虑外部资源, 就形成了一个鸡生蛋蛋生鸡的问题. 只有跳出盯住车辆本身这个限制, 才能打破这个悖论. 于是, 早就有人提出了预热的可能性和可行的方法.
已经被讨论的预热方法主要包括: PTC预热, 电热膜预热, 液冷系统预热, 相变材料预热系统, 热管预热系统, 交流预热系统. 所谓不同预热方法, 变的是实际加热的介质, 不变的是由外部提供电源给动力电池加热的基本理念.
3特斯拉会怎么做预热?
翻出特斯拉跟预热相关的专利, 能够看到其对预热的基本设想和实施方式. 下面是专利中的预热系统框图.
下面是加热系统在整车上的空间布置示意图, 右下方的红框中, 指明, 利用外部电源, 与现在主流设想的预热方式一致, 或者说, 当前流行的这几种预热方案, 也是参考了特斯拉的想法呢. 下面是专利中描述的几个预热系统的细节.
预热的系统实现形式
专利中列举了多个给电池预热的形式: 一个预热系统, 可以同时预热一个或者多个动力电池系统; 可以用加热器实现预热; 可以反向使用冷却系统实现预热; 可以利用电池内部热量加热, 比如利用充电过程中的自生热; 可以从环境中吸收热量; 可以利用电机工作发热加热电池; 可以在电池工作过程中对其加热; 可以在充电过程中给电池加热; 可以在充电过程中利用冷却系统分反向工作进行电池加热; 预热系统可以是一个独立的系统, 也可与上面框图中的某个或者某些系统配合工作.
预热系统的温度采集和比较
预热控制系统中可以包含一个比较器, 比较原来电池管理系统中采集的电池监测温度与设定温度的差距, 如果电池温度低于理想值, 则给出一个反馈信号; 也可以单独设置一个温度检测的传感器系统, 采集电池实际温度; 热电偶以及其他已知的温度传感器都可以在这里应用.
温度比较器可以以多种方式反馈温度低于理想值这一信息: 温度比较器可以不断地发送温度低于理想值信号, 也可以间歇性的发送.
预热控制回路
预热控制回路需要给控制器提供一个车辆启动之前的加热保持时间, 在这段时间内持续发送预热使能信号.
预热控制回路需要给出车辆启动时间. 启动时间可以由程序内预设时间表直接给出; 可以根据历史上对启动时间的积累观察, 系统自己估计一个时间, 可以根据历史数据按照统计规律计算一个时间, 比如, 如果系统观察到, 汽车的主人在过去的几周里都是早上8:00启动车子, 那么在即将到来的这个早晨, 它也就可以推算, 车子的启动时间是8:00.
加热时长
什么时候开始预热, 除了需要考虑车子的启动时间, 还需要确定预热的时长, 也就是从起始温度加热多长时间可以达到理想温度. 可以严格按照车子启动时间减去预热需要的时间, 开启预热系统, 这样的策略, 没有考虑电池需要在理想温度保持一定时间后, 才能达到热平衡的问题. 如果想要达到比较好的预热效果, 则需要留出保温时间.
持续控制回路
专利中起名叫 'further control system' , 与前面的系统框图对应, 我们暂且翻译成 '持续控制回路' . 持续控制回路需要与系统框图中的多个系统耦合使用, 至少需要与预热控制回路和加热系统配合. 加热系统包括发热器件, 可以是电阻加热器或者其他类型的加热器. 持续控制回路通过温度低于理想值信号与加热系统发生联系, 要求加热系统持续加热; 持续控制回路也可以通过预热系统使能信号作用于加热系统, 指示其持续工作; 加热系统也可以作为整个空调系统的一个组成部分, 依靠冷却液给电池加热.
成本评估回路
给电池加热需要花费多少电量, 与节约下来的电池电量以及其他综合效果做一个比较, 是否划算, 做这方面估计的系统就被起名 'cost estimating circuit' , 暂且称为成本评估回路, 这个在我前面度过的文献中并不多见, 是对一个设计的经济效益的考量. 成本评估结果可以用于预热控制系统, 判断是否进行预热. 成本评估的依据可以是来自于以往的运行经验数据, 市政系统的电价浮动方案等, 当前电价低温对电池放电容量的影响
容量是锂电池最重要的参数之一, 它的大小随着温度变化的曲线如下图所示. 非常明显的, 容量随着温度的降低而减小. 除了容量, 随着温度降低的还有电池开路电压. 我们都知道, 电池中包含能量是容量与端电压的乘积, 当两个乘数都下降时, 电池内的能量一定是两者下降效果的叠加.
低温下正极材料活性降低, 使得能够发生移动带来放电电流的锂离子数量下降, 是容量下降的根本原因.
2) 低温对电池内阻的影响
任何一个荷电量下, 电池内阻都随着温度的降低而明显升高, 荷电量越低的电芯, 内阻越大, 并且这个趋势也随着温度的变化而保持不变.
低温下, 正负极材料中, 带电离子的扩散运动能力变差, 穿越电极与电解液的钝化膜变得困难, 在电解液中传递的速度也降低, 并且在传递过程中还会额外产生很多热量. 锂离子到达负极以后, 在负极材料内部的扩散也变得不顺畅. 全部的过程, 带电离子的运动都变得困难重重, 在外部看来, 就是电芯的内阻升高了.
3) 低温对电池充放电效率的影响
-20℃下的充电效率只有15℃时候的65%. 低温带来了前文中描述的种种电化学层面性能的变化, 内阻显著增加. 放电过程中, 大量的电能消耗在内阻发热上面. 我们观察到的库伦效率下降了. 电动汽车行驶过程中, 就会感觉到, 看起来差不多的电量, 低温下续航变短了.
4) 锂离子电池内部副反应
低温下锂电池性能退化严重, 同时在锂离子电池充放电过程中会有一些副反应发生. 这些副反应中主要是锂离子与电解液不可逆的反应, 会造成锂电池容量衰退, 使电池性能进一步恶化.
导电活性物质的消耗, 造成容量衰减. 考虑到电池中正负两个电极的电位, 相比于正极这些副反应更有可能发生在负极侧. 因为负极材料电势比正极材料电势要低得多, 离子和电解质溶剂产生副反应的沉积物沉积在了电极表面, 形成SEI 膜. SEI膜的阻抗是引起负极反应过电势的一个因素之一. 充电时, 活性物质表面形成的沉积物, 增加了电阻. 降低了活性粒子的有效表面积, 增加了离子电阻. 锂电池的可用容量和能量同时发生衰退. 锂电池在充电过程中更容易发生副反应. 锂电池充电开始时, 锂离子通过电解液向负极运动, 所以电极和电解液之间的电位差减少, 使得锂离子与电解液中的物质更易发生不可逆的副反应.
2 预热形成基本共识
在低温环境下, 动力电池自己放电给自己加热, 即使有完备的热管理系统, 但最初低温阶段的放电过程, 仍然会对电池寿命带来伤害, 甚至带来安全性风险. 如果只考虑电动汽车自身上的资源, 而不考虑外部资源, 就形成了一个鸡生蛋蛋生鸡的问题. 只有跳出盯住车辆本身这个限制, 才能打破这个悖论. 于是, 早就有人提出了预热的可能性和可行的方法.
已经被讨论的预热方法主要包括: PTC预热, 电热膜预热, 液冷系统预热, 相变材料预热系统, 热管预热系统, 交流预热系统. 所谓不同预热方法, 变的是实际加热的介质, 不变的是由外部提供电源给动力电池加热的基本理念.
3特斯拉会怎么做预热?
翻出特斯拉跟预热相关的专利, 能够看到其对预热的基本设想和实施方式. 下面是专利中的预热系统框图.
下面是加热系统在整车上的空间布置示意图, 右下方的红框中, 指明, 利用外部电源, 与现在主流设想的预热方式一致, 或者说, 当前流行的这几种预热方案, 也是参考了特斯拉的想法呢. 下面是专利中描述的几个预热系统的细节.
预热的系统实现形式
专利中列举了多个给电池预热的形式: 一个预热系统, 可以同时预热一个或者多个动力电池系统; 可以用加热器实现预热; 可以反向使用冷却系统实现预热; 可以利用电池内部热量加热, 比如利用充电过程中的自生热; 可以从环境中吸收热量; 可以利用电机工作发热加热电池; 可以在电池工作过程中对其加热; 可以在充电过程中给电池加热; 可以在充电过程中利用冷却系统分反向工作进行电池加热; 预热系统可以是一个独立的系统, 也可与上面框图中的某个或者某些系统配合工作.
预热系统的温度采集和比较
预热控制系统中可以包含一个比较器, 比较原来电池管理系统中采集的电池监测温度与设定温度的差距, 如果电池温度低于理想值, 则给出一个反馈信号; 也可以单独设置一个温度检测的传感器系统, 采集电池实际温度; 热电偶以及其他已知的温度传感器都可以在这里应用.
温度比较器可以以多种方式反馈温度低于理想值这一信息: 温度比较器可以不断地发送温度低于理想值信号, 也可以间歇性的发送.
预热控制回路
预热控制回路需要给控制器提供一个车辆启动之前的加热保持时间, 在这段时间内持续发送预热使能信号.
预热控制回路需要给出车辆启动时间. 启动时间可以由程序内预设时间表直接给出; 可以根据历史上对启动时间的积累观察, 系统自己估计一个时间, 可以根据历史数据按照统计规律计算一个时间, 比如, 如果系统观察到, 汽车的主人在过去的几周里都是早上8:00启动车子, 那么在即将到来的这个早晨, 它也就可以推算, 车子的启动时间是8:00.
加热时长
什么时候开始预热, 除了需要考虑车子的启动时间, 还需要确定预热的时长, 也就是从起始温度加热多长时间可以达到理想温度. 可以严格按照车子启动时间减去预热需要的时间, 开启预热系统, 这样的策略, 没有考虑电池需要在理想温度保持一定时间后, 才能达到热平衡的问题. 如果想要达到比较好的预热效果, 则需要留出保温时间.
持续控制回路
专利中起名叫 'further control system' , 与前面的系统框图对应, 我们暂且翻译成 '持续控制回路' . 持续控制回路需要与系统框图中的多个系统耦合使用, 至少需要与预热控制回路和加热系统配合. 加热系统包括发热器件, 可以是电阻加热器或者其他类型的加热器. 持续控制回路通过温度低于理想值信号与加热系统发生联系, 要求加热系统持续加热; 持续控制回路也可以通过预热系统使能信号作用于加热系统, 指示其持续工作; 加热系统也可以作为整个空调系统的一个组成部分, 依靠冷却液给电池加热.
成本评估回路
给电池加热需要花费多少电量, 与节约下来的电池电量以及其他综合效果做一个比较, 是否划算, 做这方面估计的系统就被起名 'cost estimating circuit' , 暂且称为成本评估回路, 这个在我前面度过的文献中并不多见, 是对一个设计的经济效益的考量. 成本评估结果可以用于预热控制系统, 判断是否进行预热. 成本评估的依据可以是来自于以往的运行经验数据, 市政系统的电价浮动方案等, 当前电价 (采用浮动电价的地区) , 预计消耗的电量等. 把预热成本与系统预设的成本判据比较, 低于预设值, 才激发预热系统使能信号.
预热使能信号
预热使能信号, 可以以软件的形式, 设置在持续控制回路中; 可以采用固件的形式发挥作用; 可以直接使用硬件; 可以利用机械开关;
综合
根据特斯拉在专利文献中的表述, 综合理解下来, 整体上应该可以这么讲: 控制系统会根据计划出发时间, 在适当的时刻发出加热系统使能信号, 启动预热系统开始加热; 此后, 利用一个温度比较电路, 实时监控电池温度, 比较电池实际温度和设定温度的差距, 只要得到的反馈是实际温度尚且低于理想温度, 则持续发出加热使能信号; 如果不能获得实际温度信号或者已经判断实际温度信号已经达到甚至超过理想温度, 则停止发送加热使能信号. 每个环节有多种实现形式.
在2017年底, 特斯拉才迟迟宣布添加预热功能, 那么, 在之前的车辆中都没有设计预热功能吗? 还记得2016年新年第一天, 挪威的一辆特斯拉 Model S在超级充电站内充电过程中起火, 整辆车全部烧毁. 一把火烧的电动汽车人体温都下降了3度. 现在想想, 难道到卖到挪威那样的纬度的特斯拉, 当时是没有预热功能的? 然而看看它的加热专利的申请时间, 2008年3月, 公开时间是2010年6月, 已经过去了将近十年. 是认为预热并非必要, 还是有其他什么原因? 个中原委不得而知. 有了解的童鞋, 可以讲一讲哈. 这次特斯拉的预热功能是会启用当年专利, 还是另辟蹊径呢具, 我们拭目以待.
