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动力电池跨过“低温”还需几道坎?

北极星储能网  来源:高工锂电  作者:陈婷  2021/2/1 9:10:48  我要投稿  

北极星储能网讯:业内的一致判断是,电动汽车低温性能差通过电池技术及提升整车节能水平可以缓解,低温问题并不会成为阻碍电动汽车规模化的致命弱点。

续航缩水一半、不敢开空调、充不进电、趴窝……冬季低温使用问题频发,让电动汽车被调侃为“电动爹”。

这个冬季伴随保有量快速增长的还有,电动汽车低温问题愈发凸显,成为掣肘电动汽车规模推广的难题,也受到了政策层面的高度关注。

(来源:微信公众号高工锂电;ID:weixin-gg-lb;作者:陈婷)

1月8日,工信部副部长辛国斌主持召开电动汽车低温使用问题研讨会,呼吁整车与电池企业加强技术攻关;仅半个月后,工信部再度回应电动车低温“趴窝”问题,并对相关企业提出了三大要求,解决用户低温使用难题。

一是要求汽车企业加强售后服务,及时解决用户诉求;二是支持整车企业和电池生产企业加强技术攻关,提升电动汽车低温行驶性能,改善用户体验;三是明确低温环境产品性能和技术要求,加强产品准入和生产一致性检查。

电动汽车出现低温趴窝的本质原因是,环境温度过低时,电解液粘度增大甚至部分凝固,锂离子拖嵌运动受阻,电导率降低,最终引起容量减少。同时制热比制冷能耗更大,动力系统效率降低,如制动能量回馈功能基本丧失,滚动阻力增大等。此外,续航里程精准度下降,引发消费者续航焦虑等。

如气温从25℃下降至-20℃,汽车动力电池所能释放的电量会降低30%,与此同时,充电所需的时间也将增加。尤其在车辆使用空调时,纯电动汽车续航里程至少下降17%。而磷酸铁锂电池低温性能较三元电池更差,冬季续航打折问题尤为显著。

针对电动汽车低温使用难题,中国科学院院士欧阳明高给出的建议是,一是电池热管理系统效能优化,包括PTC加热器、热泵空调、电机激励加热等;二是,面向冬季工况的动力系统能量综合利用,包括回收电机运行的废热,进行电池加热;三是,充电场景下,电池的插枪保温及脉冲加热。

这三个建议也是主流主机厂与电池企业在低温技术上攻关的主要方向。

当前,针对电池加热,主流的是采用PTC加热,但存在的问题属于外部加热会损耗电池能量;热泵空调以及BMS热管理系统是主机厂首推解决方案,包括特斯拉、广汽等均采用的热泵空调,但存在极低温热泵效能有待进一步难题;电机静止时通过电机线圈和电池组成回路对电池加热也是不错的方案,但加速速率较低,技术有待改进。

业内还在研发电池单体的自加热技术,包括在电池内部增加电阻较大的金属片,或通过电学方面的特性设计,实现快速加热。

在电池材料探索上,业内的实践是,增强动力电池正极材料表面的导电性、改变电解液的成分减小离子在电解液中运动的阻力、增加电池隔膜的孔隙率等方式,改善电池在低温条件下的性能,提高低温环境下的电导率。

目前,包括宁德时代、鹏辉、力神等电池企业均在探索材料改性改善电池低温性能。如宁德时代以磷酸铁锂和石墨分布作为电池的正负极活性物质,同时复合集流体采用有机材料,具备较高的循环性能和安全性能,并有效改善磷酸铁锂电池在低温下动力学性能较差的缺点。

业内的一致判断是,电动汽车低温性能差通过电池技术及提升整车节能水平可以缓解,低温问题并不会成为阻碍电动汽车规模化的致命弱点。

基于此,高工锂电梳理了9家主流主机厂及电池企业电动汽车低温性能解决方案及技术进展,以供行业参考。

整车领域

特斯拉:Model 3的思路是通过电机线圈绕组,利用电驱系统的废热,像传统燃油车用发动机余热给乘员舱供暖一样,使其即用于车辆驱动,又用于产生额外的热量加热电池。

其对电池加热原理,是利用压力泵开关循环水加热,通过把电池冷却回路和电机回路串联起来。其中控制阀很关键,改变冷却液的流动路径。冷却时,电池和电驱冷却系统互不影响。加热时,调整电池阀,将电池冷却回路和电机冷却回路串联起来。

广汽埃安:引进了电装热泵系统平台,研发热泵双层流空调技术,搭载该技术的埃安车型,在0℃环境下,每小时能耗可降低1.5kWh以上,助力冬季续航最大提升80km。

此外,埃安搭载第四代BMS,通过液冷式智能温控,为冬季用车需求提供加热、余热回收和远程电池预热3种工作模式,当电芯温度偏低时,HVH智能高压液体加热器会介入快速加热,而低温时系统会将电驱余热引入为电池保温;并能实现APP远程控制提前为电池保温。

北汽新能源:着手研发超低温冷启动和全气候电池,以及第四代IBTC电池热管理技术。

超低温冷启动的原理是利用低温下电芯内阻增大的特性,通过高频大电流脉冲充放电实现快速加热效果;全气候电池则是通过给电芯间镍片通电生热的方式,快速向电芯传热使其升温。

第四代IBTC电池热管理技术——干湿分离热管理技术,可以将系统温差减少50%,40℃以上的高温极限工况下系统温差控制在6℃以内。

威马:推出全天候电池包恒温热管理系统,通过独立液冷设计、PTC电加温系统、零下30℃极地加温系统,将电芯温度更加稳定地控制在高效、安全的温度区间。

此外,针对极寒温度,威马系统还增加外部热源同时对电池包和座舱加热,降低冬季空调的能耗,但要增加一套燃油加热机构,会增加系统设计的复杂性及成本。

现代起亚:现代起亚通过热泵系统在低温环境最大限度提升纯电动车续航,目前已被用于现代和起亚的全球电动汽车中。

该系统由压缩机、蒸发器及冷凝器组成,原理是通过吸收汽车电子组件释放的余热,实现循环再利用。据悉Kona电动车在挪威冬季的续航可以达到WLTP工况的90%。

电池领域

宁德时代:电池内部快速自加热技术,利用脉冲电流所释放的热能对电池加热,可达到2℃/min的加热速率,整个加热过程中电芯温差不超过4℃。使用电池6%左右的能量,15分钟从-20度提升到10度。

此外,宁德时代将材料改性作为提升电池性能的研发重点之一。其2019年5月申报的锂离子二次电池专利信息显示,其以磷酸铁锂和石墨分布作为电池的正负极活性物质,同时复合集流体采用有机材料,具备较高的循环性能和安全性能,同时有效改善磷酸铁锂电池在低温下动力学性能较差的缺点,具有良好的低温电化学性能。

鹏辉能源:自主研发的铁锂低温超导技术——LTSC,磷酸铁锂电池实现-20℃ 低温放电保持率91%;-20℃ 低温充电不析锂。

其实现路径主要是,一是材料结构突破,通过包覆、掺杂提高材料自身的导电性,降低材料一次粒子粒径,减少离子扩散路径,并设计合适二次粒子粒径,以及与一次粒子的复合比例提高材料的压实和低温性能;二是通过双锂盐、多溶剂复配,实现高电导、宽温程解液的开发;功能添加剂,专属化成工艺结合,构建高稳定低阻抗SEI膜;

三是开发新型多功能粘结剂,增加粘结性,同时增加导电性;创新导电剂复配技术,构建了三位立体的高速导电网络,显著提高铁锂低温性能;四是低阻抗极片结构,增加导电集流体截面积,降低电流密度;降低电流传导产热,增加耐流特性。

比亚迪:刀片电池采用“无模组”结构,让加热管路进入到一块加热大平板中,用大平板给所有电池电芯加热,加热效率更高更均匀,电芯温度一致性好,有利于放出更多电;同时不断降低车辆风阻,采用适宜冬季工况的低黏度油脂等措施。

此外,刀片电池上下均配备保温层,将电池包与底盘融为一体,并在电池包与车身缝隙填充保温发泡材料,提升电池保温性。搭载刀片电池的汉EV-20℃下城市工况,电池包的加热用电量能减少70%。

力神电池:通过增加电阻提高电池工作中的发热量或降低电池的散热性能,应对冬季低温天气,同时通过液冷系统应对夏季高温环境下电池温度过高的风险隐患。

力神电池正加快对单体电池的正极材料、电解液等进行特别设计,并积极与高校合作研发电池的自加热技术,同时做好电池包的集成化设计,兼顾温度控制系统和电池效率平衡。


原标题:动力电池跨过“低温”还需几道坎?

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