Pourquoi la batterie d'une voiture se décharge-t-elle en hiver et comment la maintenir au chaud ?
Avant la fête du printemps, des collègues de PCauto et de GeekNEV ont conduit six véhicules à énergie nouvelle pour un voyage longue distance entre Guangzhou et Wuhan, à l'occasion de la fête du printemps.
L'autonomie réelle des modèles purement électriques représente environ 50-60% de l'autonomie nominale du NEDC dans des conditions de croisière à grande vitesse en hiver austral.
Si le média nordique effectue le test d'endurance en mode électrique pur, ce ratio sera plus faible. Par conséquent, nous pouvons constater que la durée de vie réelle de la batterie des véhicules à énergie nouvelle est étroitement liée à la température extérieure. Lorsque la température extérieure est trop élevée en été, la batterie doit être refroidie et le climatiseur doit être mis en marche dans la voiture.
Lorsque la température extérieure est trop basse en hiver, la batterie doit être chauffée et le chauffage doit être activé dans la voiture. Aujourd'hui, examinons quelques aspects du chauffage de la batterie :
Pourquoi vous devez garder votre batterie au chaud
À l'heure actuelle, tous les véhicules à énergie nouvelle sont équipés de batteries au lithium-ion, notamment les véhicules électriques purs BEV, les véhicules hybrides rechargeables PEHV, les véhicules à autonomie étendue REEV, les véhicules hybrides non rechargeables HEV, les véhicules à pile à combustible à hydrogène FCV, et les batteries au lithium sont très sensibles à la température.
En général, la meilleure température de fonctionnement d'une batterie lithium-ion est d'environ 20℃. Par exemple, la température constante de la batterie d'alimentation de la plateforme MEB est fixée à 23℃. Si la température de la cellule baisse trop en raison du refroidissement du monde extérieur, l'activité du matériau de l'électrode positive de la cellule diminue.
Le nombre d'ions lithium se déplaçant à l'intérieur de la cellule diminue, la capacité des ions chargés à se diffuser et à se déplacer dans les matériaux positifs et négatifs devient faible, la vitesse de transfert de l'énergie électrique diminue, les ions chargés ne se déplacent pas en douceur et les performances de charge et de décharge de la batterie diminuent.
Les basses températures affectent non seulement l'efficacité de la charge et de la décharge, mais génèrent également des dendrites de lithium en raison de la précipitation du lithium à basse température, ce qui affecte la durée de vie de la batterie et peut même entraîner la mise au rebut de la batterie à l'avance. Comme le montre le diagramme de coordonnées "SoC-Voltage" ci-dessous,
Les courbes de décharge à des températures extrêmement basses de -30°C et ultra-basses de -20°C sont très raides. Seuls 20-60% du SoC sont disponibles à -30°C, et seuls 15-80% du SoC sont disponibles à -20°C. Les variations de tension sont très importantes.
Comme la réaction chimique de la charge et de la décharge de la batterie génère de la chaleur, dans un environnement où les températures ne sont pas extrêmement basses, la batterie, après avoir fonctionné pendant des dizaines de minutes, peut compter sur sa propre chaleur pour maintenir une "température corporelle" douce et confortable.
Cependant, la batterie d'alimentation en état de démarrage à froid ne peut pas compter sur sa propre chaleur pour résister au froid de l'hiver. Il est donc nécessaire de concevoir des mesures d'isolation pour la batterie.
Prenons l'exemple de la Chine. L'étendue du territoire chinois et la longueur de l'axe nord-sud imposent des exigences différentes en matière de stratégie d'isolation des batteries d'énergie et permettent également de créer un schéma d'acheminement de la technologie des batteries "fer-lithium du sud/ternaire du nord".
L'image ci-dessus représente la courbe de tension du phosphate de fer lithié. La tension nominale n'est que de 3,2 V (les autres piles au lithium de puissance sont de 3,7 V), et le lithium ferreux est très froid.
Dans le nord de la Chine, la température moyenne en janvier est inférieure à 0°C, de sorte que l'effet de l'utilisation d'un véhicule électrique équipé de phosphate de fer lithié en hiver n'est pas satisfaisant. Les propriétaires de la Model 3 version lithium-phosphate de fer doivent se sentir au plus profond, et l'écart entre leurs voitures électriques et la version lithium ternaire en hiver est un peu grand.
Stratégie d'isolation des batteries classiques
Dans les régions où les hivers sont froids, la chaleur autogénérée par la batterie n'est pas suffisante pour maintenir une température de fonctionnement normale. Les constructeurs automobiles utilisent essentiellement les six solutions suivantes pour résoudre le problème des basses températures :
Isolation passive
En termes simples, il s'agit de l'enveloppe elle-même aux trois niveaux de la cellule, du module et du bloc-batterie, ainsi que du dispositif d'isolation thermique qui l'accompagne.
Les matériaux d'isolation doivent tenir compte de nombreux facteurs : ils doivent être mauvais conducteurs de chaleur, ignifuges, isolés, de préférence imperméables à l'eau et à la poussière, capables de résister à des températures élevées et basses, le coût des matériaux ne doit pas être trop élevé et le poids doit être plus léger...
Généralement, l'aérogel est libéré à l'intérieur du bloc-batterie pour l'isolation thermique, mais l'aérogel est plus intéressant. Il s'agit du solide ayant la densité la plus faible au monde (0,003g/cm2), dont la majeure partie est constituée de gaz. Isolant la conduction thermique, la NASA est tombée amoureuse de ce nouveau matériau dans les années 1990.
La plateforme Ultra Energy de Lyriq a également annoncé que son propre matériau isolant aérogel peut bloquer l'impact des vagues de chaleur de 600 ℃.
Le mica est également un bon matériau d'isolation thermique. La "batterie en mica" publiée précédemment par Lantu utilise la solution "mica + aérogel" pour l'isolation thermique. L'autre matériau, appelé "Telite", est une mousse modifiée qui est également utilisée pour l'isolation thermique et constitue un type de matériau relativement nouveau.
Sous l'enveloppe de ces matériaux, la chaleur autogénérée de la cellule de la batterie peut maintenir la batterie dans un état plus confortable pour la charge et la décharge. Bien que le matériau d'isolation thermique passive soit une méthode relativement "ancienne", il s'agit d'une configuration indispensable pour les batteries d'énergie, et même les nouvelles sources d'énergie simples seront enveloppées d'un certain matériau d'isolation thermique.
En outre, les ingénieurs ont également mis au point un système de résistance/liquide/source de chaleur externe que je mentionnerai plus tard lorsqu'il ne fonctionnera pas, mais ces systèmes d'isolation thermique active ne fonctionnent pas pendant longtemps. Lorsque la température est suffisante, l'alimentation électrique est naturellement coupée. À ce moment-là, l'intérieur du bloc-batterie doit encore s'appuyer sur des matériaux d'isolation thermique passive pour contrôler la température.
Système de chauffage par résistance
Avez-vous déjà utilisé "heat fast" ? C'est cela.
Cependant, le "heat fast" traditionnel est très peu coûteux et ne comporte aucun équipement de protection, ce qui équivaut à un lance-roquettes RPG tenu dans les mains d'élèves de l'école primaire.
Il existe généralement deux types de systèmes de chauffage par résistance pour les batteries d'alimentation. Le plus couramment utilisé est la thermistance CTP (coefficient de température positif), qui est une résistance semi-conductrice dont la résistance augmente avec l'élévation de la température (voir ci-dessous).
L'autre est un film chauffant, à base de métal ou de silicium, et des particules conductrices sont ajoutées au matériau organique polymère pour former un film chauffant. Ces films seront fixés près de la cellule, et l'effet de chauffage est plus uniforme que le CTP, et le volume est plus petit (seulement 2 mm d'épaisseur).
Il existe également un dispositif de chauffage utilisant l'"effet Peltier", qui est plus efficace sur le plan thermique, mais qui n'a pas encore été produit en masse. Un lecteur a déjà posé la question suivante : si la consommation d'énergie est utilisée pour chauffer la batterie, la durée de vie de la batterie ne sera-t-elle pas plus courte ?
Bonne question. Nous avons dit précédemment que les performances de charge et de décharge de la batterie à très basse température seront réduites de 50% ou plus. Si je n'utilise que 5-10% de l'énergie pour chauffer la batterie et que je la laisse récupérer 30% de l'énergie, est-ce un bénéfice ? C'est une vérité toute simple, et le système de chauffage n'a pas besoin de fonctionner en permanence. Lorsque la température est presque la même, la chaleur autogénérée laissée à la batterie pour qu'elle fonctionne pendant la seconde moitié sert à maintenir la température du corps.
Le dispositif de contrôle de la température de la plateforme MEB précédente, la partie chauffage dans la figure ci-dessous utilise un thermistor PTC (boîte rouge, un grand et un petit) et la pompe à chaleur optionnelle (cadre bleu), la partie refroidissement utilise le compresseur du climatiseur R744 (cadre bleu, le même).
Pourquoi y a-t-il deux dispositifs de chauffage PTC ? Le grand dispositif se trouve dans l'habitacle et chauffe la voiture ; le petit dispositif se trouve dans l'habitacle avant et chauffe la batterie. Une fois que les deux dispositifs sont indépendants, ils peuvent être chauffés à la demande et la consommation d'énergie sera plus faible.
En raison de la présence de PTC, même dans un environnement à basse température (-10°C), le produit ID. peut être chargé à près de 80% en 1 heure.
Système de chauffage par liquide
Dans l'article précédent, nous avons parlé des solutions de refroidissement par liquide. Les liquides peuvent évacuer la chaleur (refroidissement par liquide) ou en apporter (chauffage par liquide). Il est donc possible de passer à deux systèmes de contrôle de la température, froid et chaud, sur la base de la batterie d'alimentation refroidie par liquide.
La solution de chauffage du liquide est en fait une combinaison de "PTC + système de circulation du liquide" (équivalent à un chauffe-eau électrique), qui chauffe le liquide dans le pack par le biais du PTC, puis transfère la chaleur à chaque cellule par le biais de la circulation du liquide.
Par rapport au schéma de chauffage purement CTP, le "système de circulation CTP + liquide" chauffe plus uniformément, ce qui permet de mieux garantir la cohérence des cellules, de retarder le taux de réduction de la capacité, de réduire la probabilité d'emballement thermique et d'améliorer la durée de vie du cycle.
À l'avenir, il pourrait y avoir une production de masse de solutions de chauffage par immersion de liquide, et l'efficacité du transfert de chaleur sera plus élevée.
Chauffage par source de chaleur externe
En fait, il utilise un moteur à combustion interne pour générer de la chaleur en brûlant des combustibles fossiles pour chauffer le bloc-batterie. Un exemple typique est le "système de chauffage électrique polaire" qui peut être installé sur le WM Motor EX5.
Il s'agit en fait d'un petit moteur à combustion interne à piston monocylindre. Il utilise du carburant diesel avec un meilleur rendement énergétique et est très utile dans les environnements à températures extrêmement basses, inférieures à -30 °C.
Le fonctionnement de ce système est également très simple. Le petit réservoir de carburant d'une capacité de 6 litres est rempli de gazole, et la chaleur dégagée par la combustion du gazole est utilisée pour chauffer le liquide dans le circuit liquide de la batterie, le liquide chauffant la batterie. Si la batterie doit être chauffée pendant environ une heure après le démarrage quotidien, 6 litres de diesel suffisent pour plus d'un mois.
L'avantage du système de chauffage à source de chaleur externe est qu'il n'a pas besoin de consommer l'énergie de la batterie elle-même pour la chauffer.
Auto-échauffement de l'impulsion
Le système d'auto-chauffage par impulsion n'a été produit en série que récemment. BYD et Changan développent tous deux cette technologie. BYD dispose les modules de batterie un à un，utiliser le bloc de batterie 1 pour charger le bloc de batterie 2, puis charger rapidement le bloc de batterie 1 avec le bloc de batterie 2, et sauter rapidement à gauche et à droite.
La résistance interne de la cellule à basse température étant très importante, la charge par impulsion génère de la chaleur, qui se trouve à l'intérieur de la cellule, et il n'y a pas de perte de transfert.
Il n'y a pas d'information sur le fonctionnement du système d'auto-chauffage par impulsion de Changan.
Pompe à chaleur
Les pompes à chaleur sont devenues populaires dans le domaine des véhicules à énergie nouvelle ces dernières années. Elles utilisent la transition de phase liquide-gaz pour échanger de la chaleur.
À l'extérieur et à l'intérieur se trouve un évaporateur, qui liquéfie le gaz et libère de la chaleur ; à l'extérieur de la voiture se trouve un condenseur, qui vaporise le liquide pour absorber la chaleur ; la pompe est utilisée pour comprimer le gaz.
Pour répondre aux besoins mondiaux de protection de l'environnement, les pays interdisent progressivement l'utilisation du R134a comme réfrigérant pour les climatiseurs automobiles.
Le principal réfrigérant alternatif est le R1234yf ou le CO2 (R744). Le point d'ébullition du CO2 est plus bas que celui du R134a et du R1234yf à la pression atmosphérique standard, ce qui fait que l'efficacité du chauffage est plus élevée par temps froid. En outre, le réfrigérant CO2 est le plus respectueux de l'environnement, il est totalement non toxique et n'a pas besoin d'être recyclé pour une utilisation ultérieure.
L'efficacité de la pompe à chaleur est beaucoup plus élevée que celle du chauffage CTP, mais la puissance de la pompe à chaleur n'est pas élevée. J'ai déjà vu le démantèlement de la plateforme MEB, en cas de température extrêmement basse, le climatiseur de la pompe à chaleur et le CTP fonctionneront ensemble, et le CTP qui consomme de l'électricité sera arrêté une fois que l'augmentation de la température sera suffisante.
Les deux dernières phrases de cette section sont : l'isolation thermique et l'isolation thermique sont deux éléments indépendants fortement corrélés. L'isolation thermique est indispensable à la sécurité. Plus l'isolation thermique est performante, mieux c'est ; mais plus l'isolation thermique est performante, mieux c'est.
Les utilisateurs des hautes latitudes espèrent bien sûr que l'isolation thermique de la batterie est complète, mais si la batterie de l'utilisateur des basses latitudes est trop chaude, la performance et le coût du dispositif de refroidissement augmenteront également, sinon la chaleur ne pourra pas être déchargée en douceur en été.
Isolation de la batterie pour l'hiver et autres choses pour la voiture
Fonction de préchauffage intelligente
Lors de la charge à basse température, la matière active à l'intérieur de la batterie est très paresseuse, et en général, elle ne peut être chargée qu'au compte-gouttes. À ce moment-là, il est très dangereux de charger avec un courant élevé. Les véhicules à énergie nouvelle dont le contrôle électronique est médiocre peuvent être exposés à des risques lors de la charge rapide en hiver nordique.
Cependant, l'énergie des véhicules à énergie nouvelle est très précieuse. Lorsque le véhicule est à l'arrêt, le dispositif de chauffage n'est pas activé en permanence pour maintenir la température de la batterie. Si vous souhaitez soudainement voyager ou si vous vous connectez soudainement au réseau électrique pour le rechargement,
Les batteries démarrées à froid subiront des défaillances à très basse température, allant d'une forte réduction de la puissance, à l'impossibilité de démarrer ou à la production de dendrites de lithium réduisant la durée de vie du cycle.
À l'heure actuelle, les véhicules à énergie nouvelle de milieu et de haut de gamme seront équipés d'une fonction de préchauffage de la batterie. Un peu avant que votre APP ne prenne rendez-vous pour utiliser le véhicule, mettez en marche le dispositif de chauffage de la batterie pour la réchauffer, et mettez même en marche le chauffage de l'habitacle à l'avance.
Comment charger efficacement
Il ne fait aucun doute que la température du parking en plein air est bien inférieure à celle du sous-sol. Par conséquent, si vous êtes propriétaire d'un véhicule électrique pur, vous pouvez choisir entre le parking en plein air et le parking en sous-sol, mais choisissez d'abord le parking en sous-sol (sauf si le prix du stationnement en sous-sol est trop élevé).
En raison des basses températures en hiver, la vitesse de chargement est non seulement très lente, mais la batterie est également facilement endommagée lorsqu'elle est chargée à très basse température. Dans le sous-sol, non seulement la température est plus élevée, mais la vitesse de charge peut être améliorée, et la sécurité de la batterie est également garantie.
En hiver, la neige fondante imbibe l'équipement de recharge. Si vous travaillez sur une pile de recharge publique que vous ne connaissez pas, vous pouvez porter une paire de gants isolants en plastique (ou des gants isolants extra-larges qui peuvent être enfilés par-dessus les gants froids).
D'une part, il ne tachera pas vos mains ou vos gants de coton et, d'autre part, il peut prévenir les chocs électriques. L'entretien des installations publiques en Chine est préoccupant, et la gestion des départements concernés ou des institutions à but lucratif n'est pas efficace. Par conséquent, l'utilisation quotidienne des piles de chargement reste très sérieuse et l'isolation n'est pas en place.
En outre, le chargement est généralement lent en hiver, et de nombreuses piles de chargement publiques utilisent des places de stationnement de chargement "une pile de lignes multiples". Étant donné qu'une "pile de lignes multiples" divise une partie de la puissance, il est préférable de choisir une position de pile où les deux pistolets de charge sont au repos pour charger, afin de raccourcir le temps de charge.
Cohérence des températures
Lorsque les cellules quittent l'usine, elles présentent des différences de consistance et sont équilibrées ultérieurement par un contrôle électronique.
Le système de refroidissement et le système de chauffage entraîneront également des problèmes de cohérence pour les cellules à un stade ultérieur.
Qu'il s'agisse d'un transfert de chaleur par gaz, liquide ou solide, il doit y avoir un point le plus chaud et un point le plus froid dans un canal de transfert de chaleur. Les cellules situées au-dessus de ces deux points auront des taux de vieillissement complètement différents. Les cellules surchauffées/refroidies vieilliront très rapidement, leur capacité diminuera plus vite et la tension sera insuffisante à un stade ultérieur.
Différents types de systèmes électriques
Tous les véhicules à énergie nouvelle sont équipés de batteries d'alimentation. Parmi eux, les véhicules électriques purs BEV disposent de la plus grande batterie et d'aucun autre système d'alimentation. C'est pourquoi ils craignent le plus les basses températures en hiver et doivent consommer leur propre énergie pour se réchauffer.
Les véhicules hybrides rechargeables PHEV (batteries de taille moyenne), les véhicules hybrides à autonomie étendue REEV (batteries de taille petite/moyenne) et les véhicules hybrides non rechargeables HEV (batteries de petite taille) sont tous équipés de moteurs à combustion interne, et il n'y a donc pas lieu de s'inquiéter outre mesure des basses températures en hiver.
Les véhicules à pile à hydrogène FCV ont également besoin de préserver la chaleur, car le système d'alimentation est installé dans une petite batterie qui sert de centre d'énergie, ce qui pose également le problème de la préservation de la chaleur.
Ne jamais conduire violemment
La décharge à basse température endommage la batterie comme la charge à basse température, et les véhicules purement électriques équipés de systèmes de chauffage électrique ou de sources de chaleur externes ne sont pas à l'abri.
En effet, lorsque la voiture démarre à froid, le système de chauffage n'est pas encore opérationnel et la température à l'intérieur de la batterie est encore très basse. À ce moment-là, ne conduisez pas violemment. Même les voitures à essence qui n'ont pas un démarrage à froid en douceur sont peu énergivores en hiver.
En outre, en raison de la conduite en hiver, le chauffage est nécessaire à l'intérieur et à l'extérieur de la voiture, et les composants tels que le chauffage des rétroviseurs extérieurs, le fil chauffant de la lunette arrière, le chauffage de la climatisation, le chauffage des sièges et d'autres composants consomment beaucoup d'électricité. À ce moment-là, si vous ne conduisez pas la voiture selon le mode de fonctionnement standard, la consommation d'énergie sera beaucoup plus rapide que vous ne le pensez.
Conclusion
Par conséquent, lors de l'achat de piles, il convient de vérifier si la température de la région en hiver dépasse la plage de température de fonctionnement de la pile. Si vous vous trouvez dans une région où la température est basse en hiver, vous pouvez acheter des piles de type pile au lithium basse température avec le dispositif de conservation de la chaleur mentionné ci-dessus.
