如何应对严寒挑战?电动汽车低温使用分析

朱玉龙

【第一电动网】(特约作者 朱玉龙)这篇文章,主要从系统分析和系统设计的角度来看电池系统的热设计对电动汽车(含插电车辆)的重要性。可以欣喜的看到,国内的乘用车乃至电动大巴的设计,都开始从单纯的被动冷却、风冷开始转向液体加热/散热系统,这也为电动汽车在各个环境条件下应用提供了保证。

本文比较深入浅出,如有错误和引用数据错误,请大家指正。

第一部分 电动汽车在低温下的特性分析

在前面的文章中已经分析过,对客户而言,纯电动汽车最主要的使用问题,就是续航里程随着使用者的实际工况和环境温度产生较大的差异,仪表盘上的续航里程是根据电池的可用电能进行折算出来的。在冬天低温环境下,这个问题就显得尤其突出了。

1)低温下的里程损失(统计实测数据分析)

1.1 数据来源一:FleetCarma Electric Range for the Nissan Leaf & Chevrolet Volt in Cold Weather

如何应对严寒挑战?电动汽车低温使用情况分析

图1 Volt和LEAF的实测结果

如上图所示,整个数据可以分为最好的里程数据和平均的里程数据,根据拟合的结果20摄氏度的时候是厂家宣称的以及EPA的结果,随着温度的下降,其里程开始大幅下降。

注:数据来源的这家公司是一家专业的咨询公司,主要对电动汽车的车队进行测试,然后分析报告。

1.2 Argonne 实验室分工况的测试数据

实际的情况来看,这个温度和工况是深度相关的,不同的温度和不同的工况对车的续航里程是由更为细致的影响的,在后续的分析中会解释,这牵涉到电池的放电和能量回收。

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图2 Argonne实验室的测试数据

根据数据化的处理之后,我们可以对低温带来的影响做出一些初步的结果,如下图所示,这里其实可以把消耗电能的使用成本定量化。

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图3 根据车队的统计数据的基本结论对比

低温对于车辆的影响,是所有电动车(包括插电车辆)共有的问题:

a)燃油车和电动汽车同样在低温下燃油经济性下降,相对而言电动车更明显,到0度20%的影响,-18度30%

b)由于低温的影响,使得电动汽车在冬天的用电的使用成本要增加了35%~45%

c)越到低温的时候,个体差异性就变得更重要,往下偏差,里程下降一半也不是不可能的

更多的车型这里不再多叙述,根据车主的实际使用情况和Telematcis其实都可以收集到,这个问题是所有的新能源汽车都面临的共性的问题。

第二部分 低温对电动汽车的影响分析

2.1 低温下电池的特性变化

低温对电池的主要有护理和化学两方面【2】。物理的影响主要是a)电解液由于温度的变化影响使得粘度变化导致离子传输降低和b) 聚合物组分在单体内趋于变脆(在电极内的活性材料由于粘合剂失效而分离)。化学的影响:添加剂的影响还有SEI膜的影响。

低温对电池的电学性能主要如下图4所示:

1)内阻上升:在不同的工况下,能量回收占电动汽车能耗下降的这块,由于电池的SOF显示可充电功率的下降,也会大大降低能量回收率。

2)可用容量的下降:如下图所示,电池的OCV和电压平台都会下降,使得电池的可放电容量下降了。

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图4 电池的电学特性

这里包含了很多的内容,实际的BMS面对低温下的电池,根据保护策略确实需要一番重新的计算。所以这个事情,其实也是不可避免的一个路子,和电池大小无关。

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图5 凯美瑞HEV镍氢电池燃油经济性

这里低温带来的影响还有充电,由于锂电池在低温下充电会有较多的安全问题,使得低温下。

2.2 低温下客户加热客舱的功率

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图6电动汽车的HVAC需求

气温比较低的时候,由客户的取暖需求导致的供暖,主要由主要是高压的加热器(PTC)和低压的鼓风机两部分完成。通常而言,前者最大的功率为3KW,后者为400W(13.5V 30A)左右。

主要注意的是,实际的使用过程中,由于PTC的加热时间比较长,而且电热效率比较低,加大加热器的功率(全顺EV版本加到了5KW)效果也有限。

2.3 其他因素

从能量管理的角度,从系统设计的角度变量比较大,比如电池和电机共用流道。温度低的时候,各个部分有意想不到的损失,我们从12V系统能流和高压能流还有机械损失率来看,还有其他因素在里面。

第三部分 电池系统和整车的热设计

在未来的新能源车序列里面,混合动力汽车、插电式混合动力汽车和纯电动汽车应该是按照一定的比例来呈现的,现在由于国家政策的原因导致一边倒的向纯电的路子对车厂对消费者来说都是一个很大的风险。不过回过来,这个我们先从整车级别来看问题。

整车级别的HVAC积极应对措施

1 避开过冷区域&或者设计高效的加热系统

其实目前东三省推广新能源其实却是有些难度,如果要推,必须改装高效率的电池加热系统,或者直接采用液冷和加热系统。这个未来东三省的公交系统的新能源,可能采取的电池设计路线就完全不同了。如果在极低气温下,车辆的充电和车辆的启动其实都是个问题,系统会根据电池的问题进行限制启动。

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图7 中国平均气温分布表

2 为车辆设计远程预充功能

在出发之前用手机连接车辆先把车子热起来。这里的设计是通过手机来命令车辆从电网中通过车载充电机取电,来预先加热电池。这个功能,在前阶段的充电标准草稿GB18487.1的据理力争下,总算保住了PWM的连续性,也为后面车辆可以实现这个功能留下伏笔。

这个功能设计,其实是手机=》车厂数据中心=》车辆的Telematic系统,通过总线唤醒的方式来唤醒车辆的VCU,然后打开车载充电机和HVAC系统,给电池和整个系统加热。在这种模式下,电池的能量是旁路掉的,VCU可以忽略BMS的情况,而专门从车载充电机这里取得能量。

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图8 采用Telematics进行预加热设计

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图9 电池的加热和散热系统

3 建议客户停车库里面:根据数据来看,如下图所示,在冬天将车子停在室外和室内车库里面差异是很大的。图10还是那家咨询公司做的数据分析,将全顺EV放车上进行对比,这里把温度和损失的公里进行了进一步量化。

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图10 室外放置和室内放置的差异化

4 用座椅加热:目前车辆是可以劝说客户为了最大程度的增加效益比,用更少的能量来提高冬天的舒适度。典型的座椅内部的线束和配置情况如图11所示。

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图11 座椅内部总成和线束

电池散热系统,先留个尾巴容以后来重点谈谈这个部分。其实从温度来看,电池的散热和加热,都很重要。前者涉及电池系统质保寿命和整车的安全性,后者涉及的主要是冷启动、续航里程还有动力性。

小结:

车辆的系统设计,其实是很重要的一环,有些缺陷能补回来,有些地方就很难补得回来。未来的动力总成系统的演化,不仅仅是比较成本、油耗、政府政策支持,也是市场接受度的比拼。

参考文件:

1)FleetCarma The Truth About Electric Vehicles in Cold Weather

2)NREL Addressing the Impact of Temperature Extremes on Large Format Li-Ion Batteries for Vehicle Applications

3)On-Road Evaluation of Advanced Hybrid Electric Vehicles over a Wide Range of Ambient Temperatures

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