不可否认的是,虽然各类电池技术路线已是五花八门,但在相当长的时期内,锂电池仍将是绝对主流的EV驱动方式。在此前提下,锂电池仍存在不断提升的空间,包括面对低温环境的解决方案。
受到材料性能制约,动力电池在低温环境放电容量严重衰退,充电也会变得非常困难。加热本是解决低温难题的有效途径,但电驱系统不像内燃机,后者热效率只有40%左右,有大量「余热」可以利用;而前者的电能利用率可达90%,所产生的余热不足以给空调或电池加热。
钠离子电池、氢燃料电池等其它路线虽然受此影响较小,但目前还远不能撼动锂电池的地位。而被业界普遍认为是下一代技术的固态电池,受温度影响更加严重,现有固态电解质在60℃以上才能具备较好的电导率,所以研发更高效的电池加热系统,成为了现在及未来的必然需求。
目前,低温条件下的解决方案包括电池脉冲自加热、PTC加热、燃油加热等多种方式,技术层面也互有优劣。
「PTC加热器」成本低、效果好,
正温度系数材料具备一种自调节温度的能力:随着环境或加热器温度降低,其电阻会随之减小,低温时可以用更大的功率制热;温度升高后电阻增大,电流变小,减缓产热。
这使得PTC加热器消除了过热的可能性,同时还有表面加热均匀,无需使用诊断、恒温器或控制单元等特点,也因此减少了故障和保养问题。
即便如此,PTC加热器作为比燃油车空调「多出来」的设备,仍然给电动汽车带来了不小的额外成本,这也促使它经济性的重要程度大增,最终压到上述缺点,成为当前应用范围最广的方案。小鹏、吉利、北汽新能源、通用等品牌的纯电动车型,基本都采用PTC加热,连售价不低的奔驰EQC也是一样。
但电能对于电动汽车来说至关重要,「技术派」们总是不太考虑成本,而是想要寻找一项更节能高效的加热方案。如何能像燃油车暖风一样,将其它地方的热量「搬运」进电池,就变成节能的有效途径,这也就是目前热门的热泵技术。
「热泵」1份电可搬4份热,
热泵原是被中高端家用空调广泛应用的技术,热泵不产生热量,而是充当「热量的搬运工」。正常环境下,它仅消耗少量的逆循环净功,即可迫使3-4倍的热能从低温物体流向高温物体。
热泵系统可以兼顾制热和制冷两种工况。通过换向阀,车内蒸发器在制热模式下将发挥冷凝器的功用,相应的车外冷凝器在制热模式下也将被用作蒸发器。
马勒热管理事业部前期开发总监Laurent Art称:「马勒集成式热管理系统可将车辆的续航里程数提升7%-20%,具体增幅因车型的具体设计而异。」
在电动车上,热泵被赋予的更多任务,不仅是给电池或车内加热,还是平衡各个系统温度的高效途径。而且,即使是低温环境下,电池可能也仅需在前期加温,到达一定温度后还需要散热,这对热管理技术提出了很高要求。
比亚迪e平台3.0采用的热管理系统也与之类似,官方宣称可充分利用环境、动力总成,甚至乘员舱和动力电池的余热,实现-30℃到60℃的宽域工作温度,将冬季续航里程最大提升20%。
但作为热量的搬运工,热泵效率往往由环境决定,有专家指出:「虽然利用热泵空调给驾驶室加热的效率比电阻加热好,但对外界空气的依赖程度较高。」
热泵的搬运效率通常在-10℃就会受到明显影响,尽管电动车热管理系统打通更多搬运途径,但极寒情况下仍不足以提供充足的热量。所以这种情况下,出现了两种解决方式:降低电机效率增加废热产生,利用PTC辅助加热。
电动机效率通过达到90%,这也导致其废热不足以带动车内和电池升温。所以,特斯拉和比亚迪都采取了一种软件控制手段,让其「降低效率」产生更多废热,具体功率还可以根据驾驶员需求实时变化,以及车内、空调、电池温度,实时调整。
热泵是比PTC更被看好的加热技术,但因为更高的成本和技术门槛,让它没有得到迅速普及。「如果热管理技术不过关,使用热泵反而会增加电池能耗。」国内某车企工程师表示,「在电动车领域,里程焦虑和冬季里程衰减是相当长一段时间的现实,热泵对节能的贡献是最大的。」
低温性能正在成为锂电池的技术瓶颈
在热泵技术成为主流方向之前,脉冲电流加热也是一种常被提及的方案。该方案以不连续的大电流放电,通过锂电池内部欧姆阻抗产生的热量,实现对电池的预热。
北京理工大学Shujie Wu(第一作者)等人在SCI期刊Journal of Energy Storage发表的论文中提到,如果要满足快速升温的要求,大电流放电将导致电池的极化较大,因此会导致电池容量衰降速度的增加。
「子组电池之间的充放电必须要在电池之间引入电势差,这种电势差的引入也会对BMS提出新的要求。」一位电池研发工程师对此表示,「此外,还需要考虑这种内阻发热消耗是不是会影响电池寿命。」
但这是因为该加热系统并非依靠电能工作,与PTC加热器和热泵并没有实际的对比意义,而其在环保方面的影响、是否违背电动化的本质,以及是否会因补充柴油带来额外负担,还存在不小争议。