Por qué se agota la batería del coche en invierno y cómo mantenerla caliente
Antes de la Fiesta de la Primavera, los compañeros de PCauto y GeekNEV condujeron 6 vehículos de nueva energía en un viaje de larga distancia entre Guangzhou y Wuhan en el marco de la "conducción inteligente durante miles de kilómetros" de la Fiesta de la Primavera.
Entre ellos, la duración real de la batería de los modelos eléctricos puros es de aproximadamente 50-60% de la duración nominal de la batería NEDC en condiciones de crucero suave a alta velocidad en invierno austral.
Si los medios del norte realizan la prueba de resistencia eléctrica pura, esta relación será menor. Por lo tanto, podemos constatar que la duración real de la batería de los vehículos de nueva energía tiene una correlación muy fuerte con la temperatura exterior. Cuando la temperatura exterior es excesiva en verano, es necesario enfriar la batería y encender el aire acondicionado del coche.
Cuando la temperatura exterior es demasiado baja en invierno, es necesario calentar la batería y encender la calefacción del coche. Hoy, vamos a echar un vistazo a algunas cosas sobre la calefacción de la batería:
Por qué hay que mantener la batería caliente
En la actualidad, todos los vehículos de nueva energía están equipados con paquetes de baterías de iones de litio, incluyendo BEV eléctrico puro, PEHV plug-in híbrido, REEV gama extendida, HEV no plug-in híbrido, FCV pila de combustible de hidrógeno, y la batería de litio es muy sensible a la temperatura, la temperatura es demasiado caliente y demasiado frío, se carga / descarga bien en ningún momento.
En términos generales, la mejor temperatura de trabajo de la batería de iones de litio es de alrededor de 20℃. Por ejemplo, la temperatura constante de la batería de potencia de la plataforma MEB se establece en 23℃. Si la temperatura de la celda baja demasiado debido al enfriamiento del mundo exterior, la actividad del material del electrodo positivo de la celda disminuye.
El número de iones de litio que se mueven dentro de la célula disminuye, la capacidad de los iones cargados para difundirse y moverse en los materiales positivo y negativo se vuelve pobre, la velocidad de transferencia de energía eléctrica disminuye, los iones cargados no se mueven con suavidad y el rendimiento de carga y descarga de la batería disminuye.
La baja temperatura no sólo afecta a la eficiencia de carga y descarga, sino que también genera dendritas de litio debido a la precipitación de litio a baja temperatura, lo que afecta a la vida útil del ciclo de la batería e incluso hace que la batería se deseche de antemano. Como puede verse en el diagrama de coordenadas "SoC-Voltaje" que se muestra a continuación,
Las curvas de descarga a temperaturas extremadamente bajas de -30°C y a temperaturas ultrabajas de -20°C son muy pronunciadas. Sólo 20-60% del SoC está disponible a -30°C, y sólo 15-80% del SoC está disponible a -20°C. Los cambios de voltaje son muy grandes.
Dado que la reacción química de carga y descarga de la batería genera calor, en un entorno que no sea de temperaturas extremadamente bajas, la batería, después de funcionar durante decenas de minutos, puede confiar en su propio calor para mantener una "temperatura corporal" suave y confortable.
Sin embargo, la batería eléctrica en estado de arranque en frío no puede confiar en su propio calor para resistir el frío invierno exterior. En este momento, hay que diseñar medidas de aislamiento para la batería.
Tomemos el ejemplo de China. Dado que la superficie de China es tan grande y el tramo norte-sur es largo, esto da lugar a diferentes requisitos para la estrategia de aislamiento de las baterías de energía, y también les permite formar un patrón de ruta de la tecnología de baterías de "litio hierro del sur/norte ternario".
La imagen de arriba es la curva de tensión del litio hierro fosfato. El voltaje nominal es sólo 3.2V (otras baterías de litio de potencia son 3.7V), y litio de hierro es muy frío.
En el norte de China, la temperatura media en enero es inferior a 0 °C, por lo que el efecto de utilizar un vehículo eléctrico equipado con fosfato de hierro y litio en invierno no es satisfactorio. Los propietarios de la versión de fosfato de hierro y litio del Model 3 deben sentir lo más profundo, y la diferencia entre sus coches eléctricos y la versión de litio ternario en invierno es un poco grande.
Estrategia general de aislamiento de baterías
En zonas con inviernos fríos, el calor autogenerado por la batería no basta para mantener la temperatura normal de funcionamiento. Las empresas automovilísticas utilizan básicamente las seis soluciones siguientes para resolver el problema de las bajas temperaturas:
Aislamiento pasivo
En pocas palabras, es la propia envoltura en los tres niveles de la célula, el módulo y el paquete de baterías, así como el dispositivo de aislamiento térmico de apoyo.
Los materiales aislantes deben tener en cuenta muchos factores, como que sea un mal conductor del calor, que sea ignífugo, que esté aislado, que sea preferiblemente impermeable y a prueba de polvo, y que pueda soportar altas temperaturas y bajas temperaturas, que el coste del material no sea demasiado elevado, y que el peso sea más ligero...
Generalmente, el aerogel se libera en el interior de la batería para aislar el calor, pero el aerogel es más interesante. Es el sólido con la densidad más baja del mundo (tan baja como 0,003g/cm2), y la mayor parte es gas. Aislante de la conducción del calor, la NASA se enamoró de este nuevo material en los años 90.
La plataforma Ultra Energy de Lyriq también anunció que su propio material aislante de aerogel puede bloquear el impacto de olas de calor de 600 ℃.
La mica también es un buen aislante térmico. La "batería de mica" lanzada anteriormente por Lantu utiliza la solución "mica + aerogel" para el aislamiento térmico. El otro material se llama "Telite", que es un material de espuma modificada, que también se utiliza para el aislamiento térmico y es un tipo de material relativamente nuevo.
Bajo la envoltura de estos materiales, el calor autogenerado de la célula de la batería puede mantenerla en un estado más confortable para la carga y la descarga. Aunque el material de aislamiento térmico pasivo es un método relativamente "antiguo", es una configuración imprescindible para las baterías de energía, e incluso las nuevas fuentes de energía sencillas se envolverán en un determinado material de aislamiento térmico.
Además, los ingenieros también han desarrollado un sistema de resistencia/líquido/fuente de calor externa que mencionaré más adelante cuando no funcione, pero estos sistemas de aislamiento térmico activo no funcionan durante mucho tiempo. Cuando la temperatura es suficiente, la fuente de alimentación se desconecta de forma natural. En este momento, el interior del pack de baterías todavía necesita confiar en los materiales de aislamiento térmico pasivo para controlar la temperatura.
Sistema de calefacción por resistencia
¿Has usado alguna vez "calentar rápido"? Eso es.
Sin embargo, el "rápido de calor" tradicional es de muy bajo coste y no dispone de ningún equipo de protección, lo que equivale a un lanzacohetes RPG en manos de alumnos de primaria.
En general, existen dos tipos de sistemas de calentamiento por resistencia para las baterías eléctricas. El más utilizado es el denominado termistor PTC (coeficiente de temperatura positivo), que es una resistencia semiconductora cuya resistencia aumenta con el aumento de temperatura (abajo).
La otra es una película calefactora, que es metálica o de silicio, y ahora hay partículas conductoras añadidas al material orgánico polimérico para hacer una película calefactora. Estas películas se adhieren cerca de la célula, y el efecto de calentamiento es más uniforme que el PTC, y el volumen es menor (sólo tan fino como 2 mm).
También existe un dispositivo de calentamiento que utiliza el "efecto Peltier", que es más eficiente térmicamente, pero aún no se ha fabricado en serie. Un lector ha preguntado antes: si el consumo de energía se utiliza para calentar la batería, ¿no sería menor su duración?
Buena pregunta. Antes dijimos que el rendimiento de carga y descarga de la batería a temperatura ultrabaja se reducirá en 50% o más. Si sólo utilizo 5-10% de la energía para calentar la batería y dejo que recupere 30% de la energía, ¿es un beneficio? La verdad es muy simple, y no es necesario que el sistema de calefacción funcione todo el tiempo. Cuando la temperatura es casi la misma, el calor autogenerado que queda para que la batería funcione en la segunda mitad es para mantener la temperatura corporal.
El dispositivo de control de temperatura de la plataforma MEB anterior, la parte de calefacción en la figura de abajo utiliza un termistor PTC (caja roja, una grande y una pequeña) y la bomba de calor opcional (marco azul), la parte de refrigeración utiliza la unidad de compresor de aire acondicionado R744 (marco azul, el mismo).
¿Por qué hay dos calefactores PTC? El grande está en la cabina, calentando el coche; el pequeño está en la cabina delantera, calentando la batería. Cuando los dos dispositivos sean independientes, podrán calentarse a demanda y el consumo de energía será menor.
Debido a la presencia de PTC, incluso en un entorno de baja temperatura de -10°C, el producto ID. puede cargarse hasta casi 80% en 1 hora.
Sistema de calefacción por líquido
En el artículo anterior, hablamos de las soluciones de refrigeración líquida. Los líquidos pueden quitar calor (refrigeración líquida) o traer calor (calentamiento líquido), por lo tanto, se puede cambiar a dos sistemas de control de temperatura, frío y caliente, sobre la base de la batería de energía refrigerada por líquido.
La solución de calentamiento de líquido es en realidad una combinación de "PTC + sistema de circulación de líquido" (equivalente a un calentador de agua eléctrico), que calienta el líquido del paquete mediante PTC y luego transfiere calor a cada célula mediante la circulación de líquido.
En comparación con el esquema de calentamiento PTC puro, el "sistema PTC + circulación de líquido" calienta de forma más uniforme, lo que puede garantizar mejor la consistencia de las células, retrasar la tasa de reducción de la capacidad, reducir la probabilidad de embalamiento térmico y mejorar la vida útil del ciclo.
En el futuro, es posible que se produzcan en serie soluciones de calentamiento de líquidos por inmersión, y la eficacia de la transferencia de calor será mayor.
Calefacción por fuente de calor externa
De hecho, utiliza un motor de combustión interna para generar calor quemando combustibles fósiles para calentar el paquete de baterías. Un ejemplo típico es el "sistema de calefacción eléctrica polar" que puede instalarse en la WM Motor EX5
De hecho, es un pequeño motor de combustión interna de pistón monocilíndrico. Utiliza combustible diésel con mayor eficiencia de combustible y es muy útil en entornos de temperaturas extremadamente bajas, por debajo de -30 °C.
El proceso de funcionamiento de este sistema también es bastante sencillo. El pequeño depósito de combustible con una capacidad de 6L se llena con gasóleo, y el calor tras la combustión del gasóleo se utiliza para calentar el medio líquido en el circuito de líquido de la batería, el medio líquido calienta la batería. Si necesita calentarse durante aproximadamente 1 hora después de arrancar cada día, 6L de gasóleo son suficientes para más de 1 mes.
La ventaja del sistema de calefacción con fuente de calor externa es que no necesita consumir la energía de la propia batería para calentarla.
Autocalentamiento por impulsos
El sistema de autocalentamiento por impulsos se fabrica en serie desde hace poco tiempo. Tanto BYD como Changan están desarrollando esta tecnología. Entre ellos, BYD dispone los módulos de baterías uno a uno, utiliza el pack de baterías 1 para cargar el pack de baterías 2, luego carga rápidamente el pack de baterías 1 con el pack de baterías 2, y salta rápidamente a izquierda y derecha.
Debido a que la resistencia interna de la célula a baja temperatura es muy grande, la carga por impulsos generará calor, y el calor está dentro de la célula, y no habrá pérdida de transferencia.
No hay información sobre cómo es el sistema de autocalentamiento por impulsos de Changan.
Bomba de calor
Las bombas de calor se han popularizado en los últimos años en el campo de los vehículos de nueva energía. Utilizan la transición de fase líquido-gas para intercambiar calor.
Fuera y dentro hay un evaporador, que licua el gas y libera calor; fuera del coche hay un condensador, que vaporiza el líquido para absorber el calor; la bomba se utiliza para comprimir el gas.
Basándose en las necesidades de protección del medio ambiente mundial, los países están prohibiendo gradualmente el R134a como refrigerante para los sistemas de aire acondicionado de los automóviles.
El principal refrigerante alternativo es el R1234yf o el CO2 (R744). El punto de ebullición del CO2 es inferior al del R134a y el R1234yf a presión atmosférica estándar, por lo que la eficiencia calorífica es mayor en climas fríos. Además, el refrigerante CO2 es el más respetuoso con el medio ambiente, no es tóxico en absoluto y no necesita reciclarse para su uso posterior.
La eficiencia de la bomba de calor es mucho mayor que la de la calefacción PTC, pero la potencia de la bomba de calor no es alta. He visto el desmontaje de la plataforma MEB antes, en el caso de temperatura extremadamente baja, el aire acondicionado de la bomba de calor y PTC trabajarán juntos, y el PTC que consume electricidad se detendrá después de que el aumento de temperatura es suficiente.
Las dos últimas frases de esta sección son: aislamiento térmico y aislamiento térmico son dos elementos independientes con una fuerte correlación. El aislamiento térmico es imprescindible para la seguridad. Cuanto mayor sea el rendimiento del aislamiento térmico, mejor.
Los usuarios de latitudes altas esperan, por supuesto, que el rendimiento del aislamiento térmico de la batería sea pleno, pero si la batería del usuario de latitudes bajas está demasiado caliente, el rendimiento y el coste del dispositivo de refrigeración también aumentarán, de lo contrario el calor no podrá descargarse sin problemas en verano.
Aislamiento de la batería para el invierno y otras cosas para el coche
Función de precalentamiento inteligente
Cuando se carga a baja temperatura, el material activo dentro de la batería es muy perezoso, en general, sólo se puede cargar por goteo. En este momento, es muy peligroso cargar con corriente alta. Los vehículos de nueva energía con un control electrónico deficiente pueden correr peligro cuando se cargan rápidamente en el invierno boreal.
Sin embargo, la potencia de los vehículos de nueva energía es muy preciada. Cuando el vehículo está parado, el dispositivo de calefacción no se activa todo el tiempo para mantener la temperatura de la batería. Si de repente quieres viajar o conectarte repentinamente a la red eléctrica para cargar,
Las baterías arrancadas en frío sufrirán fallos a temperaturas ultrabajas, que van desde una gran reducción de la potencia, o fallos en el arranque o la producción de dendritas de litio que reducen la vida del ciclo.
En la actualidad, los vehículos de nueva energía de gama media-alta estarán equipados con una función de precalentamiento de la batería. Un poco antes de que su APP concierte una cita para utilizar el vehículo, encienda el dispositivo de calentamiento de la batería para calentarla, e incluso encienda de antemano la calefacción del habitáculo.
Cómo cargar eficazmente
No cabe duda de que la temperatura del aparcamiento al aire libre es muy inferior a la del sótano. Por lo tanto, si usted es propietario de un vehículo eléctrico puro, puede elegir entre el aire libre y el sótano, y por favor elija primero el sótano (excepto cuando la tarifa de estacionamiento en el sótano es demasiado alta).
Debido a la baja temperatura en invierno, la velocidad de carga no sólo es muy lenta, sino que también la batería se daña fácilmente cuando se carga a temperatura ultrabaja. Bajo el sótano, no sólo la temperatura es más alta, la velocidad de carga se puede mejorar, y la seguridad de la batería también está garantizada.
En invierno, la nieve derretida empapará el equipo de carga. Si está operando en una pila de carga pública con la que no está familiarizado, es posible que desee usar un par de guantes aislantes de plástico (o guantes aislantes extragrandes que se pueden poner sobre los guantes fríos).
Por un lado, no manchará las manos ni los guantes de algodón y, por otro, puede evitar descargas eléctricas. El mantenimiento de las instalaciones públicas en China es preocupante, y la gestión de los departamentos competentes o las instituciones con ánimo de lucro no es eficaz. Por lo tanto, el uso diario de las pilas de carga sigue siendo muy grave, y el aislamiento no existe.
Además, la carga suele ser lenta en invierno, y muchas pilas de carga públicas utilizan aparcamientos de carga de "una pila de varias líneas". Dado que "una pila de varias líneas" dividirá una parte de la potencia, al cargar, es mejor elegir una posición de la pila en la que ambas pistolas de carga estén inactivas para cargar, de modo que se pueda acortar el tiempo de carga.
Consistencia de la temperatura
Cuando las células salgan de fábrica, habrá diferencias de consistencia, y se equilibrarán posteriormente mediante control electrónico.
El sistema de refrigeración y el sistema de calefacción también traerán problemas de consistencia a las células en la fase posterior.
Ya se trate de transferencia de calor de gas, líquido o sólido, en un canal de transferencia de calor debe haber un punto más caliente y un punto más frío. Las células situadas por encima de estos dos puntos tendrán velocidades de envejecimiento completamente diferentes. Las células sobrecalentadas/enfriadas envejecerán muy rápidamente, su capacidad disminuirá más rápido y habrá una tensión insuficiente en la fase posterior.
Diferentes tipos de sistemas de energía
Todos los vehículos de nueva energía están equipados con baterías de potencia. Entre ellos, los vehículos eléctricos puros BEV tienen la mayor batería de potencia y ningún otro sistema de alimentación. Por lo tanto, temen más las bajas temperaturas en invierno y necesitan consumir su propia energía para mantenerse calientes.
Los vehículos híbridos enchufables PHEV (baterías de tamaño medio), los vehículos híbridos de autonomía extendida REEV (baterías de tamaño pequeño/medio) y los vehículos híbridos no enchufables HEV (baterías de tamaño pequeño) están equipados con motores de combustión interna, por lo que no hay que pensar demasiado en las bajas temperaturas en invierno.
Los vehículos de pila de combustible de hidrógeno FCV también necesitan preservación del calor, porque el sistema de alimentación está instalado en una pequeña batería de potencia como centro de energía, por lo que también existe el problema de la preservación del calor.
Nunca conduzca de forma violenta
La descarga a baja temperatura perjudica a la batería igual que la carga a baja temperatura, y los vehículos eléctricos puros equipados con sistemas de calefacción eléctrica o fuentes de calor externas no son inmunes.
Porque cuando el coche arranca en frío, el sistema de calefacción aún no ha entrado en estado, y la temperatura en el interior de la batería es todavía muy baja. En este momento, no conduzca violentamente. Incluso los coches de gasolina que no tienen un arranque en frío suave son de bajo consumo en invierno.
Además, debido a la conducción en invierno, es necesario calentar el interior y el exterior del coche, y componentes como la calefacción de los retrovisores exteriores, el cable calefactor de la luneta trasera, la calefacción del aire acondicionado, la calefacción de los asientos y otros componentes consumirán mucha electricidad. En este momento, si no conduce el coche de acuerdo con el modo de funcionamiento estándar, el consumo de energía será mucho más rápido de lo que piensa.
Conclusión
Por lo tanto, al comprar baterías, preste atención a si la temperatura de la región en invierno supera el rango de temperatura de funcionamiento de la batería. Si se encuentra en un lugar donde la temperatura es baja en invierno, puede comprar la batería de litio de baja temperatura con el dispositivo de conservación del calor antes mencionado.
