1 低溫下動力電池性能下降
1) 低溫對電池放電容量的影響
容量是鋰電池最重要的參數之一, 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, 當兩個乘數都下降時, 電池內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, 使得能夠發生移動帶來放電電流的鋰離子數量下降, 是容量下降的根本原因.
2) 低溫對電池內阻的影響
任何一個荷電量下, 電池內阻都隨著溫度的降低而明顯升高, 荷電量越低的電芯, 內阻越大, 並且這個趨勢也隨著溫度的變化而保持不變.
低溫下, 正負極材料中, 帶電離子的擴散運動能力變差, 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, 並且在傳遞過程中還會額外產生很多熱量. 鋰離子到達負極以後, 在負極材料內部的擴散也變得不順暢. 全部的過程, 帶電離子的運動都變得困難重重, 在外部看來, 就是電芯的內阻升高了.
3) 低溫對電池充放電效率的影響
-20℃下的充電效率只有15℃時候的65%. 低溫帶來了前文中描述的種種電化學層面性能的變化, 內阻顯著增加. 放電過程中, 大量的電能消耗在內阻發熱上面. 我們觀察到的庫倫效率下降了. 電動汽車行駛過程中, 就會感覺到, 看起來差不多的電量, 低溫下續航變短了.
4) 鋰離子電池內部副反應
低溫下鋰電池性能退化嚴重, 同時在鋰離子電池充放電過程中會有一些副反應發生. 這些副反應中主要是鋰離子與電解液不可逆的反應, 會造成鋰電池容量衰退, 使電池性能進一步惡化.
導電活性物質的消耗, 造成容量衰減. 考慮到電池中正負兩個電極的電位, 相比於正極這些副反應更有可能發生在負極側. 因為負極材料電勢比正極材料電勢要低得多, 離子和電解質溶劑產生副反應的沉積物沉積在了電極表面, 形成SEI 膜. SEI膜的阻抗是引起負極反應過電勢的一個因素之一. 充電時, 活性物質表面形成的沉積物, 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發生衰退. 鋰電池在充電過程中更容易發生副反應. 鋰電池充電開始時, 鋰離子通過電解液向負極運動, 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更易發生不可逆的副反應.
2 預熱形成基本共識
在低溫環境下, 動力電池自己放電給自己加熱, 即使有完備的熱管理系統, 但最初低溫階段的放電過程, 仍然會對電池壽命帶來傷害, 甚至帶來安全性風險. 如果只考慮電動汽車自身上的資源, 而不考慮外部資源, 就形成了一個雞生蛋蛋生雞的問題. 只有跳出盯住車輛本身這個限制, 才能打破這個悖論. 於是, 早就有人提出了預熱的可能性和可行的方法.
已經被討論的預熱方法主要包括: PTC預熱, 電熱膜預熱, 液冷系統預熱, 相變材料預熱系統, 熱管預熱系統, 交流預熱系統. 所謂不同預熱方法, 變的是實際加熱的介質, 不變的是由外部提供電源給動力電池加熱的基本理念.
3特斯拉會怎麼做預熱?
翻出特斯拉跟預熱相關的專利, 能夠看到其對預熱的基本設想和實施方式. 下面是專利中的預熱系統框圖.
下面是加熱系統在整車上的空間布置示意圖, 右下方的紅框中, 指明, 利用外部電源, 與現在主流設想的預熱方式一致, 或者說, 當前流行的這幾種預熱方案, 也是參考了特斯拉的想法呢. 下面是專利中描述的幾個預熱系統的細節.
預熱的系統實現形式
專利中列舉了多個給電池預熱的形式: 一個預熱系統, 可以同時預熱一個或者多個動力電池系統; 可以用加熱器實現預熱; 可以反向使用冷卻系統實現預熱; 可以利用電池內部熱量加熱, 比如利用充電過程中的自生熱; 可以從環境中吸收熱量; 可以利用電機工作發熱加熱電池; 可以在電池工作過程中對其加熱; 可以在充電過程中給電池加熱; 可以在充電過程中利用冷卻系統分反向工作進行電池加熱; 預熱系統可以是一個獨立的系統, 也可與上面框圖中的某個或者某些系統配合工作.
預熱系統的溫度採集和比較
預熱控制系統中可以包含一個比較器, 比較原來電池管理系統中採集的電池監測溫度與設定溫度的差距, 如果電池溫度低於理想值, 則給出一個反饋訊號; 也可以單獨設置一個溫度檢測的感測器系統, 採集電池實際溫度; 熱電偶以及其他已知的溫度感測器都可以在這裡應用.
溫度比較器可以以多種方式反饋溫度低於理想值這一資訊: 溫度比較器可以不斷地發送溫度低於理想值訊號, 也可以間歇性的發送.
預熱控制迴路
預熱控制迴路需要給控制器提供一個車輛啟動之前的加熱保持時間, 在這段時間內持續發送預熱使能訊號.
預熱控制迴路需要給出車輛啟動時間. 啟動時間可以由程序內預設時間表直接給出; 可以根據曆史上對啟動時間的積累觀察, 系統自己估計一個時間, 可以根據曆史數據按照統計規律計算一個時間, 比如, 如果系統觀察到, 汽車的主人在過去的幾周裡都是早上8:00啟動車子, 那麼在即將到來的這個早晨, 它也就可以推算, 車子的啟動時間是8:00.
加熱時長
什麼時候開始預熱, 除了需要考慮車子的啟動時間, 還需要確定預熱的時長, 也就是從起始溫度加熱多長時間可以達到理想溫度. 可以嚴格按照車子啟動時間減去預熱需要的時間, 開啟預熱系統, 這樣的策略, 沒有考慮電池需要在理想溫度保持一定時間後, 才能達到熱平衡的問題. 如果想要達到比較好的預熱效果, 則需要留出保溫時間.
持續控制迴路
專利中起名叫 'further control system' , 與前面的系統框圖對應, 我們暫且翻譯成 '持續控制迴路' . 持續控制迴路需要與系統框圖中的多個系統耦合使用, 至少需要與預熱控制迴路和加熱系統配合. 加熱系統包括髮熱器件, 可以是電阻加熱器或者其他類型的加熱器. 持續控制迴路通過溫度低於理想值訊號與加熱系統發生聯繫, 要求加熱系統持續加熱; 持續控制迴路也可以通過預熱系統使能訊號作用於加熱系統, 指示其持續工作; 加熱系統也可以作為整個空調系統的一個組成部分, 依靠冷卻液給電池加熱.
成本評估迴路
給電池加熱需要花費多少電量, 與節約下來的電池電量以及其他綜合效果做一個比較, 是否划算, 做這方面估計的系統就被起名 'cost estimating circuit' , 暫且稱為成本評估迴路, 這個在我前面度過的文獻中並不多見, 是對一個設計的經濟效益的考量. 成本評估結果可以用於預熱控制系統, 判斷是否進行預熱. 成本評估的依據可以是來自於以往的運行經驗數據, 市政系統的電價浮動方案等, 當前電價低溫對電池放電容量的影響
容量是鋰電池最重要的參數之一, 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, 當兩個乘數都下降時, 電池內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, 使得能夠發生移動帶來放電電流的鋰離子數量下降, 是容量下降的根本原因.
2) 低溫對電池內阻的影響
任何一個荷電量下, 電池內阻都隨著溫度的降低而明顯升高, 荷電量越低的電芯, 內阻越大, 並且這個趨勢也隨著溫度的變化而保持不變.
低溫下, 正負極材料中, 帶電離子的擴散運動能力變差, 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, 並且在傳遞過程中還會額外產生很多熱量. 鋰離子到達負極以後, 在負極材料內部的擴散也變得不順暢. 全部的過程, 帶電離子的運動都變得困難重重, 在外部看來, 就是電芯的內阻升高了.
3) 低溫對電池充放電效率的影響
-20℃下的充電效率只有15℃時候的65%. 低溫帶來了前文中描述的種種電化學層面性能的變化, 內阻顯著增加. 放電過程中, 大量的電能消耗在內阻發熱上面. 我們觀察到的庫倫效率下降了. 電動汽車行駛過程中, 就會感覺到, 看起來差不多的電量, 低溫下續航變短了.
4) 鋰離子電池內部副反應
低溫下鋰電池性能退化嚴重, 同時在鋰離子電池充放電過程中會有一些副反應發生. 這些副反應中主要是鋰離子與電解液不可逆的反應, 會造成鋰電池容量衰退, 使電池性能進一步惡化.
導電活性物質的消耗, 造成容量衰減. 考慮到電池中正負兩個電極的電位, 相比於正極這些副反應更有可能發生在負極側. 因為負極材料電勢比正極材料電勢要低得多, 離子和電解質溶劑產生副反應的沉積物沉積在了電極表面, 形成SEI 膜. SEI膜的阻抗是引起負極反應過電勢的一個因素之一. 充電時, 活性物質表面形成的沉積物, 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發生衰退. 鋰電池在充電過程中更容易發生副反應. 鋰電池充電開始時, 鋰離子通過電解液向負極運動, 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更易發生不可逆的副反應.
2 預熱形成基本共識
在低溫環境下, 動力電池自己放電給自己加熱, 即使有完備的熱管理系統, 但最初低溫階段的放電過程, 仍然會對電池壽命帶來傷害, 甚至帶來安全性風險. 如果只考慮電動汽車自身上的資源, 而不考慮外部資源, 就形成了一個雞生蛋蛋生雞的問題. 只有跳出盯住車輛本身這個限制, 才能打破這個悖論. 於是, 早就有人提出了預熱的可能性和可行的方法.
已經被討論的預熱方法主要包括: PTC預熱, 電熱膜預熱, 液冷系統預熱, 相變材料預熱系統, 熱管預熱系統, 交流預熱系統. 所謂不同預熱方法, 變的是實際加熱的介質, 不變的是由外部提供電源給動力電池加熱的基本理念.
3特斯拉會怎麼做預熱?
翻出特斯拉跟預熱相關的專利, 能夠看到其對預熱的基本設想和實施方式. 下面是專利中的預熱系統框圖.
下面是加熱系統在整車上的空間布置示意圖, 右下方的紅框中, 指明, 利用外部電源, 與現在主流設想的預熱方式一致, 或者說, 當前流行的這幾種預熱方案, 也是參考了特斯拉的想法呢. 下面是專利中描述的幾個預熱系統的細節.
預熱的系統實現形式
專利中列舉了多個給電池預熱的形式: 一個預熱系統, 可以同時預熱一個或者多個動力電池系統; 可以用加熱器實現預熱; 可以反向使用冷卻系統實現預熱; 可以利用電池內部熱量加熱, 比如利用充電過程中的自生熱; 可以從環境中吸收熱量; 可以利用電機工作發熱加熱電池; 可以在電池工作過程中對其加熱; 可以在充電過程中給電池加熱; 可以在充電過程中利用冷卻系統分反向工作進行電池加熱; 預熱系統可以是一個獨立的系統, 也可與上面框圖中的某個或者某些系統配合工作.
預熱系統的溫度採集和比較
預熱控制系統中可以包含一個比較器, 比較原來電池管理系統中採集的電池監測溫度與設定溫度的差距, 如果電池溫度低於理想值, 則給出一個反饋訊號; 也可以單獨設置一個溫度檢測的感測器系統, 採集電池實際溫度; 熱電偶以及其他已知的溫度感測器都可以在這裡應用.
溫度比較器可以以多種方式反饋溫度低於理想值這一資訊: 溫度比較器可以不斷地發送溫度低於理想值訊號, 也可以間歇性的發送.
預熱控制迴路
預熱控制迴路需要給控制器提供一個車輛啟動之前的加熱保持時間, 在這段時間內持續發送預熱使能訊號.
預熱控制迴路需要給出車輛啟動時間. 啟動時間可以由程序內預設時間表直接給出; 可以根據曆史上對啟動時間的積累觀察, 系統自己估計一個時間, 可以根據曆史數據按照統計規律計算一個時間, 比如, 如果系統觀察到, 汽車的主人在過去的幾周裡都是早上8:00啟動車子, 那麼在即將到來的這個早晨, 它也就可以推算, 車子的啟動時間是8:00.
加熱時長
什麼時候開始預熱, 除了需要考慮車子的啟動時間, 還需要確定預熱的時長, 也就是從起始溫度加熱多長時間可以達到理想溫度. 可以嚴格按照車子啟動時間減去預熱需要的時間, 開啟預熱系統, 這樣的策略, 沒有考慮電池需要在理想溫度保持一定時間後, 才能達到熱平衡的問題. 如果想要達到比較好的預熱效果, 則需要留出保溫時間.
持續控制迴路
專利中起名叫 'further control system' , 與前面的系統框圖對應, 我們暫且翻譯成 '持續控制迴路' . 持續控制迴路需要與系統框圖中的多個系統耦合使用, 至少需要與預熱控制迴路和加熱系統配合. 加熱系統包括髮熱器件, 可以是電阻加熱器或者其他類型的加熱器. 持續控制迴路通過溫度低於理想值訊號與加熱系統發生聯繫, 要求加熱系統持續加熱; 持續控制迴路也可以通過預熱系統使能訊號作用於加熱系統, 指示其持續工作; 加熱系統也可以作為整個空調系統的一個組成部分, 依靠冷卻液給電池加熱.
成本評估迴路
給電池加熱需要花費多少電量, 與節約下來的電池電量以及其他綜合效果做一個比較, 是否划算, 做這方面估計的系統就被起名 'cost estimating circuit' , 暫且稱為成本評估迴路, 這個在我前面度過的文獻中並不多見, 是對一個設計的經濟效益的考量. 成本評估結果可以用於預熱控制系統, 判斷是否進行預熱. 成本評估的依據可以是來自於以往的運行經驗數據, 市政系統的電價浮動方案等, 當前電價 (採用浮動電價的地區) , 預計消耗的電量等. 把預熱成本與系統預設的成本判據比較, 低於預設值, 才激發預熱系統使能訊號.
預熱使能訊號
預熱使能訊號, 可以以軟體的形式, 設置在持續控制迴路中; 可以採用韌體的形式發揮作用; 可以直接使用硬體; 可以利用機械開關;
綜合
根據特斯拉在專利文獻中的表述, 綜合理解下來, 整體上應該可以這麼講: 控制系統會根據計划出發時間, 在適當的時刻發出加熱系統使能訊號, 啟動預熱系統開始加熱; 此後, 利用一個溫度比較電路, 即時監控電池溫度, 比較電池實際溫度和設定溫度的差距, 只要得到的反饋是實際溫度尚且低於理想溫度, 則持續發出加熱使能訊號; 如果不能獲得實際溫度訊號或者已經判斷實際溫度訊號已經達到甚至超過理想溫度, 則停止發送加熱使能訊號. 每個環節有多種實現形式.
在2017年底, 特斯拉才遲遲宣布添加預熱功能, 那麼, 在之前的車輛中都沒有設計預熱功能嗎? 還記得2016年新年第一天, 挪威的一輛特斯拉 Model S在超級充電站內充電過程中起火, 整輛車全部燒毀. 一把火燒的電動汽車人體溫都下降了3度. 現在想想, 難道到賣到挪威那樣的緯度的特斯拉, 當時是沒有預熱功能的? 然而看看它的加熱專利的申請時間, 2008年3月, 公開時間是2010年6月, 已經過去了將近十年. 是認為預熱並非必要, 還是有其他什麼原因? 個中原委不得而知. 有了解的童鞋, 可以講一講哈. 這次特斯拉的預熱功能是會啟用當年專利, 還是另闢蹊徑呢具, 我們拭目以待.
