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解析新能源汽車電池在低溫下的性能影響

2024-06-19 10:34:26 來源:太平洋號
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簡介:一到冬季,新能源車特別是純電汽車的續(xù)航里程就打折扣。特別是在北方地區(qū),純電車輛的冬季續(xù)航直接打半折。為什么技術(shù)發(fā)展了這么久,動力電池冬季續(xù)航短板依舊沒有解決? 這是一個值得我們深思的問題。

一到冬季,新能源車特別是純電汽車的續(xù)航里程就打折扣。特別是在北方地區(qū),純電車輛的冬季續(xù)航直接打半折。為什么技術(shù)發(fā)展了這么久,動力電池冬季續(xù)航短板依舊沒有解決? 這是一個值得我們深思的問題。


新能源車


電池充放電是如何工作的?

在分析原因之前,我們先看看電池充放電是如何工作的!新能源汽車使用的動力電池絕大多數(shù)為鋰離子蓄電池,鋰離子電池是一個復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)。由過渡金屬氧化物正極、石墨負(fù)極,纖維隔膜等固體材料和電解液組成。電池的工作狀態(tài)分為充電和放電。在充電過程中,電池內(nèi)部并非像電容那樣簡單的將電荷存儲,而是不斷的發(fā)生化學(xué)反應(yīng),通過物質(zhì)的轉(zhuǎn)換將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲下來。在放電過程中,又將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,內(nèi)部物質(zhì)則由從一種物質(zhì)轉(zhuǎn)化為另外一種物質(zhì)。無論是三元鋰還是磷酸鐵鋰其正極雖然采用的材料不同,但在充放電過程中,都是鋰離子和電子的遷移。


電池充放電


如下圖展現(xiàn)的是電池放電的過程,在此過程中,正極材料失去電子,電子從導(dǎo)線跑到負(fù)極,此時鋰離子則在電解液中移動,透過中間隔膜跑到負(fù)極在石墨結(jié)構(gòu)中與電子結(jié)合。最終,正負(fù)都生成了新的物質(zhì)(如為磷酸鐵鋰電池新的物質(zhì)則是LiFePO4和C6),而在充電則是上述過程的逆過程。


電池放電


電池放電

我們可以簡單的理解充放電過程其實就是鋰離子不斷在正極和負(fù)極嵌入和脫嵌的過程,也正是因為這樣的充放電原理,導(dǎo)致了電池既怕冷的特性!下面我們從宏觀和微觀看看,車輛在在低溫環(huán)境時充放電電池內(nèi)部會發(fā)生什么樣的反應(yīng)。


電池放電


鋰離子嵌入新能源車冬季續(xù)航降低的原因

1、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)耗電

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)耗電是續(xù)航降低的直接原因,為了保證電池低溫下正常使用,新能源車都配備有熱管理系統(tǒng),在溫度降低至設(shè)定溫度時,會啟動對電池進行加熱,保證電池在合適的溫度區(qū)間放電。換句話說,電池需要耗費更多的電量來加熱自身,電量在續(xù)航的分配上降低,直接導(dǎo)致了續(xù)航里程的降低。那為什么要加這樣一套耗電的系統(tǒng)呢?要講清楚,我們需要往下探討,進入電池的微觀世界。

2、鋰材料損失和電極晶格破壞

新能源車用鋰離子蓄電池最佳的工作溫度為20℃-40℃,電池裝在了新能源車上后,在極寒環(huán)境下電池溫度很難達到最佳工作溫度,電池的功率和容量都會下降無法滿足車輛的需求,甚至在極低溫下會造成電池容量的不可逆的損傷。原因是因為在極低溫度下,電池的物理特性和化學(xué)特性出現(xiàn)了與常溫不一樣的造成的。


冬季新能源車?yán)m(xù)航


前面我們說到電池里面的正負(fù)極均為固態(tài),不管是什么物質(zhì),都需要遵循材料“熱脹冷縮”的特性,在極寒下電池正負(fù)極都會收縮,從微觀上看相當(dāng)于鋰離子住的房門變小了,這意味著鋰離子的嵌入和脫嵌的過程變得困難,流動的鋰離子少了電池容量自然就降低,但是這部分容量是可以隨著氣溫的上升而恢復(fù)。而在車輛濫用的情況下,比如低溫情況下加熱不足依舊大電流充電,則會導(dǎo)致鋰離子在負(fù)極無法嵌入石墨在附近析出形成“鋰枝晶”(長此以往鋰枝生長刺破隔膜后會導(dǎo)致電池起火),同時強制嵌入石墨的鋰離子會破壞晶格,損耗了鋰原材料的同時讓儲存鋰離子的空間變少,直接導(dǎo)致電池儲電量不可逆降低。由此我們可以看到,電池材料低溫下物理和化學(xué)特性的變化,最終就表現(xiàn)出新能源車冬季電池容量的降低,電池可以裝的電少了,續(xù)航自然也就低了。

鋰枝晶

3、電解液的極化分解

上文提到低溫條件下,電解質(zhì)會變得濃稠,帶來的結(jié)果是電化學(xué)極化和濃度極化嚴(yán)重,在電極/電解液界面很容易發(fā)生副反應(yīng),導(dǎo)致電解液的分解,這種情況損失的是電池的電極液,即電池液體部分原材料造成了不可逆損失,進一步拉低了電池的可用容量。如果長時間無溫度管理,電池則會出現(xiàn)損壞無法再用的情況,因此新能源車在冬季長時間不開對貯存溫度也有一定的要求。冬季新能源車主應(yīng)如何用車?

在了解了動力電池冬季續(xù)航降低的原因后,新能源車車主應(yīng)該如何用車延長動力電池的壽命?筆者建議按照氣溫的不同可以采取不同的措施:

(1)“熱車”:在南方地區(qū)冬季氣溫大部分在0℃以上,車輛的續(xù)航會有一定影響,但靠自身加熱系統(tǒng)足以應(yīng)付。需要注意在車輛啟動初期電池加熱未到合適范圍,盡量保證5km或10分鐘左右的平緩駕駛,相當(dāng)于冬季熱車的用車習(xí)慣,避免電池低溫大功率放電。

(2)合理設(shè)定充電時間:在寒冷的北方地區(qū),在溫度在-20℃-0℃的地區(qū),有家充條件的用戶可設(shè)定充電車輛出發(fā)時間前完成充電并設(shè)置提前空氣加熱空調(diào),這樣即可以保證車主在用車時電池已經(jīng)加熱完成避免低溫放電的同時又可以減少駕駛室加熱耗費的續(xù)航電量。

(3)避免過度放電:前文提到過,冬季電池電解液會變得粘稠,而電池虧電后則會進一步加劇粘稠程度,造成不可逆的容量損傷。冬季新能源純電車輛應(yīng)盡量“淺充淺放”,混動車則可以提高電池強制保電區(qū)間。

(4)盡量在室內(nèi)充電:裝有新能源電池的車輛,低溫下充電時都會先啟動加熱系統(tǒng),待電池溫度處于合適區(qū)間后才會啟動充電。在室內(nèi)充電可以減少該部分加熱的能源損耗,減少充電時間。

總的來說,動力電池冬季續(xù)航短板的問題是一個復(fù)雜的問題,涉及到多個方面。盡管目前這個問題還沒有得到完全解決,但我們有理由相信,隨著科技的不斷進步,這個問題終將會得到解決。
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