电池低温加热 看特斯拉/宁德时代如何“出招”
2019-12-16 来源:高工锂电网

摘要:低温状态下,动力电池活性降低,电池容量和性能严重衰减严重且不可逆。



低温状态下,动力电池活性降低,电池容量和性能衰减严重且不可逆。最直接的表现是,新能源汽车续航里程严重缩水,动力变弱。

有关数据表明,在保持-7℃车外温度和20——22℃车内温度的情况下,国内一些知名企业的新能源汽车实测续航还不到标称一半。

国外的像宝马i3s的续航里程缩水也超20%。还有实验显示,温度低于0℃,电池内阻大幅增加,降到-20℃,自放电现象最严重。

然而由于电池本身无法在短时间内,工作温度区间得到提升。因此目前主流解决方式是给电池预热。

这一方面要求电池组预热精准,即要消除低温引起的负面效应,又要让电池尽快从低温回暖到25-35度的“舒适温度”。

另一方面要精确掌握电池组内部或外部产热过程,减少预热时热量损失,能充分节能,降低能耗。

具体实施方式,最常见的是通过连接充电桩或使用电池内部电量,利用加热装置给电池冷却液加热,进而流经电池内部液体管路,通过类似“隔水炖”方式对电池进行保温或加热。

其中针对三元和磷酸铁锂电池的加热方式有差别。据高工锂电了解,三元电池抗低温性好,能量密度高,一般是采用BMS热管理,进行冷却液循环加热。

磷酸铁锂电池,其能量密度不高,抗低温性差,对热的敏感性差,一般采用没有冷却液的高压PTC加热,降低成本。

值得一提的是,在电池加热技术突破方面,典型代表企业有特斯拉和宁德时代。


特斯拉:循环加热


特斯拉针对动力电池低温,其Model 3设计思路是利用电驱系统的废热,像传统燃油车用发动机余热给乘员舱供暖一样,使其即用于车辆驱动,又用于产生额外的热量加热电池。

具体实施上,是采用一种倾向于传统车方案—电动车上有一个可以起到电热丝作用的零件,如图1所示为电机线圈绕组。



对电池加热,是利用压力泵开关循环水加热。通过把电池冷却回路和电机回路串联起来。其中控制阀很关键,改变冷却液的流动路径。


在如图3所示的加热模式下,电池内部的低温冷却液进入驱动系统进行热交换。然后变成高温冷却液,再穿过水泵及冷却设备后(此时冷却设备不工作),进入电池包对电池进行加热。

一般而言,电机驱动效率基本在90%以上,产生的10%热量并不足以用来为座舱和电池进行加热。然而特斯拉的电机控制软件,能降低电机效率,以产生更多的热量来给电池加热。

更厉害的一点是,电机驱动功率可以根据驾驶员需求实时变化,发热功率也能根据座舱,空调,电池温度实时调整。

特斯拉这项加热模式,好处主要有两方面。

一方面充分利用电机余热,能量利用率高。使用场景上,可以在低温环境中提前对电池预热,在到达快充桩时,可以获得最大的充电功率。

另一方面,输出功率大,加热效果好。特斯拉Model3的电机本身可承受温升功率7-8kW,短时间内对电池加热的升温效果好。

指标上,10km/h车速时后轴电机效率低至25%,20km/h车速时低至40%,电池温升速率可达1℃/min。


宁德时代:低温速热


宁德时代针对电池低温问题,解决上主要从BMS电池热管理和电池本身着手,效果如图4所示。

一方面通过BMS电池管理系统识别电池状态,拟定速热控制策略,能够使电池温度在15分钟内从-20℃提升到10℃,充电能力提高5倍,放电能力提高7倍,延长电池寿命。

另一方面运用电池本身低温没放出来的能量自我加热,大概用7%左右的能量可以把电池从-20度加热到+20度。加热后,冬天的续航比夏天差7%-10%左右。



另外电池快充时,宁德时代还能让BMS软件系统检测电池充电状态,利用充电时电池产生的温度帮助电池回温。换句话说,能做到边充电边加温。

具体做法是让电池在充电初期就产生热量,帮助电池回温。在常温或夏季状态下,这功能会自动停止。

目前在实验室,已经实现每分钟升高2℃,同时电池温差不超过4℃。等这项功能正式量产装车后,采用宁德时代的技术,在冬天就不再怕寒冷,边充电边升温,随时可以满电出发。

当然,宁德时代还从产品设计、电芯制造、系统集成、BMS管理、售后服务、报废回收等建立完整的安全保障体系,全方位保障动力电池安全。

值得一提的是,宁德时代最近推出的新一代能量型电池包,具有超强环境适应性,能够提升整车的安全性和可靠性,保障车辆在多种复杂环境下的良好运行。

该电池包在高寒环境下,由于使用了加热膜,即使在-20℃环境下,电池容量保持率仍可高达90%。可实现0.5℃/min的低温升温速率,确保电池系统在合适工作温度区间内稳定运行,减少电池衰减,有效提升系统寿命。

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