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德耐隆浅析动力电池低温导致“趴窝”的原因

浏览: 发表时间:2023-06-12 14:54:41

在冬季,影响电动汽车续航里程的关键因素是:室外温度和空调能耗。在室外﹣7℃、车内保持22℃的情况下,新能源车辆平均续航里程下降39%,一些不具备电池温控系统的车辆会下降60%。

为什么新能源汽车一遇严寒就“趴窝”?新能源车主们又如何在冬天“拯救”自己的爱车?

实际上,动力锂离子电池是让新能源汽车冬天“趴窝”的“罪魁祸首”。遇到低温,锂离子电池内的正极、隔膜、负极、有机电解液等材料性能都会受到影响,导致电池活性降低,充电时间变慢等,进而影响电动车的冬季续航里程。

“为什么冬季新能源汽车续航里程会缩短?

相信大家都有过这样的体验:冬季在室外,用手机刷5分钟的短视频,电量就从20%降至5%,甚至“直接罢工”!

“怕冷”是所有“锂电池”手机的通病,以“三元锂电池、磷酸铁锂电池”为主动力电池的新能源汽车也不例外。

若是北方媒体跑纯电续航测试,这个比例会更低一些。因而我们可以发现,新能源汽车的真实续航与外界温度的相关性非常强,夏季外界温度过热时,动力电池需要降温,车内需要开空调;冬季外界温度过低时,动力电池需要加热,车内需要开暖风。

12月2日,工信部装备工业一司,组织召开了“电动汽车低温应对”工作座谈会,会议主要讨论了该寒冬天气下,“如何做好新能源汽车技术维护和工作预案”,保障司机师傅们的正常使用。

装备一司表示,电动汽车“低温里程衰减”是目前产业发展过程遇到的“技术瓶颈”问题,需要统筹兼顾,协同解决:

1. 保障当前阶段正常使用

行业企业完善工作预案,做好“预警提醒和情况沟通”,及时协调解决消费者反映的问题。

2.持续提升低温性能

车企、电池企业、研究机构等加强工作配合,加大研发投入力度,提升产品质量和环境适应性,从根本上解决低温问题。

3.营造良好的产业环境

工信部将加快能源消耗量标识标准的制定发布,强化产品准入和生产一致性监督检查,要求企业按新标准新要求,依法依规生产销售。

虽然目前冬季电动汽车可能还会遇到些许问题,但在***相关部门的重视下,定会得到妥善解决。

各方齐心协力解决“低温趴窝”问题时,作为司机的我们,还得做好这些准备,才能让自己的车也能愉快“过冬”!同时各大电池厂商也各出奇招使电池包在极寒环境中也能保正温度正常。

为何需要给电池保温?

当前所有新能源车均装备了锂离子电池包,包括BEV纯电动、PEHV插混、REEV增程、HEV非插混、FCV氢燃料电池,而锂电池对温度非常敏感,特别娇气,温度太热太冷都不爽,它会立刻没有了理想,不好好充电/放电。

一般而言,锂离子电池的***工作温度在20℃左右,比如MEB平台的动力电池恒温就定在23℃。如果电芯温度因为外界降温而下降过多,电芯正极材料活性降低,电芯内部运动的锂离子数量下降,正负极材料中的带电离子扩散运动能力变差,电能传递速度降低,带电离子运动不顺畅,电池充放性能下降。低温不仅影响充放电的效率,还会因为低温析锂生成锂枝晶,影响电池的循环寿命甚至让电池提前报废。

极端低温-30℃与超低温-20℃下的放电曲线都非常陡峭,-30℃大约只有SoC 20-60%可用,-20℃大约只有SoC 15-80%可用,电压变化非常大。

由于电池充放电的化学反应会发热,所以在非极端低温环境中,工作了数十分钟后的电池,可以依靠自身发热来维持温和舒适的“体温”。可是,冷车启动状态下的动力电池,根本无法依靠自身发热来抵抗外界寒冬,这时候我们就要给电池设计保温措施。

主流的电池的保温策略

01

被动式保温装置

简单来说就是电芯、模组、电池包三个层面的壳体本身,以及配套的隔热保温装置。

保温材料必须考虑很多因素,比如必须是热的不良导体、阻燃性、绝缘性,防水防尘还耐受高温低温和材料成本也不能太高,***重量也要轻巧一些……

一般电池包内部会放气凝胶来隔热,而气凝胶这玩意就比较有趣了,它是世界上密度***的固体(低至0.003g/cm2),里头绝大部分都是气体,基本能隔绝热传导,美国宇航局在90年代就爱上这种新材料。Lyriq那个奥特能平台也宣传过自家气凝胶隔热材料可以挡住600℃热浪冲击。

  有一种材料叫“德耐隆Telite®”,它是一种由二氧化硅及陶瓷纤维毡复合制备而成的改性发泡材料,具有低热传导值且抗热冲击性优异,属于比较新型的材料。

 电池包中保温层布置

为了响应相关部门提出的“双碳”战略需求和相关部门发布的《2022年汽车标准化工作要点》。广州市绿原环保材料有限公司打造新能源热防护体系新材料,创新性地推出了“二氧化硅及陶瓷纤维材料”,可承受的温度范围在-200°C至1200°C之间。

社会的发展和新能源政策的相继落实,这意味着,不久的将来,国内的新能源汽车(包括乘用车和商用车),或将安装动力电池热失控探测及灭火装置。

近年来关于锂离子电池引发火灾甚至爆炸事故的报道屡见不鲜。锂离子动力电池在不同的环境温度下表现出不同的特性。高温环境下,动力电池在大倍率充放电过程中会发生剧烈的化学反应,产生大量的热量,如果动力电池产生的热量无法及时疏解会在动力电池内部积累导致动力电池温度升高,严重时可能发生爆炸。

电池包内使用的保温材料除了导热系数低之外,还需具备阻燃、绝缘、柔软杠高温和质量轻等特点。

德耐隆改性耐火保温隔热毡复合材料作为电池包的保温层,其形状可根据实际需求进行裁剪加工,由于电池包内模组表面形状不规整,周边布置有高压铜排和低压线束,因此将保温层仿形粘贴在下箱体和上壳体内壁。

新能源汽车的电池包在低温工况下的加入保温层设计,采用德耐隆改性耐火保温隔热毡复合材料作为电池包内的保温材料,通过温度试验测试,在-25℃的低温工况下,装有保温层的电池包在降温速度上明显比没有使用保温材料的要相对减小,对于这个保温设计方法在电池包内具有较强的适用性, 能够提高动力电池在低温环境地区的使用性能。

目前,市面上部分复合隔热材料的温度上限一般只有650℃,难以达到新能源汽车电池800℃以上的隔热要求。广州市绿原环保材料有限公司的研发团队经过不断地试验及调剂配方,开发出具备阻燃、绝缘、柔软杠高温和质量轻等特点的改性耐火保温隔热毡复合材料---德耐隆Telite®。

德耐隆Telite®改性耐火保温隔热毡复合材料由二氧化硅及陶瓷纤维毡复合制备而成,同时还具备低导热率、低密度、可压缩、可回弹、不掉粉、不掉渣的纯无机材料,承受的温度范围达到-200°C至1200°C,可根据客户的真实环境应用需求,提供节能保温、防火阻燃、隔音降噪等功能的综合解决方案。

由于其导热系数低(不高于0.02W/m.k),穿选材料的热量不断弱化,材料低吸热性能保持低热量幅射输出水平,从而确保降低热量损耗(或侵入)。所以德耐隆Telite®改性耐火保温隔热毡复合材料除应用于新能源汽车电池外,还可用于提高舰艇的动力装置热、声环境控制、隔热防护、减振降噪。同时,该材料广泛应用于石油管道、电子元件、航空航天等领域。

02

电阻加热系统

“热得快”用过吧?就是这玩意。

不过传统“热得快”非常低成本,没任何防护装置,相当于拿在小学生手上的RPG火箭发射器。动力电池用的电阻加热系统一般有两种,常用的叫PTC热敏电阻(Positive Temperature Coefficient),是一种电阻随温升而激增的半导体电阻(下图)。

另一种是加热膜,有金属的或者硅基的,现在还有把导电粒子加入高分子有机材料里面做加热膜的。这些薄膜会贴在电芯附近,加热效果比PTC更加均匀,体积也比较小(只有2mm这么薄)。

还有一种使用“帕尔贴效应”(Peltier effect)的加热装置,热效率更高,但暂时还没量产。

之前有读者问过,耗电来给电池加热,续航不就更低了吗?

问得挺好。前文我们说过电池在超低温下的充放电性能会降低50%甚至更多,如果我只用5-10%的电量去加热电池,让它恢复30%电量,是不是赚了呢?就是这么个简单道理,而且加热系统不需要一直工作的,等温度差不多了,下半场留给电池工作的自产热来维持体温。

03

液体加热系统

在冬季时,充电时间会明显变长,车辆行驶过程中动力电池性能大幅度衰减。在某些极端情况下(如气温低于-10℃时),由于低温限制了动力电池允许的充电电流,少量的充电电流带来的电池自发热完全不能使电池升温到允许大电流充电的要求温度,动力电池就无法继续充电,用户将面临车辆无法工作的问题。表1为某款三元动力电池在低温条件下允许的充电电流限制。可以发现在环境温度为-10℃以下时电池只能以非常低的电流进行充电,使得充电完成时间大幅度增加。液体可以带走热量(液体冷却),也可以带来热量(液体加热),因此可以在液冷方案动力电池基础上改为冷热两种温控系统。

常见的动力电池冷却方式主要有自然冷却、强制风冷和强制液冷。其中自然冷却由于冷却效果不佳,主要运用在冷却需求不高的一些磷酸铁锂动力电池上。而三元电池由于能量密度高,瞬间发热量大,普遍采用强制风冷或强制液冷。常见的强制风冷或强制液冷冷却结构如图4所示,其关键是冷却介质的不同,带来的冷却效果差别很大,强制液冷具有更好的冷却效果,但结构复杂,成本较高。

  未来,可能还会有浸入式的液体加热方案量产,热传递效率会更高。

04

外置热源加热

外部加热方法是应用***广泛的一个加热模式,通过外部热源加热电池,重要特点是结构简单。但外部加热效率很低,所以更多的电力消耗,但也容易出现电池内的温度梯度,从而导致不一致的内部电池故障,影响锂离子电池的使用寿命。

比较典型的例子就是威马EX5可供加装的“极地电加热系统”,实则是一台小型的单缸活塞式内燃机,采用燃效更高的柴油燃料,在-30℃以下的极端低温温环境中非常管用。

这套系统的工作流程也是挺简单的,容量为6L的小油箱装了柴油,柴油燃烧之后的热量用来加热电池液体回路中的液态介质,液态介质加热电池。如果每天启动之后需要加热大约1小时,6L柴油大约够用1个月多。

外置热源加热系统的优势是不需要耗费电池本身的电量来加热电池,缺点是造价比较高,不能拆卸,非冬季不使用这套系统时还得一直挂着它走,削减续航里程。

总结

我国幅员辽阔,南北跨越近50个纬度,气温差异巨大,北方气候寒冷,部分地区1月平均气温可达到-20以下。新能源汽车低温环境电池性能衰减已经成为了一个较为明显的痛点。

隔热与保温是两个有较强相关性的独立项目,隔热是安全方面的必须,隔热性能越强越好;但保温不是越强越好,高纬度用户当然希望电池保温性能拉到满,但低纬度用户的电池若是保温太强了,散热装置的性能和成本也要随之上升,不然在夏季就无法顺利排热。

保温隔热材料具备的基本性能就是热的不良导体(导热系数低),构成保温隔热材料的分子含有的自由电子越少,其保温隔热效果越好。同一种材料通过膨化、纤维化等方法使其表观比重降低,也可有效增强其保温隔热性能。简单而言影响材料的保温和隔热性能因素是其导热系数!导热率越低保温隔热效果越明显。

而德耐隆Telite®产品由二氧化硅及陶瓷纤维毡复合制备而成,产品内部具有纳米级空隙可以减慢热传导,提供***的热传导值,抗热冲击性优异。由于其导热系数低(不高于0.02W/m.k),穿选材料的热量不断弱化,材料低吸热性能保持低热量幅射输出水平,从而确保降低热量损耗(或侵入)。


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