冬天電池更需要保暖？來(lái)看看會(huì)“自熱”的電池技術(shù)

　　【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)頻道】人類自從發(fā)現(xiàn)并開始使用電力之后，對(duì)于電力使用的焦慮就一直存在，即便是用于儲(chǔ)存電能的電池出現(xiàn)，也只是稍微減緩了這種焦慮。就像現(xiàn)在全球火熱的電動(dòng)車一樣，即便是有新鮮的體驗(yàn)，但依舊無(wú)法避免電池續(xù)航帶來(lái)的焦慮。

　　電池對(duì)于電動(dòng)車的直接影響，也使得各大新能源廠商以及電池供應(yīng)商都絞盡腦汁去推進(jìn)增加續(xù)航的方法。不過無(wú)論是物理上的堆電池方案，還是改變電池電解質(zhì)組成元素，甚至改變物質(zhì)形態(tài)的方法，在低溫面前，這些電池的續(xù)航甚至都不能呈現(xiàn)出一個(gè)正常的狀態(tài)，怎樣能夠讓電池在低溫下保溫與升溫，成為了對(duì)抗這個(gè)“電池殺手”的關(guān)鍵。

　　在研發(fā)以及使用電池的過程中，我們已經(jīng)知道了，電池是有一個(gè)正常的工作溫度區(qū)間，而在低溫環(huán)境下電池的實(shí)際使用效果將會(huì)大打折扣，所以在這種環(huán)境當(dāng)中電池就需要一個(gè)很好的熱管理來(lái)為它保溫。

　　在4月21日，長(zhǎng)安汽車旗下長(zhǎng)安深藍(lán)品牌舉辦了深藍(lán)技術(shù)分享會(huì)，在會(huì)議上長(zhǎng)安公布了一項(xiàng)名叫“微核高頻脈沖加熱技術(shù)”。

　　單聽這個(gè)名字，就知道這項(xiàng)技術(shù)肯定是針對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的，尤其是有脈沖加熱這個(gè)字眼在。看回長(zhǎng)安這次公布的這項(xiàng)技術(shù)，實(shí)際上它的想法并不復(fù)雜，在加熱這個(gè)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(dá)到合適的工作環(huán)境。

寧德時(shí)代專利 CN 108711662 B脈沖加熱裝置

　　原理方面其實(shí)是基于此前寧德時(shí)代公布的一項(xiàng)專利技術(shù)拓展開來(lái)的，這項(xiàng)專利就是利用了低溫導(dǎo)致內(nèi)阻增大的特性，通過在電池兩端加裝可以產(chǎn)生振蕩電流的裝置，使電流經(jīng)過內(nèi)阻很大的電芯，從而讓電池內(nèi)部產(chǎn)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(shí)代的電池組達(dá)到4℃/min的升溫效率，但這種頻繁讓電流從正極向負(fù)極流經(jīng)的方式，很容易讓鋰電池當(dāng)中的鋰離子，在負(fù)極上還原過程中形成樹枝狀金屬鋰單質(zhì)，也就是“鋰枝晶”。“鋰枝晶”生長(zhǎng)到一定程度輕則影響電池容量，重則造成鋰電池內(nèi)部短路，嚴(yán)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(fù)極出現(xiàn)鋰枝晶的情況，長(zhǎng)安在寧德時(shí)代這個(gè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)稍微進(jìn)行了改進(jìn)，選擇用交流電給電池組產(chǎn)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(shù)，產(chǎn)生的電流都為直流電。按照物理定義，在單位時(shí)間內(nèi)電流的大小和方向不發(fā)生變化的稱為直流電，再看回“鋰枝晶”的的產(chǎn)生條件，在放電過程中負(fù)極來(lái)不及處理鋰離子導(dǎo)致出現(xiàn)金屬鋰單質(zhì)。

　　需要喘息時(shí)間的電池負(fù)極，面對(duì)直流電恒定的輸出，很容易到達(dá)極限，之后就容易出現(xiàn)“鋰枝晶”，所以為了減弱這種“一成不變”，需要給負(fù)極一些喘息空間，而在單位時(shí)間內(nèi)電流的大小和方向不斷發(fā)生周期性變化的交流電就較為合適負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作。

　　交流電并不像直流電一樣一直保持恒定數(shù)值，它會(huì)一直保持正值-0-負(fù)值-0-正值的周期性變化，也正是因?yàn)榻涣麟娺@種非恒定的特性，能夠讓電池負(fù)極減少負(fù)擔(dān)，從而減輕產(chǎn)生鋰枝晶的幾率。

　　同時(shí)長(zhǎng)安在會(huì)議上也提到了功率半導(dǎo)體IGBT(絕緣柵雙極型晶體管），IGBT是一個(gè)非通即斷的開關(guān)，它沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線，斷開時(shí)當(dāng)做開路。再加上電機(jī)以及BMS系統(tǒng)配合工作，就可以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)高頻率的電流充放切換，進(jìn)一步的減少鋰枝晶這種情況的出現(xiàn)。

　　長(zhǎng)安官方公布的深藍(lán)C385動(dòng)力電池組，可以在零下30℃的環(huán)境溫度中保持4℃/mini的升溫速率，在零下30℃的環(huán)境溫度中可以提升50%的動(dòng)力表現(xiàn)以及縮短15%的充電時(shí)間。從數(shù)據(jù)來(lái)看，改進(jìn)后的“電池自加熱”技術(shù)不僅效率更高，還具備了更持久的電池壽命，這對(duì)于在低溫地區(qū)的用戶而言是相當(dāng)好的消息。

　　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(qū)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(yōu)點(diǎn)是在高溫條件下或過充時(shí)安全性非常高，缺點(diǎn)是在低溫條件下（氣溫低于-10℃以下），磷酸鋰電池衰減得非常快，經(jīng)過不到100次充放電循環(huán)，電池容量將下降到初始容量的20%，基本與寒冷地區(qū)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(jìn)行不同的調(diào)整，所以稱之為“三元”，像寧德時(shí)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(yōu)點(diǎn)是高能量密度，同為寧德時(shí)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(dá)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(yīng)北方低溫地區(qū)的使用條件。缺點(diǎn)是在高溫條件下，三元鋰電池的三元材料會(huì)在200℃時(shí)發(fā)生分解，在高溫作用下極易發(fā)生燃燒或爆炸的現(xiàn)象。

　　上述的兩種電池，雖然材料以及優(yōu)缺點(diǎn)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(fù)極之間來(lái)回遷移的過程。

　　在低溫環(huán)境下，電池的正負(fù)極材料活性降低，同時(shí)充當(dāng)橋梁的電解液導(dǎo)電能力也下降，因此電池在充放電時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生阻力，它被稱為內(nèi)阻。電池內(nèi)阻增大，在電池正常使用過程中，就會(huì)產(chǎn)生大量焦耳熱引起電池溫度升高，實(shí)驗(yàn)表明環(huán)境0℃以下時(shí)，溫度每下降10℃，內(nèi)阻約增大15%。

　　受到了內(nèi)阻的阻礙，想要發(fā)力卻只能導(dǎo)致電池過量放電，電能不斷的轉(zhuǎn)換為熱能，不僅電量下降、沒辦法正常輸出功率，還容易對(duì)電池的安全性產(chǎn)生影響，這一切的結(jié)果都是因?yàn)榈蜏丨h(huán)境造成的。

　　為了解決這個(gè)問題，除了上面我們提到最新的“脈沖自加熱”技術(shù)外，其實(shí)供應(yīng)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(shù)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(fā)熱，提高電池溫度。PTC有水暖與風(fēng)暖兩種，水暖通過PTC加熱冷卻液，再和散熱器進(jìn)行熱交換，風(fēng)暖是開啟暖風(fēng)后，冷空氣直接和PTC進(jìn)行換熱，最終吹出暖風(fēng)。而加熱膜則像是給電池蓋上一層導(dǎo)電加熱的被子，但這兩者的缺點(diǎn)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(guān)系，整體的造價(jià)不低，并且實(shí)際的加熱效率也不高。

　　另一種方案是液冷循環(huán)系統(tǒng)，它像是給電池包額外加一套暖氣上去，通過加熱冷卻液來(lái)獲得一個(gè)較為長(zhǎng)效的熱源。還有一種方案是熱泵空調(diào)，整個(gè)原理像是強(qiáng)制抽取大氣熱量轉(zhuǎn)換進(jìn)車?yán)锏臉幼樱?dāng)環(huán)境溫度過低的時(shí)候熱泵容易失效，所以特斯拉也做了一個(gè)“魔改”，除了抽取外界空氣的熱量外，還收集動(dòng)力電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及PCS功率電子產(chǎn)生的余熱，整套系統(tǒng)依靠八通換向閥進(jìn)行復(fù)雜的熱量汲取，以此提高熱泵空調(diào)總體的效率。