冬天電池更需要保暖？來看看會“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(xiàn)，也只是稍微減緩了這種焦慮。就像現(xiàn)在全球火熱的電動車一樣，即便是有新鮮的體驗，但依舊無法避免電池續(xù)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(yīng)商都絞盡腦汁去推進增加續(xù)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(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，成為了對抗這個“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，電池是有一個正常的工作溫度區(qū)間，而在低溫環(huán)境下電池的實際使用效果將會大打折扣，所以在這種環(huán)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(shù)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(shù)”。

　　單聽這個名字，就知道這項技術(shù)肯定是針對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)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(shù)，實際上它的想法并不復(fù)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(huán)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(shù)拓展開來的，這項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(jīng)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(zhì)，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(nèi)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(xiàn)鋰枝晶的情況，長安在寧德時代這個技術(shù)的基礎(chǔ)上，對這項技術(shù)稍微進行了改進，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，在放電過程中負極來不及處理鋰離子導(dǎo)致出現(xiàn)金屬鋰單質(zhì)。

　　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(xiàn)“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(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責(zé)這項工作。

　　交流電并不像直流電一樣一直保持恒定數(shù)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(dān)，從而減輕產(chǎn)生鋰枝晶的幾率。

　　同時長安在會議上也提到了功率半導(dǎo)體IGBT(絕緣柵雙極型晶體管），IGBT是一個非通即斷的開關(guān)，它沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時可以看做導(dǎo)線，斷開時當做開路。再加上電機以及BMS系統(tǒng)配合工作，就可以實現(xiàn)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(xiàn)。

　　長安官方公布的深藍C385動力電池組，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%的動力表現(xiàn)以及縮短15%的充電時間。從數(shù)據(jù)來看，改進后的“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，這對于在低溫地區(qū)的用戶而言是相當好的消息。

　　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行不同的調(diào)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(yōu)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(yīng)北方低溫地區(qū)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(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(huán)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(dǎo)電能力也下降，因此電池在充放電時，內(nèi)部會產(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，就會產(chǎn)生大量焦耳熱引起電池溫度升高，實驗表明環(huán)境0℃以下時，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，還容易對電池的安全性產(chǎn)生影響，這一切的結(jié)果都是因為低溫環(huán)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(shù)外，其實供應(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，再和散熱器進行熱交換，風(fēng)暖是開啟暖風(fēng)后，冷空氣直接和PTC進行換熱，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，整體的造價不低，并且實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，通過加熱冷卻液來獲得一個較為長效的熱源。還有一種方案是熱泵空調(diào)，整個原理像是強制抽取大氣熱量轉(zhuǎn)換進車里的樣子，但當環(huán)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(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)以及PCS功率電子產(chǎn)生的余熱，整套系統(tǒng)依靠八通換向閥進行復(fù)雜的熱量汲取，以此提高熱泵空調(diào)總體的效率。

　　其實不然，雖然這套“脈沖自加熱”技術(shù)整個設(shè)計都具備了“黑科技”的潛質(zhì)，但實際上這項技術(shù)還需要更多的磨合、調(diào)試以及優(yōu)化。而且，長安這套技術(shù)并非是市面上第一個采用脈沖自加熱技術(shù)作為動力電池?zé)峁芾淼膹S家，既為電池供應(yīng)商也為汽車品牌的比亞迪實際上已經(jīng)將這套技術(shù)應(yīng)用到了它們的車型當中。

　　這項技術(shù)主要應(yīng)用在比亞迪旗下的超級混動DM-i車型上，秦PLUS的混動專用刀片電池使用的正是脈沖自加熱的熱管理系統(tǒng)。不過比亞迪這套技術(shù)與長安深藍所使用的方案有些區(qū)別，長安深藍是使用交流電通過三元鋰電池組進行加熱，而比亞迪的方案則是通過兩組磷酸鐵鋰刀片電池組之間互相放電（直流電）進行加熱。

　　從原理上來說，其實長安與比亞迪都是使用溫度下降內(nèi)阻增加后，電流經(jīng)過大電阻產(chǎn)生熱量的方案，只不過長安是在電池組外產(chǎn)生交流電進行過電，而比亞迪是兩個電池組互相提供直流電為對方“取暖”，這一點與寧德時代的方案是相似的。

　　比亞迪目前采用這套技術(shù)的車型是秦PLUS，現(xiàn)款秦PLUS DM-i在2021年3月上市，在上市之后網(wǎng)上也出現(xiàn)了DM-i在實際使用當中的一些問題，其中最多車主反應(yīng)的是秦PLUS DM-i在低溫環(huán)境下會出現(xiàn)發(fā)動機抖動、失火等情況。

　　而出現(xiàn)這個情況，與刀片電池使用到的脈沖自加熱技術(shù)有關(guān)。廠家對自加熱功能開啟的溫度設(shè)定過于極限，導(dǎo)致在非極限低溫的情況下，脈沖自加熱功能不能正常啟動，而DM-i的發(fā)動機是需要電池帶動電機給予發(fā)動機初始轉(zhuǎn)速，發(fā)動機才能避免啟動時的抖動。

　　因此像上述秦PLUS DM-i車主們遇到的情況，就是脈沖自加熱功能在非極限低溫下的無法正常工作導(dǎo)致的。同時，由于脈沖自加熱功能是兩個電池組通過升壓程序互相充電加熱，因此在使用脈沖自加熱功能時，電池?zé)o法輸出完整、連續(xù)的工作電壓，也就無法正常的為電驅(qū)提供穩(wěn)定功率，這也表明了DM-i車型只能在脈沖自加熱與電驅(qū)兩種情況之間二選一。

　　看完比亞迪這套技術(shù)產(chǎn)生的問題，對于長安這套技術(shù)，我們作為消費者還是需要謹慎對待，長安除了需要解決電驅(qū)/自加熱只能二選一的情況外，對于環(huán)境溫度識別以及自加熱啟動的標定，也需要下更多的功夫，我們也期待長安給出“微核高頻脈沖自加熱”技術(shù)的實測數(shù)據(jù)。

　　小結(jié)：

　　在傳統(tǒng)、新勢力品牌百家爭鳴的時代，軍備競賽已經(jīng)不止在機械調(diào)校層面上，高精尖技術(shù)也是一項關(guān)鍵的一環(huán)，所以也不難理解為什么長安不辭勞苦的再推出一個電動相關(guān)的全新平臺。單從這次公布的這個脈沖自加熱技術(shù)來看，技術(shù)上的改良是值得我們期待的，但技術(shù)最終還是要看體驗，加之上一家采用脈沖自加熱技術(shù)的車企在低溫地區(qū)已經(jīng)遭受了重創(chuàng)，這次長安再推帶有這款技術(shù)的車型，也希望長安能夠在調(diào)校以及實測體驗方面，給到我們消費者一個滿意的答卷。（文：太平洋汽車網(wǎng) 高子?。?/p>