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大咖说丨没有羽绒服!电动车的冬天怎么过

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本帖最后由 电动车实验室 于 2019-1-24 14:32 编辑
众所周知,寒冷的冬天是电动车的克星,较低的温度会降低电池组的工作性能。人怕冷,可以贴上暖宝宝,穿上羽绒服以御寒。但电动车(电池组)怕冷时,该怎么办呢?界业内有没有什么办法可以解决电动车的冬季供暖问题呢?
针对这个问题,EVLAB特意邀请到了汽车圈内的行业专家以及工程师们和大家一起探讨“电动的冬季供暖问题”。快来听听专业人士是怎么说的吧!

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电动汽车制热大概分为两种:热泵和PTC

热泵的原理和空调一样,内外搬运热量,功率比较低,一般1~2kW。在外界温度不太低的情况下,制热效果比较好,但是外界温度低于-10,效果就大打折扣了。

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PTC相当于暖气,直接用电发热,功率比较高,一般可达3~5kW。外界温度高低对其发热效率没影响。两种方式各有利弊,大家可以根据功率来推算对续航的影响,比如电池组50kWh电,如果是PTC空调,每小时用电3~5度,每小时大概会减少6~10%的续航。

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不过需要注意的是,当冬季室外温度比较低的时候,电动车的电池包会自行加热以维持电池的正常放电,也就是说电池包还有一个加热器,这个加热器的功率更大,可到5~10kW,当冬季车辆启动的时候,要靠此加热器将电池加热到适合正常工作的温度,这部分电量也是不少的。

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对于部分具有座椅加热功能的车型来讲,座椅加热的最大功率大概在1~2kW之间,大概会影响5%左右的电池续航。

综合核算,PTC大概会减少15%~20%左右的续航,热泵空调大概会减少10%~15%的续航,电池包加热器大概会减少10%~30%的续航,座椅加热大概减少5%左右的续航……

这也是为什么在冬季比较寒冷(-10度及以下)的情况下,电动车电池的续航会大幅缩水甚至减半的原因了。

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锂离子电池怕冷这个认知,其实要早于人们对电动汽车的关注。

影响力最大的科普者,就是大名鼎鼎的苹果手机。这一点我有亲身体会,充满电的iPhone6在寒冷的冬季出门,没几分钟就只剩下60%的电量。若路上多耽搁一会,它直接给你关机了,连打个滴滴的机会都不给,苦不堪言。在寒冷面前,锂电池比人还要娇贵!

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正是苹果手机的科普如此到位,所以当电动汽车迎来第一个冬天、续航大幅缩短的时候,用户并没有冲动地指责厂家偷工减料带来质量问题,更多的是抱怨应对措施不到位。

电动汽车冬季续航缩短,
通俗地说,是由两个原因导致的:
一是人怕冷,二是电池怕冷。

人怕冷,于是就要开暖风。即便是大家都熟悉的燃油车,夏季开空调油耗也会大幅上升。而冬季开暖风,情况会更加严峻,原因在于:

制暖需求量更大:制暖/冷消耗主要由温差决定,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“电能/动能搬运热量“来实现,也就是“冷泵”。而制暖通常是由“电能转化热量”的PTC来实现,效率低。“电能搬运热量”的“冷泵”应用还不普遍。

燃油车的乘客也怕冷啊,为啥没觉得冬天制暖更耗油呢? 原因在于,发动机工作会产生大量的热,这些热量足以家用小轿车使用了。而电动汽车呢? 工作的时候电池、电机都非常地“冷静”,没有余热可用啊!

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如果发扬阿Q精神,咱们也可以换个角度来理解:电动汽车正是因为能量转换效率高达90%以上,比发动机的20-40%高很多,所以余热才少、所以才需要消耗额外的制暖能量的!这样理解是不是舒服多了?呵呵。

至于电池怕冷,大部分人仅有模糊的、感性的认识,而不清楚具体原理。今天我们稍微花点时间,缕一缕。大家别走,我保证讲得通俗易懂。低温是如何折磨锂电池的?只需要记住以下3点就可以了:

正极才是锂离子的家:当所有锂离子均到达正极,回到家时,它们就不再想动了。也就是,没电可放了。

强迫锂离子背井离乡,就是充电:为了避免成为死肥宅,人们就要“充电”。正负极通电之后,在各种电场力、扩散力、电化学力的作用下,锂离子们背井离乡,离开正极的家,穿越电解液,来到负极暂居下来。也就是,充满电了。

思乡心切,期待放电:锂离子思乡心切,一旦有机会飞奔回正极,回家的过程中伴随着巨大的能量释放,驱动车辆前行。

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那低温下的锂电池,发生了哪些变化呢?

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容量损失:锂离子 “冻住,不许动”。负极的锂离子本来思乡心切,但低温下部分锂离子失去活性(图中黄色圆圈),不愿意出门了。打个比方,本来你在银行有100万元,惹上官司后银行冻结了20万元,这部分就不能使用了。若能证明清白(温度恢复),冻结的20万元还能恢复(电量也能恢复),不会凭空消失。

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放电损失:电解液固化,“归家异途”凶险。温度正常时,锂离子可以顺利地穿过电解液。低温时,电解液变得“粘稠”,甚至“结冰”,锂离子的归家异途就变得凶险了,要费不少力气才能穿过去。具体表现就是内阻增大,本来一度电能跑5公里的,现在只能跑4公里了。

打个比方,这相当于增加了“能量税”,好好的10万元,只买到了8万元的货品;一旦花了出去,再恢复正常温度,这部分损失的能量也回不来了。

低温下锂离子的“归家异途”
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3种不同状态电芯,0度以下内阻显著增加

充电衰减:直观地理解,负极材料的晶格就像蜂巢一样,锂离子来了之后可以“嵌入”进去,英文叫intercalation。在低温下,晶格就收缩了,锂离子“嵌入”变得困难。

所以电池管理系统就自觉地降低充电速度,这就会导致第二天早上也充不满,本来就堪忧的续航,雪上加霜。
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有人说,如果我让BMS在低温下强行加大电流呢,就不能把锂离子给强行挤进晶格吗?答案是,可以是可以,但晶格有可能就“挤破”了,这会造成电池容量的永久性损耗。所以兄弟,心急吃不了热豆腐。

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可以看出来,低温对锂离子电池的伤害是全方位的:一来充电不满,二来放电不顺,三来制暖又非常耗电。这一多管齐下,开流节源,电动汽车冬季续航减半也绝不是很夸张的说法了。那么,有什么应对措施呢?

热泵——提高制热效率

人怕冷,可以忍一忍,“又不是不能用”(狗头笑脸)。当然,为司机与乘客制暖,也并非没有优化空间。例如,设计较小的车型,再如特斯拉的方向盘与座椅加热系统 —— 保证屁股与手不冷,脸上凉点可以忍,这样的话就不太冷的气候下,就没必要开车内制暖了。

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特斯拉座椅加热系统

电池怕冷,那是绝对忍不了的。一般的电加热叫PTC,听起来挺高科技的,其实就是电流通过电阻,根据焦耳定律放热。这种电加热方法,1度电可以转换成1度热,效率较低。

有没有1度电带来更多热量的方法呢?有的,也就是所谓的“热泵”,可以简单地理解为空调制冷的反过程。前两年Bosch都也在推这套系统,在奥迪车型e-tron版本上有使用。

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理论上来说,热泵系统可以用1度电带来3度热,制暖效率达300%。有些家用空调真的能达到这种效率,非常节能。但是,就像发动机特性一样,要想达到如此高的效率,热泵/空调需要稳定的温度、湿度、风速条件(这些都是影响蒸发与冷凝的因素)。

居住空间也许能保证温度、湿度、风速条件的相对稳定,但对于汽车来说,可能一个都保证不了…… 理论效率300%,实际效率也就150%。1度电可以换来1.5度热,当然比PTC要好,但是个人看来也就是半斤八两。对纯电动汽车来说,这种头痛医头、脚痛医脚的方法,并不能从根本上解决问题。


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