冬天電池更需要保暖?來看看會“自熱”的電池技術

2022-05-04 03:18:51 作者:gaozijian

  【太平洋汽車網 技術頻道】人類自從發現并開始使用電力之后,對于電力使用的焦慮就一直存在,即便是用于儲存電能的電池出現,也只是稍微減緩了這種焦慮。就像現在全球火熱的電動車一樣,即便是有新鮮的體驗,但依舊無法避免電池續航帶來的焦慮。

  電池對于電動車的直接影響,也使得各大新能源廠商以及電池供應都絞盡腦汁去推進增加續航的方法。不過無論是物理上的堆電池方案,還是改變電池電解質組成元素,甚至改變物質形態的方法,在低溫面前,這些電池的續航甚至都不能呈現出一個正常的狀態,怎樣能夠讓電池在低溫下保溫與升溫,成為了對抗這個“電池殺手”的關鍵。

 
微核高頻脈沖加熱技術

  在研發以及使用電池的過程中,我們已經知道了,電池是有一個正常的工作溫度區間,而在低溫環境下電池的實際使用效果將會大打折扣,所以在這種環境當中電池就需要一個很好的熱管理來為它保溫。

  在4月21日,長安汽車旗下長安深藍品牌舉辦了深藍技術分享會,在會議上長安公布了一項名叫“微核高頻脈沖加熱技術”。

  單聽這個名字,就知道這項技術肯定是針對電池熱管理系統的,尤其是有脈沖加熱這個字眼在??椿亻L安這次公布的這項技術,實際上它的想法并不復雜,在加熱這個大前提條件不變的情況下,讓電池包的升溫更加迅速且均衡,以便讓電池包在低溫條件下盡快達到合適的工作環境。


寧德時代專利 CN 108711662 B脈沖加熱裝置

  原理方面其實是基于此前寧德時代公布的一項專利技術拓展開來的,這項專利就是利用了低溫導致內阻增大的特性,通過在電池兩端加裝可以產生振蕩電流的裝置,使電流經過內阻很大的電芯,從而讓電池內部產生大量的熱量,最終讓電池溫度快速升高。

  雖然這樣的加熱方式能夠讓寧德時代的電池組達到4℃/min的升溫效率,但這種頻繁讓電流從正極向負極流經的方式,很容易讓鋰電池當中的鋰離子,在負極上還原過程中形成樹枝狀金屬鋰單質,也就是“鋰枝晶”。“鋰枝晶”生長到一定程度輕則影響電池容量,重則造成鋰電池內部短路,嚴重威脅人身安全。

  因此為了避免由于頻繁的過電造成電池負極出現鋰枝晶的情況,長安在寧德時代這個技術的基礎上,對這項技術稍微進行了改進,選擇用交流電給電池組產生電流加熱。

  為什么一定要提及是交流電呢?此前的電池自加熱技術,產生的電流都為直流電。按照物理定義,在單位時間內電流的大小和方向不發生變化的稱為直流電,再看回“鋰枝晶”的的產生條件,在放電過程中負極來不及處理鋰離子導致出現金屬鋰單質。

  需要喘息時間的電池負極,面對直流電恒定的輸出,很容易到達極限,之后就容易出現“鋰枝晶”,所以為了減弱這種“一成不變”,需要給負極一些喘息空間,而在單位時間內電流的大小和方向不斷發生周期性變化的交流電就較為合適負責這項工作。

  交流電并不像直流電一樣一直保持恒定數值,它會一直保持正值-0-負值-0-正值的周期性變化,也正是因為交流電這種非恒定的特性,能夠讓電池負極減少負擔,從而減輕產生鋰枝晶的幾率。

  同時長安在會議上也提到了功率半導體IGBT(絕緣柵雙極型晶體管),IGBT是一個非通即斷的開關,它沒有放大電壓的功能,導通時可以看做導線,斷開時當做開路。再加上電機以及BMS系統配合工作,就可以實現隨機高頻率的電流充放切換,進一步的減少鋰枝晶這種情況的出現。

  長安官方公布的深藍C385動力電池組,可以在零下30℃的環境溫度中保持4℃/mini的升溫速率,在零下30℃的環境溫度中可以提升50%的動力表現以及縮短15%的充電時間。從數據來看,改進后的“電池自加熱”技術不僅效率更高,還具備了更持久的電池壽命,這對于在低溫地區的用戶而言是相當好的消息。

 
電池:我也需要“暖寶寶”

  目前市面上較為主流的電池種類,可以按照元素類型分為兩種,即三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池,這兩者最大的區別就是使用的電池正極材料不同。

  磷酸鐵鋰電池是采用磷酸鐵鋰(LiFePO4)作為正極材料。它的優點是在高溫條件下或過充時安全性非常高,缺點是在低溫條件下(氣溫低于-10℃以下),磷酸鋰電池衰減得非???,經過不到100次充放電循環,電池容量將下降到初始容量的20%,基本與寒冷地區的使用絕緣了。

  三元鋰電池是采用鎳鈷錳酸鋰(Li(NiCoMn)O2,NCM)或鎳鈷鋁酸鋰(NCA)三元正極材料的鋰電池,把鎳鹽、鈷鹽、錳鹽作為三種不同的成分比例進行不同的調整,所以稱之為“三元”,像寧德時代的NCM811就是指鎳、鈷、錳三者配比為8:1:1的三元鋰電池。

  三元鋰電池的優點是高能量密度,同為寧德時代出品,它旗下的磷酸鐵鋰電池能量密度為178Wh/kg,而NCM523為200Wh/kg,NCM811更是達到了240Wh/kg。在低溫方面-30℃條件下三元鋰電池也可保持正常電池容量,更適應北方低溫地區的使用條件。缺點是在高溫條件下,三元鋰電池的三元材料會在200℃時發生分解,在高溫作用下極易發生燃燒或爆炸的現象。

  上述的兩種電池,雖然材料以及優缺點有所不同,但從微觀的角度講,兩者的工作原理同樣是鋰離子在正負極之間來回遷移的過程。

  在低溫環境下,電池的正負極材料活性降低,同時充當橋梁的電解液導電能力也下降,因此電池在充放電時,內部會產生阻力,它被稱為內阻。電池內阻增大,在電池正常使用過程中,就會產生大量焦耳熱引起電池溫度升高,實驗表明環境0℃以下時,溫度每下降10℃,內阻約增大15%。

  受到了內阻的阻礙,想要發力卻只能導致電池過量放電,電能不斷的轉換為熱能,不僅電量下降、沒辦法正常輸出功率,還容易對電池的安全性產生影響,這一切的結果都是因為低溫環境造成的。

  為了解決這個問題,除了上面我們提到最新的“脈沖自加熱”技術外,其實供應商以及廠家都做了很多“保暖”的措施。


PTC元件


加熱膜

  目前有幾種常見的方案,第一種是大多數純電車型選擇的PTC與加熱膜,這一種方案的想法是通過外部電熱元件發熱,提高電池溫度。PTC有水暖與風暖兩種,水暖通過PTC加熱冷卻液,再和散熱器進行熱交換,風暖是開啟暖風后,冷空氣直接和PTC進行換熱,最終吹出暖風。而加熱膜則像是給電池蓋上一層導電加熱的被子,但這兩者的缺點都比較明顯,PTC容易造成受熱不均,并且占電池艙的空間,而加熱膜由于安全的關系,整體的造價不低,并且實際的加熱效率也不高。

  另一種方案是液冷循環系統,它像是給電池包額外加一套暖氣上去,通過加熱冷卻液來獲得一個較為長效的熱源。還有一種方案是熱泵空調,整個原理像是強制抽取大氣熱量轉換進車里的樣子,但當環境溫度過低的時候熱泵容易失效,所以特斯拉也做了一個“魔改”,除了抽取外界空氣的熱量外,還收集動力電池系統、驅動系統以及PCS功率電子產生的余熱,整套系統依靠八通換向閥進行復雜的熱量汲取,以此提高熱泵空調總體的效率。

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