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【智能终端】电动汽车低温续航问题谁来解决?

来源:中国电子报    原作者:张依依    

图片电动汽车开到一半就没电,踩下油门也没劲儿,为了省电不敢开暖风,车主裹着羽绒服在车里依然瑟瑟发抖……近期,全国气温骤降,电动汽车车主们也经历了由电动车电池带来的种种“苦难”。事实上,电池在低温下的续航折损一直都是车主们冬日里最担心的问题。在低温环境下,如何解决续航难题是电动汽车领域未来重要的攻关方向之一。

低温掉电现象频发

“天冷为省电不敢开暖风,电动汽车出租车司机放毛毯于后座供乘客御寒”“电动汽车车主上班路上疯狂找充电桩补电”……一直以来,低温掉电都是电动汽车在冬季逃不过的“劫难”,电动汽车续航难问题在低温天气下屡次引发热议。为什么一到冬天,平时一路畅通的电动汽车就出现了“瘫痪”现象,电池掉电如此严重?

记者通过采访了解到,电动汽车电池在低温下出现性能衰减问题,主要与锂离子电池的特性有关。目前,市面上在售的电动车电池技术主要分为两种,分别为三元聚合物锂电池以及磷酸铁锂电池。在低温环境下,电动汽车的锂离子电池会受温度影响,出现性能衰减问题,具体表现为低温环境下电池电量骤减,续航能力大幅缩水。

欣旺达电池系统研究院院长陈斌斌向《中国电子报》记者解释道,低温环境会使得锂离子电池内部活性物质的活性降低,由此导致电池的内阻升高,这必然会降低电池的功率输出和充电能力。过低的电池功率能力无法满足驾驶的需要,所以在不考虑加热能耗的情况下,电池的续航里程也就下降了。

电动汽车电池遇冷后会出现“乏力”现象已是客观事实,因此很多产品都被开发出来,以更好地为电池保温。据了解,市面上大多数电动车产品都会设计电池保温功能。以大家熟知的“电池保护者”——BMS系统为例,当电池工作温度过低时,电池管理系统(BMS)会将一部分电力转化为热能,为整个电池组进行加热。赛迪智库电子信息研究所副所长余雪松告诉记者,BMS系统主要采取热管理系统,用电加热、外部能源加热两种模式为电池保温。

“在具备相应功能的前提下,BMS系统可以启动电池加热功能,用一部分能量来提高电池的温度,以改善电池的功率性能。”陈斌斌也谈道。

显而易见,在为电动车电池保温这一点上,BMS系统还存在不完善之处。余雪松指出,BMS系统的最大问题体现在两方面。一是系统在电加热模式下,加热过程需要消耗动力电池的电量;二是系统的算法模型有待提升。目前系统对动力电池的衰减速度预估不准确,使预期续航里程远低于实际行驶里程,导致部分消费者使用新能源汽车时出现“趴窝”现象。

业界聚焦低温电池研发

虽然BMS系统在为电池保温方面还存在一定问题,但低温条件下电池性能的衰减不应完全归咎于BMS系统。陈斌斌认为,低温环境下电池的不佳表现与电动汽车整个系统的设计理念有着极强关联。他表示,低温条件下,整车除了电池能放出来的能量减少以外,轿厢、座椅、电池等加热能耗也大幅增加,这占用了部分功率,也加重了电池的负担,所以低温下电动汽车很容易“瘫痪”。

那么低温环境下,该如何解决电动汽车电池电量衰减、续航能力大幅下降的痛点?对此,相关企业、高校和研究机构做出了很多努力,并取得了相应进展。

余雪松表示,为解决低温下电池性能衰减问题,多数企业同时采取了两方面措施。一方面是增加热管理系统,通过电加热、外部能源加热方式为动力电池加热,以提高电池活性。

大部分企业采用了电加热方式,如特斯拉Model S、Model X和Model 3使用了电阻丝供暖管理系统,而最新上市的Model Y则采用了热泵供暖管理系统。余雪松表示,这种方式简单,操作方便,但耗电量大。相比之下,以威马为代表的企业则采用了柴油加热方式,这种方式需要额外增加柴油加热系统,占用空间,需补充柴油,操作较为繁琐。

在增加热管理系统的同时,企业采取的另一种措施是优化算法。优化电池管理系统,对电池电量的动态进行精准监测,能够更好地控制加温手段,以提高里程预测的精确程度。

高校、科研机构和部分企业则更多地将目光放在了低温电池的研发上,就低温条件下,如何提升电池性能得出了一些研发结论。余雪松介绍,在材料改性方面,可通过多种手段优化正负极材料,改善导电性,以提高低温条件下锂离子电池的脱嵌能力;在开发低温电解液体系方面,可采取“添加剂”方式;在电芯设计方面,可设计出全天候电芯,即在电芯中增加自加热功能。“但需要注意的是,添加自加热功能同样会消耗电芯的电量,因此具备该功能的产品目前尚未得到大规模应用。” 余雪松说。

值得一提的是,目前,宁德时代已将“材料改性”作为提升电池性能的研发重点之一。宁德时代公布的锂离子电池包专利对正负极材料进行了创新改进,使这种锂离子电池在低温低SOC条件下的功率、工作能量效率、低温容量和能量保持率等关键性能得到了显著提高。

核心技术攻关迫在眉睫

电动汽车的低温使用问题关乎广大消费者的切身利益,因此加强技术攻关,以提升电动汽车低温行驶性能、改善用户体验,是目前电动汽车产业发展的重中之重。未来,无论是电动汽车电池本身,还是为电池保驾护航的BMS系统,乃至电动汽车的整个系统,都存在很多需要完善的地方。

优化系统的SOC算法,并提升系统预测车辆行驶里程的精准性,是BMS系统亟待提升的两个主要方面。除此之外,余雪松认为,就BMS系统而言,还应提升电加热系统的性能,如采用发热效率更高的加热材料和采取隔热保温措施等。

从电动汽车电池的角度来看,开发在低温条件下也能够正常工作的动力电池,无疑是现阶段的当务之急。余雪松认为,电芯企业、高校和研究机构应着重开发能够适应低温环境的动力电池,还可以采用能耗更低的电池保温方式,如使用发热材料等。

在相关材料的使用方面,余雪松补充道,新材料的开发可以削弱低温对电池续航带来的影响。他表示,电池新材料的开发是避免低温对电池续航不利影响的根本手段。据悉,比亚迪、中航锂电、麦克赛尔等很多企业都在开发低温电池,低温电池也在部分领域得到了应用。

但需要看到的是,低温电池只是在一定程度上提升了寒冷天气下电池的性能,无法完全消除低温对电池性能的不利影响。此外,由于低温电池的价格较高,目前低温电池还没有真正应用于电动汽车领域。

电动汽车在冬季低温条件下出现的掉电快、续航难问题与车辆的整个系统的设计高度相关,因此只攻克电动车电池或BMS系统中存在的问题,并不足以完全避免低温条件下电动汽车的“瘫痪”现象。陈斌斌认为,要想真正解决冬季电动汽车面临的种种难题,还需从结构热设计、热管理策略设计、极低温快速加热设计、高效率热泵应用等多方面进行考量,以提出综合全面的解决之道。

业内人士认为,车辆里程测试办法的优化与完善可以更好地反映电动汽车电池的状况,一定程度上也能够推动电池续航问题的解决。在接受采访时,一位电动汽车用户向记者表达了自己的心声。他呼吁,有关部门应进一步优化电动汽车的车辆里程测试办法,通过更有效的测评手段来体现电动汽车的实际续航里程。此外,对高温环境和低温环境下的最高续航里程进行标注,也能够给汽车厂商、电池厂商和用户等提供更多参考。

封面图片来源:CATL