电动车为什么怕冷又怕热？如何让电动车电池不惧冷热？
来源：宝鄂实业
2019-03-04 20:31
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在2016年北京寒冬中电动车的实际情况，有下面三个例子：
1）周六今天加班，气温-14℃到-15℃。昨天满电续航120km，今天启动没多久降到93km，到单位单程22.7km，心理预估将将够。上班途中开了2分钟空调不暖，电池掉点厉害，迫不得已关了空调裹紧棉袄。开到单位电量还有69%，-15度实际续航大约才50km，心想远地儿还是别开车，尽量坐地铁，要是堵车估计40km都开不到。
2）买了电动车，冬天不是很冷时续航就只有120km，开了60km后就没敢开暖风。标注160km续航，实际开着暖风，充电两次才跑100公里，很无语！
3）白天-8℃，晚上-17℃，早上充满178km，开了40分钟空调掉到34km，之后再没开空调。
从案例可以看出，随着温度降低，电动车普遍出现严重掉电，打开空调后尤为明显。造成这种现象的主因是电池在低温下的特性变化，下面这个图就显示了45℃到-30℃时，A123 20Ah电池单次放电的变化：
△图2 A123电池在不同温度下的放电曲线
可以明显地看出：
25度：放电接近20Ah
0度：只能释放出来17Ah左右
-10度：只能释放出来16Ah左右
-20度：只能释放出来14Ah左右
-30度：只能释放出来11Ah左右
低温放电，不仅仅是释放容量小，电池电压也快速下降，会出现想放电放不出来的情况。电池电压下降后，电池管理系统（BMS）会限制放电电流，一般在电池单体处就会加以限制以便保护电池。
根据表格显示，与25℃相比：-10度为原来能力的33%；-20度为原来能力的23%；-30度为原来能力的8%。
这里最严重的问题，是在不同荷电状态（SOC），不同气温时，驾驶者实际开车时并非保持匀速驾驶，而是高频的油门刹车切换操控，导致整个车的动力性不均匀。驾驶者不仅要面对道路结冰，外部严寒，还要操心不确定状态输出时车子的续航变化，这个问题也成为了电动车普及的一个难点。
高温的问题
高温问题隐藏的更深一些。因为在高温下电动汽车的工作里程反而会增加，但是其实内部反应却让电池寿命受到很大影响，特别是单体温度差导致容量和参数的变化，使得电池单体间的差异进一步的加大。而处在不同温度的电池单体的电气特性差异会逐渐引起均衡电路更大的压力，导致整个电池系统可用的能量下降。
下图是电池内阻增加的模型和容量衰减模型，可以看到里面电池运行时温度永远占据一个很重要的角色。如果电池温度不受控，容量就得按照指数的形式衰减。
另一个角度，如果我们从一款电池在不同温度下的循环寿命和日历寿命来看，更容易发现温度对电池使用时间和充放次数的实际影响，下面图片就直观反映了这一变化。消费者对于手机电池的信心，也影响到了整个电动汽车电池的信心，而要大家接受电池能使用很长一段时间（5年～10年），温度是一个必须要控制的一个值。
上面考虑的都是外部环境温度对电池产生的影响，从某种程度而言，我们也需要认真的理解电池的产热行为。
电池产热在理论上包含几个方面，用公式表示是Qt=Qr+Qp+Qs+Qj。Qt是总产热，Qj代表电流通过电池内阻产生焦耳热，Qr代表电池反应热，Qs代表电池内部副反应热，Qp代表电池极化引起的能量损失。
在实际车辆使用中，我们可以把电池产热分为稳态和瞬态两种，稳态是指车辆平稳行驶时电池的产热，瞬态是指加减速等情况下电池的产热。下面的图片是两种产热的计算方法，简单来说，瞬态放热的计算比较复杂，需要建立热模型进行测量，而稳态产热则以焦耳热为主。
因此在车型前期需要对电池进行整体测定，以雪佛兰Volt为例，会采取下面几个步骤：
1.通过整车的工况，估算电池组需要放电和充电的工况；
2.使用仿真来验证以上的条件；
3.通过估算推导在放电和充电条件下电池组产热情况；
4.考虑系统的选择方案(液冷和风冷)；
5.以正常值考虑单体电池需要的散热条件；
6.在既定的散热条件下设计相应的散热片或者散热间隙；
7.通过流体设计软件来仿真结果。
热设计的过程，其实是将外部环境、车辆动力控制、电池模型和热控制耦合起来，需要设置大量的条件来保证电池系统工作正常。很简单的算法背后，需要大量的使用工况和电池模型的测试。做得好才能保证电池系统在保修期内不出问题，否则即使保证单体包换，也会逐步加大售后的成本和压力。
案例分析
从控制性的角度，热管理系统可以分为主动式、被动式两类。被动式是指整个控制系统不需要对热管理进行调整，主动式指需要通过采集温度信号来主动调节温度。
从传热介质的角度，热管理系统又可以分为：空气冷却式热管理、液体冷却式热管理、相变蓄热式热管理（实际这个很难上车）。液冷与空冷相比，可以快速带走电池热量，降温更加有效，但是工艺设计上十分复杂。
我们国家的车，也确实从被动往主动，空冷到液冷的模式走了。
上面是Focus EV液冷设计的一些细节，供大家参考，需要很精确的工艺设计。
福克斯EV其实是用了PHEV的功率型电池来做能量型电池，它的液冷和加热系统的性能是比较好的，事实上这款车即使在密西根的冬季也能扛过去。通过整个系统的设计，综合使用车联网、充电系统和整车控制器，可以让车子在出发前充电时调节电池包温度。每个电池用这么些冷却板，如图11所示，其实也花了老大的血本。总体而言，这也表达了工程师对电池长期使用的忧虑而采取的一种办法。
超级电池的美丽与哀愁
作者：车联社
超级电池，全称超级电容电池，对比传统的电池有着不可比拟的优势。被认为是一种可以改变电动汽车命运的技术，到目前为止，却基本没有相关的汽车产品。关于超级电容电池百度百科的解释是黄金电容、法拉电容，它通过极化电解质来储能，属于双电层电容的一种。由于其储能的过程并不发生化学反应，因此这种储能过程是可逆的，正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容一般使用活性碳电极材料，具有吸附面积大，静电储存多的特点。
超级电容电池 看上去很美
顾名思义，这种电池是由电容器组成的。电容，它就是一个储电源器件，其作用就是储存电荷，然后在需要的时候释放。但是一般的电容所储存的电荷非常少，能量密度甚至远低于蓄电池。所以，一直以来电容器一般都不作为电源来使用。
不过，人类的探索欲望是没有穷尽的，随着科学的进步，科学家发现了一种能储存大量电荷的电容，那就是超级电容。既然这种电池是由电容组成的，那它与传统的化学电池就有本质上的区别：
第一，超级电池的充放电过程不会发生化学变化，这个过程实质上就是电子的转移。没有化学变化，就不会有在化学反应中产生的次生物，材料就可以有更加持久的使用周期。超级电池循环使用寿命非常长，深度充放电循环使用次数可达50万次，这也就意味着一辆搭载超级电容电池的电动车使用至报废基本都不用换电池。
第二，充电速度极快，只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95%以上，而且充电速度的快慢基本不会影响超级电池的寿命。这一点也得益于超级电池的工作没有化学反应，传统的化学电池充放电过程由于有化学反应，一旦充电过快，就会产生其他的物质，进而影响电池使用寿命。
第三，大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小。这一点依然得益于它的物理特性，它的放电过程，只是电子从电容的一边跑到了另一边。既然没有化学反应，大电流放电就基本不会影响使用寿命。
第四，比传统化学电池高数倍的能量密度。目前，中国研制的超级电容电池的能量密度就可以达到10KWh/Kg。如果按照这样的能量密度，再加上机械转化效率，1Kg超级电池基本相当于1升汽油。对比化学电池0.05-0.18KWh/Kg的能量密度，超级电池优势巨大。上次跟大家讲过，电池的原理都是电子的移动。锂电池是由负极的氢来提供电子，正极由钴酸锂或磷酸铁锂等材料得到电子，从而形成电流。大量的材料比如储氢材料，电解液，还有正极的材料，都是为了让氢的电子动起来。所以，传统电池大部分的重量都做了辅助工作，真有作用的就是氢的电子。超级电容的原理就是两块材料，给它一个电压，让电子跑到一边去，放电的时候电子多的那一块材料上的电子就会跑到少的那一块上，形成电流。所以，理论上讲超级电容所有的重量都能参与电子的流动，它的能量密度就会比化学电池大得多。
第五，环保。超级电池的主要材料石墨烯非常稳定，不会对环境造成破坏。所以，超级电池绝对环保。
这是超级电池的主要优点，还有一些小的有点诸如充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；超低温特性好；检测方便，剩余电量可直接读出。既然超级电池有如此多的优点，为什么至今没有普及呢？
为什么至今没有普及呢？
超级电容电池的缺点和它的优点一样明显。由于超级电池过快的放电速度和过低的内阻，如果设计不好的话，本身就蕴含着“能量突然大爆发”所隐藏的风险。超级电容放电可以非常快，最大输出功率可达24KW/Kg，一个50Kg的超级电容电池，最大输出功率1200KW，一脚电门踩下去，车能飞起来。
自放电速度比电池快得多，通俗的说就是“存不住电”。超级电容始终是由电容组成的，电容是是由两块电极之间夹一层绝缘电介质构成，无论如何两块电极之间都会有电子的流动，这样就会造成储存电量的减少。超级电池充满电之后过一段时间就可能没电了。
不耐高温，超级电池的工作温度是-40-70℃，耐高寒，温度过高会影响工作，甚至损坏电池。
最大的缺点仍然是成本。虽然世界各国都在加快超级电容的研制，但要想超级电容在民用中普及，尚需时日。
我们可以看见，超级电容的缺点是可以克服，目前其技术尚不成熟。可是超级电容的发展速度非常快，在未来几年内就能运用到民用上，那为什么在汽车上仍难觅其踪迹呢？
超级电容电池目前在汽车领域不火的原因
超级电容比起传统电池有着不可比拟的优势，二者的差距就像苹果ios和诺基亚塞班。那为什么这种电池就么有运用到汽车上呢？
车联社认为超级电池在汽车领域的“尴尬”并不是因为它的缺点无法克服。的确，超级电池现在仍有许多缺点，所以不能大规模民用，可要解决这些缺点需要的时间并不长，也许再过一两年这项技术就能民用。超级电池之所以“尴尬”，是因为它太具有革命性了。
我们可以想象一下，一旦这项技术成熟，可以大规模运用，会发生什么。如果出现了一辆电动车，他一次充电20分钟以内，充电之后可以跑上500公里以上，电池能用几十年，一脚“油门”下去感觉堪比跑车。如果有这么一种电动车出现了，如果油价又上升到了8块每升，那汽油车还会有多少销量。这项技术可以带动一次汽车动力革命，但显然，各国都未做好准备，包括中国。因为现在的汽车产业和社会经济经受不起这种程度的冲击。
而且，超级电池技术十分先进，各国在研制成功之前都会雪藏，然后在关键的时候拿出来抢占市场。就像当年的苹果，默默无闻，厚积薄发，搞出了一个iPhone4，抢占了大量的市场。这也是目前超级电池汽车看似不受关注的一个原因。
超级电池技术未来市场前景如何？
世界各国已经加快对超级电容电池的研制，在中国，超级电池也发展迅速。车联社没有找到中国关于超级电池发展规划的资料，不过中国已经研制出了27KWh/Kg的超级电池，用于电磁炮的发射系统，相信不久将来可以民用。石墨烯得益于它的超高的导电性，已经成为了一种制造超级电池的优良材料。
一旦完全用电力来驱动汽车，世界各国的汽车产业将重新处于同一起跑线，欧美等过多年来在发动机上累积的优势将荡然无存，这也就是“弯道超车”理论，要实现这一理论，只能依靠超级电容电池。
所以，车联社认为，超级电容电池依然会继续“尴尬”一段较长的时间，这是因为技术的研发尚需时日。但是，一旦超级电池运用到汽车领域，必将引起不小轰动，甚至取代内燃机车。超级电池现在除了成本问题，其它的都是可以解决的问题，而且解决这些小问题都不需要太多的时间。至于制造成本，就要看国家的研发了，这是大国之间的角力，谁先突破这门技术，谁就能取得未来汽车市场的先机。
