【第一電動(dòng)網(wǎng)】（特約作者 朱玉龍）這篇文章，主要從系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看電池系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)(含插電車(chē)輛)的重要性。可以欣喜的看到，國(guó)內(nèi)的乘用車(chē)乃至電動(dòng)大巴的設(shè)計(jì)，都開(kāi)始從單純的被動(dòng)冷卻、風(fēng)冷開(kāi)始轉(zhuǎn)向液體加熱/散熱系統(tǒng)，這也為電動(dòng)汽車(chē)在各個(gè)環(huán)境條件下應(yīng)用提供了保證。

本文比較深入淺出，如有錯(cuò)誤和引用數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，請(qǐng)大家指正。

第一部分 電動(dòng)汽車(chē)在低溫下的特性分析

在前面的文章中已經(jīng)分析過(guò)，對(duì)客戶而言，純電動(dòng)汽車(chē)最主要的使用問(wèn)題，就是續(xù)航里程隨著使用者的實(shí)際工況和環(huán)境溫度產(chǎn)生較大的差異，儀表盤(pán)上的續(xù)航里程是根據(jù)電池的可用電能進(jìn)行折算出來(lái)的。在冬天低溫環(huán)境下，這個(gè)問(wèn)題就顯得尤其突出了。

1)低溫下的里程損失(統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析)

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源一：FleetCarma Electric Range for the Nissan Leaf & Chevrolet Volt in Cold Weather

圖1 Volt和LEAF的實(shí)測(cè)結(jié)果

如上圖所示，整個(gè)數(shù)據(jù)可以分為最好的里程數(shù)據(jù)和平均的里程數(shù)據(jù)，根據(jù)擬合的結(jié)果20攝氏度的時(shí)候是廠家宣稱(chēng)的以及EPA的結(jié)果，隨著溫度的下降，其里程開(kāi)始大幅下降。

注：數(shù)據(jù)來(lái)源的這家公司是一家專(zhuān)業(yè)的咨詢公司，主要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)隊(duì)進(jìn)行測(cè)試，然后分析報(bào)告。

1.2 Argonne 實(shí)驗(yàn)室分工況的測(cè)試數(shù)據(jù)

實(shí)際的情況來(lái)看，這個(gè)溫度和工況是深度相關(guān)的，不同的溫度和不同的工況對(duì)車(chē)的續(xù)航里程是由更為細(xì)致的影響的，在后續(xù)的分析中會(huì)解釋?zhuān)@牽涉到電池的放電和能量回收。

圖2 Argonne實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)化的處理之后，我們可以對(duì)低溫帶來(lái)的影響做出一些初步的結(jié)果，如下圖所示，這里其實(shí)可以把消耗電能的使用成本定量化。

圖3 根據(jù)車(chē)隊(duì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基本結(jié)論對(duì)比

低溫對(duì)于車(chē)輛的影響，是所有電動(dòng)車(chē)(包括插電車(chē)輛)共有的問(wèn)題：

a)燃油車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)同樣在低溫下燃油經(jīng)濟(jì)性下降，相對(duì)而言電動(dòng)車(chē)更明顯，到0度20%的影響，-18度30%

b)由于低溫的影響，使得電動(dòng)汽車(chē)在冬天的用電的使用成本要增加了35%～45%

c)越到低溫的時(shí)候，個(gè)體差異性就變得更重要，往下偏差，里程下降一半也不是不可能的

更多的車(chē)型這里不再多敘述，根據(jù)車(chē)主的實(shí)際使用情況和Telematcis其實(shí)都可以收集到，這個(gè)問(wèn)題是所有的新能源汽車(chē)都面臨的共性的問(wèn)題。

第二部分 低溫對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的影響分析

2.1 低溫下電池的特性變化

低溫對(duì)電池的主要有護(hù)理和化學(xué)兩方面【2】。物理的影響主要是a)電解液由于溫度的變化影響使得粘度變化導(dǎo)致離子傳輸降低和b) 聚合物組分在單體內(nèi)趨于變脆(在電極內(nèi)的活性材料由于粘合劑失效而分離)。化學(xué)的影響：添加劑的影響還有SEI膜的影響。

低溫對(duì)電池的電學(xué)性能主要如下圖4所示：

1)內(nèi)阻上升：在不同的工況下，能量回收占電動(dòng)汽車(chē)能耗下降的這塊，由于電池的SOF顯示可充電功率的下降，也會(huì)大大降低能量回收率。

2)可用容量的下降：如下圖所示，電池的OCV和電壓平臺(tái)都會(huì)下降，使得電池的可放電容量下降了。

圖4 電池的電學(xué)特性

這里包含了很多的內(nèi)容，實(shí)際的BMS面對(duì)低溫下的電池，根據(jù)保護(hù)策略確實(shí)需要一番重新的計(jì)算。所以這個(gè)事情，其實(shí)也是不可避免的一個(gè)路子，和電池大小無(wú)關(guān)。

圖5 凱美瑞HEV鎳氫電池燃油經(jīng)濟(jì)性

這里低溫帶來(lái)的影響還有充電，由于鋰電池在低溫下充電會(huì)有較多的安全問(wèn)題，使得低溫下。

2.2 低溫下客戶加熱客艙的功率

圖6電動(dòng)汽車(chē)的HVAC需求

氣溫比較低的時(shí)候，由客戶的取暖需求導(dǎo)致的供暖，主要由主要是高壓的加熱器(PTC)和低壓的鼓風(fēng)機(jī)兩部分完成。通常而言，前者最大的功率為3KW，后者為400W(13.5V 30A)左右。

主要注意的是，實(shí)際的使用過(guò)程中，由于PTC的加熱時(shí)間比較長(zhǎng)，而且電熱效率比較低，加大加熱器的功率(全順EV版本加到了5KW)效果也有限。

2.3 其他因素

從能量管理的角度，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度變量比較大，比如電池和電機(jī)共用流道。溫度低的時(shí)候，各個(gè)部分有意想不到的損失，我們從12V系統(tǒng)能流和高壓能流還有機(jī)械損失率來(lái)看，還有其他因素在里面。

第三部分 電池系統(tǒng)和整車(chē)的熱設(shè)計(jì)

在未來(lái)的新能源車(chē)序列里面，混合動(dòng)力汽車(chē)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)該是按照一定的比例來(lái)呈現(xiàn)的，現(xiàn)在由于國(guó)家政策的原因?qū)е乱贿叺沟南蚣冸姷穆纷訉?duì)車(chē)廠對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)都是一個(gè)很大的風(fēng)險(xiǎn)。不過(guò)回過(guò)來(lái)，這個(gè)我們先從整車(chē)級(jí)別來(lái)看問(wèn)題。

整車(chē)級(jí)別的HVAC積極應(yīng)對(duì)措施

1 避開(kāi)過(guò)冷區(qū)域&或者設(shè)計(jì)高效的加熱系統(tǒng)

其實(shí)目前東三省推廣新能源其實(shí)卻是有些難度，如果要推，必須改裝高效率的電池加熱系統(tǒng)，或者直接采用液冷和加熱系統(tǒng)。這個(gè)未來(lái)東三省的公交系統(tǒng)的新能源，可能采取的電池設(shè)計(jì)路線就完全不同了。如果在極低氣溫下，車(chē)輛的充電和車(chē)輛的啟動(dòng)其實(shí)都是個(gè)問(wèn)題，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)電池的問(wèn)題進(jìn)行限制啟動(dòng)。

圖7 中國(guó)平均氣溫分布表

2 為車(chē)輛設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程預(yù)充功能

在出發(fā)之前用手機(jī)連接車(chē)輛先把車(chē)子熱起來(lái)。這里的設(shè)計(jì)是通過(guò)手機(jī)來(lái)命令車(chē)輛從電網(wǎng)中通過(guò)車(chē)載充電機(jī)取電，來(lái)預(yù)先加熱電池。這個(gè)功能，在前階段的充電標(biāo)準(zhǔn)草稿GB18487.1的據(jù)理力爭(zhēng)下，總算保住了PWM的連續(xù)性，也為后面車(chē)輛可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能留下伏筆。

這個(gè)功能設(shè)計(jì)，其實(shí)是手機(jī)=》車(chē)廠數(shù)據(jù)中心=》車(chē)輛的Telematic系統(tǒng)，通過(guò)總線喚醒的方式來(lái)喚醒車(chē)輛的VCU，然后打開(kāi)車(chē)載充電機(jī)和HVAC系統(tǒng)，給電池和整個(gè)系統(tǒng)加熱。在這種模式下，電池的能量是旁路掉的，VCU可以忽略BMS的情況，而專(zhuān)門(mén)從車(chē)載充電機(jī)這里取得能量。

圖8 采用Telematics進(jìn)行預(yù)加熱設(shè)計(jì)

圖9 電池的加熱和散熱系統(tǒng)

3 建議客戶停車(chē)庫(kù)里面：根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)看，如下圖所示，在冬天將車(chē)子停在室外和室內(nèi)車(chē)庫(kù)里面差異是很大的。圖10還是那家咨詢公司做的數(shù)據(jù)分析，將全順EV放車(chē)上進(jìn)行對(duì)比，這里把溫度和損失的公里進(jìn)行了進(jìn)一步量化。

圖10 室外放置和室內(nèi)放置的差異化

4 用座椅加熱：目前車(chē)輛是可以勸說(shuō)客戶為了最大程度的增加效益比，用更少的能量來(lái)提高冬天的舒適度。典型的座椅內(nèi)部的線束和配置情況如圖11所示。

圖11 座椅內(nèi)部總成和線束

電池散熱系統(tǒng)，先留個(gè)尾巴容以后來(lái)重點(diǎn)談?wù)勥@個(gè)部分。其實(shí)從溫度來(lái)看，電池的散熱和加熱，都很重要。前者涉及電池系統(tǒng)質(zhì)保壽命和整車(chē)的安全性，后者涉及的主要是冷啟動(dòng)、續(xù)航里程還有動(dòng)力性。

小結(jié)：

車(chē)輛的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其實(shí)是很重要的一環(huán)，有些缺陷能補(bǔ)回來(lái)，有些地方就很難補(bǔ)得回來(lái)。未來(lái)的動(dòng)力總成系統(tǒng)的演化，不僅僅是比較成本、油耗、政府政策支持，也是市場(chǎng)接受度的比拼。

參考文件：

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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