德耐隆淺析動力電池低溫導(dǎo)致“趴窩”的原因

　　在冬季，影響電動汽車?yán)m(xù)航里程的關(guān)鍵因素是：室外溫度和空調(diào)能耗。在室外﹣7℃、車內(nèi)保持22℃的情況下，新能源車輛平均續(xù)航里程下降39%，一些不具備電池溫控系統(tǒng)的車輛會下降60%。

　　為什么新能源汽車一遇嚴(yán)寒就“趴窩”？新能源車主們又如何在冬天“拯救”自己的愛車？

　　實際上，動力鋰離子電池是讓新能源汽車冬天“趴窩”的“罪魁禍?zhǔn)住薄Ｓ龅降蜏?，鋰離子電池內(nèi)的正極、隔膜、負(fù)極、有機(jī)電解液等材料性能都會受到影響，導(dǎo)致電池活性降低，充電時間變慢等，進(jìn)而影響電動車的冬季續(xù)航里程。

　　“為什么冬季新能源汽車?yán)m(xù)航里程會縮短？

　　相信大家都有過這樣的體驗：冬季在室外，用手機(jī)刷5分鐘的短視頻，電量就從20%降至5%，甚至“直接罷工”！

　　“怕冷”是所有“鋰電池”手機(jī)的通病，以“三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池”為主動力電池的新能源汽車也不例外。

　　若是北方媒體跑純電續(xù)航測試，這個比例會更低一些。因而我們可以發(fā)現(xiàn)，新能源汽車的真實續(xù)航與外界溫度的相關(guān)性非常強(qiáng)，夏季外界溫度過熱時，動力電池需要降溫，車內(nèi)需要開空調(diào)；冬季外界溫度過低時，動力電池需要加熱，車內(nèi)需要開暖風(fēng)。

　　12月2日，工信部裝備工業(yè)一司，組織召開了“電動汽車低溫應(yīng)對”工作座談會，會議主要討論了該寒冬天氣下，“如何做好新能源汽車技術(shù)維護(hù)和工作預(yù)案”，保障司機(jī)師傅們的正常使用。

　　裝備一司表示，電動汽車“低溫里程衰減”是目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程遇到的“技術(shù)瓶頸”問題，需要統(tǒng)籌兼顧，協(xié)同解決：

　　1. 保障當(dāng)前階段正常使用

　　行業(yè)企業(yè)完善工作預(yù)案，做好“預(yù)警提醒和情況溝通”，及時協(xié)調(diào)解決消費(fèi)者反映的問題。

　　2.持續(xù)提升低溫性能

　　車企、電池企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)等加強(qiáng)工作配合，加大研發(fā)投入力度，提升產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境適應(yīng)性，從根本上解決低溫問題。

　　3.營造良好的產(chǎn)業(yè)環(huán)境

　　工信部將加快能源消耗量標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)的制定發(fā)布，強(qiáng)化產(chǎn)品準(zhǔn)入和生產(chǎn)一致性監(jiān)督檢查，要求企業(yè)按新標(biāo)準(zhǔn)新要求，依法依規(guī)生產(chǎn)銷售。

　　雖然目前冬季電動汽車可能還會遇到些許問題，但在國家相關(guān)部門的重視下，定會得到妥善解決。

　　各方齊心協(xié)力解決“低溫趴窩”問題時，作為司機(jī)的我們，還得做好這些準(zhǔn)備，才能讓自己的車也能愉快“過冬”！同時各大電池廠商也各出奇招使電池包在極寒環(huán)境中也能保證溫度正常。

　　為何需要給電池保溫？

　　當(dāng)前所有新能源車均裝備了鋰離子電池包，包括BEV純電動、PEHV插混、REEV增程、HEV非插混、FCV氫燃料電池，而鋰電池對溫度非常敏感，特別嬌氣，溫度太熱太冷都不爽，它會立刻沒有了理想，不好好充電/放電。

　　一般而言，鋰離子電池的最佳工作溫度在20℃左右，比如MEB平臺的動力電池恒溫就定在23℃。如果電芯溫度因為外界降溫而下降過多，電芯正極材料活性降低，電芯內(nèi)部運(yùn)動的鋰離子數(shù)量下降，正負(fù)極材料中的帶電離子擴(kuò)散運(yùn)動能力變差，電能傳遞速度降低，帶電離子運(yùn)動不順暢，電池充放性能下降。低溫不僅影響充放電的效率，還會因為低溫析鋰生成鋰枝晶，影響電池的循環(huán)壽命甚至讓電池提前報廢。

　　極端低溫-30℃與超低溫-20℃下的放電曲線都非常陡峭，-30℃大約只有SoC 20-60%可用，-20℃大約只有SoC 15-80%可用，電壓變化非常大。

　　由于電池充放電的化學(xué)反應(yīng)會發(fā)熱，所以在非極端低溫環(huán)境中，工作了數(shù)十分鐘后的電池，可以依靠自身發(fā)熱來維持溫和舒適的“體溫”?？墒牵滠噯訝顟B(tài)下的動力電池，根本無法依靠自身發(fā)熱來抵抗外界寒冬，這時候我們就要給電池設(shè)計保溫措施。

　　主流的電池的保溫策略

　　01被動式保溫裝置

　　簡單來說就是電芯、模組、電池包三個層面的殼體本身，以及配套的隔熱保溫裝置。

　　保溫材料必須考慮很多因素，比如必須是熱的不良導(dǎo)體、阻燃性、絕緣性，防水防塵還耐受高溫低溫和材料成本也不能太高，最好重量也要輕巧一些……

　　一般電池包內(nèi)部會放氣凝膠來隔熱，而氣凝膠這玩意就比較有趣了，它是世界上密度很低的固體（低至0.003g/cm2），里頭絕大部分都是氣體，基本能隔絕熱傳導(dǎo)，美國宇航局在90年代就愛上這種新材料。Lyriq那個奧特能平臺也宣傳過自家氣凝膠隔熱材料可以擋住600℃熱浪沖擊。

　　有一種材料叫“德耐隆Telite?”，它是一種由二氧化硅及陶瓷纖維氈復(fù)合制備而成的改性發(fā)泡材料，具有低熱傳導(dǎo)值且抗熱沖擊性優(yōu)異，屬于比較新型的材料。

　　電池包中保溫層布置

　　電池包內(nèi)使用的保溫材料除了導(dǎo)熱系數(shù)低之外，還需具備阻燃、絕緣、柔軟杠高溫和質(zhì)量輕等特點(diǎn)。

　　德耐隆改性耐火保溫隔熱氈復(fù)合材料作為電池包的保溫層，其形狀可根據(jù)實際需求進(jìn)行裁剪加工，由于電池包內(nèi)模組表面形狀不規(guī)整，周邊布置有高壓銅排和低壓線束，因此將保溫層仿形粘貼在下箱體和上殼體內(nèi)壁。

　　新能源汽車的電池包在低溫工況下的加入保溫層設(shè)計，采用德耐隆改性耐火保溫隔熱氈復(fù)合材料作為電池包內(nèi)的保溫材料，通過溫度試驗測試，在-25℃的低溫工況下，裝有保溫層的電池包在降溫速度上明顯比沒有使用保溫材料的要相對減小，對于這個保溫設(shè)計方法在電池包內(nèi)具有較強(qiáng)的適用性， 能夠提高動力電池在低溫環(huán)境地區(qū)的使用性能。

　　特性

　　絕緣電阻：100MΩ（1000v絕緣電阻表）

　　介電強(qiáng)度：≥2000V/min無擊穿，無閃絡(luò)

　　耐火焰1200℃（5分鐘不燒穿）、無粉化無癢

　　符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、在火焰中燃燒時不產(chǎn)生有毒有害氣體

　　技術(shù)指標(biāo)

　　產(chǎn)品密度150kg/m?（GB/T5480-2008）

　　長期服務(wù)溫度 -200℃至1200℃ （GB/T17430-1998；ASTM C 447）

　　壓縮強(qiáng)度（變形10%:≥67kPa；變形25%:≥250kPa）

　　產(chǎn)品憎水率≥98%（GB/T10299-2011）

　　導(dǎo)熱系數(shù)不高于0.02W/m.k（GB/T10295-2008；ASTM C 447）

　　加熱線收縮率＜2%@650℃（ASTM C 356）

　　燃燒等級 A級（GB 8624-2012）

　　02電阻加熱系統(tǒng)

　　“熱得快”用過吧？就是這玩意。

　　不過傳統(tǒng)“熱得快”非常低成本，沒任何防護(hù)裝置，相當(dāng)于拿在小學(xué)生手上的RPG火箭發(fā)射器。動力電池用的電阻加熱系統(tǒng)一般有兩種，常用的叫PTC熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient），是一種電阻隨溫升而激增的半導(dǎo)體電阻（下圖）。

　　另一種是加熱膜，有金屬的或者硅基的，現(xiàn)在還有把導(dǎo)電粒子加入高分子有機(jī)材料里面做加熱膜的。這些薄膜會貼在電芯附近，加熱效果比PTC更加均勻，體積也比較?。ㄖ挥?mm這么薄）。

　　還有一種使用“帕爾貼效應(yīng)”（Peltier effect）的加熱裝置，熱效率更高，但暫時還沒量產(chǎn)。

　　之前有讀者問過，耗電來給電池加熱，續(xù)航不就更低了嗎？

　　問得挺好。前文我們說過電池在超低溫下的充放電性能會降低50%甚至更多，如果我只用5-10%的電量去加熱電池，讓它恢復(fù)30%電量，是不是賺了呢？就是這么個簡單道理，而且加熱系統(tǒng)不需要一直工作的，等溫度差不多了，下半場留給電池工作的自產(chǎn)熱來維持體溫。

　　03液體加熱系統(tǒng)

　　在冬季時,充電時間會明顯變長,車輛行駛過程中動力電池性能大幅度衰減?在某些極端情況下(如氣溫低于-10℃時),由于低溫限制了動力電池允許的充電電流,少量的充電電流帶來的電池自發(fā)熱完全不能使電池升溫到允許大電流充電的要求溫度,動力電池就無法繼續(xù)充電,用戶將面臨車輛無法工作的問題?表1為某款三元動力電池在低溫條件下允許的充電電流限制?可以發(fā)現(xiàn)在環(huán)境溫度為-10℃以下時電池只能以非常低的電流進(jìn)行充電,使得充電完成時間大幅度增加?液體可以帶走熱量（液體冷卻），也可以帶來熱量（液體加熱），因此可以在液冷方案動力電池基礎(chǔ)上改為冷熱兩種溫控系統(tǒng)。

　　常見的動力電池冷卻方式主要有自然冷卻?強(qiáng)制風(fēng)冷和強(qiáng)制液冷?其中自然冷卻由于冷卻效果不佳,主要運(yùn)用在冷卻需求不高的一些磷酸鐵鋰動力電池上?而三元電池由于能量密度高,瞬間發(fā)熱量大,普遍采用強(qiáng)制風(fēng)冷或強(qiáng)制液冷?常見的強(qiáng)制風(fēng)冷或強(qiáng)制液冷冷卻結(jié)構(gòu)如圖4所示,其關(guān)鍵是冷卻介質(zhì)的不同,帶來的冷卻效果差別很大,強(qiáng)制液冷具有更好的冷卻效果,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高?

　　未來，可能還會有浸入式的液體加熱方案量產(chǎn)，熱傳遞效率會更高。

　　04外置熱源加熱

　　外部加熱方法是應(yīng)用最廣泛的一個加熱模式，通過外部熱源加熱電池,重要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。但外部加熱效率很低，所以更多的電力消耗，但也容易出現(xiàn)電池內(nèi)的溫度梯度,從而導(dǎo)致不一致的內(nèi)部電池故障，影響鋰離子電池的使用壽命。

　　比較典型的例子就是威馬EX5可供加裝的“極地電加熱系統(tǒng)”，實則是一臺小型的單缸活塞式內(nèi)燃機(jī)，采用燃效更高的柴油燃料，在-30℃以下的極端低溫溫環(huán)境中非常管用。

　　這套系統(tǒng)的工作流程也是挺簡單的，容量為6L的小油箱裝了柴油，柴油燃燒之后的熱量用來加熱電池液體回路中的液態(tài)介質(zhì)，液態(tài)介質(zhì)加熱電池。如果每天啟動之后需要加熱大約1小時，6L柴油大約夠用1個月多。

　　外置熱源加熱系統(tǒng)的優(yōu)勢是不需要耗費(fèi)電池本身的電量來加熱電池，缺點(diǎn)是造價比較高，不能拆卸，非冬季不使用這套系統(tǒng)時還得一直掛著它走，削減續(xù)航里程。

　　總結(jié)

　　我國幅員遼闊，南北跨越近50個緯度，氣溫差異巨大，北方氣候寒冷，部分地區(qū)1月平均氣溫可達(dá)到-20以下。新能源汽車低溫環(huán)境電池性能衰減已經(jīng)成為了一個較為明顯的痛點(diǎn)。

　　隔熱與保溫是兩個有較強(qiáng)相關(guān)性的獨(dú)立項目，隔熱是安全方面的必須，隔熱性能越強(qiáng)越好；但保溫不是越強(qiáng)越好，高緯度用戶當(dāng)然希望電池保溫性能拉到滿，但低緯度用戶的電池若是保溫太強(qiáng)了，散熱裝置的性能和成本也要隨之上升，不然在夏季就無法順利排熱。

　　保溫隔熱材料具備的基本性能就是熱的不良導(dǎo)體（導(dǎo)熱系數(shù)低），構(gòu)成保溫隔熱材料的分子含有的自由電子越少，其保溫隔熱效果越好。同一種材料通過膨化、纖維化等方法使其表觀比重降低，也可有效增強(qiáng)其保溫隔熱性能。簡單而言影響材料的保溫和隔熱性能因素是其導(dǎo)熱系數(shù)！導(dǎo)熱率越低保溫隔熱效果越明顯。

　　而德耐隆Telite?產(chǎn)品由二氧化硅及陶瓷纖維氈復(fù)合制備而成，產(chǎn)品內(nèi)部具有納米級空隙可以減慢熱傳導(dǎo)，同時通過阻擋三種熱傳導(dǎo)方式（對流，傳導(dǎo)和輻射）來完成耐熱保溫。由于其導(dǎo)熱系數(shù)低（不高于0.02W/m.k），穿選材料的熱量不斷弱化，材料低吸熱性能保持低熱量幅射輸出水平，從而確保降低熱量損耗（或侵入）。