电动汽车低温充电难题如何破:低温充电预热技术解读

2021-12-03 22:07:14·  来源:蔚来  
 
众所周知,电动汽车在极寒低温条件下会出现充电电流小、充电速度变慢的现象。冬季户外充电时,在寒风中漫长而焦灼的等待体验,不少北方电车老司机都不陌生。冬季
众所周知,电动汽车在极寒低温条件下会出现充电电流小、充电速度变慢的现象。冬季户外充电时,在寒风中漫长而焦灼的等待体验,不少北方电车老司机都不陌生。
冬季低温充电为什么会变慢?蔚来又如何针对性破解?本期给大家解析蔚来Aspen 3.0.7带来的冬季充电优化方案:低温充电预热。
解决冬季户外充电难,最好的办法当然是——换电,但显然在现阶段还不足以满足国内所有的用车场景。
要解决低温充电难,首先要弄明白,电池在低温下为什么会充电变慢。
先说结论:温度过低会显著影响锂电池化学反应的效率,它——被「冻僵」了。
当前的电车电池,在放电时,会消耗电极上的化学物质对外释放电能;充电时,则通过消耗外界电能,将之前消耗掉的化学物质重新还原到电极上。
例如,蔚来所用的锂离子电池,即是通过锂离子(Li+)在正负极之间的迁移来实现能量的存储和释放。充电过程中,锂离子和电子的运动轨迹如下图所示。

图注:
① 正极脱出锂离子,同时释放电子
② 锂离子经由电解液,穿过隔膜,移动到负极表面;电子经由外电路达到负极
③ 锂离子与电子在负极表面发生反应,生成Li原子
④ Li原子经固相扩散过程向负极材料内部扩散形成LiCx
电池内部的化学反应效率受到温度的影响。低温环境会导致正负极的动力学性能变差,电解液粘度上升,电导率下降, Li+在正负极之间迁移活性也就会相应降低。
在这种情形下使用大电流充电,会导致固相扩散动力不足(见上图④步骤),负极表面会聚集大量锂原子,引起锂枝晶在负极表面析出(析锂)。析锂不但会造成电池容量损失,性能下降,严重时还会刺穿隔膜,引发安全事故。
要解决低温充电导致的析锂问题,除了改进优化电芯关键材料,剩下的办法主要有两条:降低低温下的充电电流,或在充电前提升电池温度。
降低充电电流会延长充电时间,用户体验不佳,并不可取。唯有在低温充电前提升电池温度,才能尽可能地减少充电时间,不但改善用户体验,还把对电池的损伤降到了最低限度。
目前业内通行的解决办法,是在电车低温充电情形下,从被插上充电枪的那一刻起,以电池管理模块控制电池持续升温。但这时再加热其实为时已晚,充电总时长仍被显著拉长,依然影响用车体验。
怎么办?唯有「低温充电预热」。
实现「低温充电预热 」,主要依靠的是号称能量系统大脑的VCU(Vehicle Control Unit车身控制系统)。它是能量系统与车主「对话」的重要媒介。
在电动汽车中,VCU通过采集驾驶员的需求信号,经过一系列逻辑判断与数学运算后,将会控制与协调动力电池、驱动电机、空调等高压零部件的启停工作状态,管理与外部充电桩的充电过程,并对整车放电过程和充电过程中的可用电池能量进有效的分配,为用户的日常用车保驾护航。
具体到「低温充电预热 」这一功能。首先,用户在导航的过程中,激活功能后,VCU会主动请求目的地充电桩的充电信息(包括最大充电电压,最大充电电流,最大充电功率等),计算用户车辆在目的地充电桩上的最优充电功率。
其次,VCU会根据导航的线路,用户的驾驶风格等信息,预测车辆行驶过程中的电池温度变化曲线和相应的行驶时间,根据最优充电功率、电池温度变化曲线,电池的SOC、单体电压等信息,来综合判断车辆是否需要开启加热,同时拟合出电池包的目标加热温度。
此外,VCU还会基于车辆行驶时间、电池加热时间、电池包的目标加热温度,估算出电池包加热需要额外消耗的能量,通过优化算法的方式,得到消耗能量和充电功率的最优解,从而最终确定电池包的升温目标和加热时间。

在车辆行驶过程中,意外多变的路况,乘员舱空调的使用,用户驾驶习惯的变化,均会对电池的温升曲线产生影响。所以,在VCU开启电池包加热时,会基于当前导航信息和当前车辆状态(电池剩余电量、电池温度、高压负载状态)实时修正电池包的加热目标和加热时间,确保车辆抵达充电桩时的充电功率处于最优状态。
当剩余电池容量充足时(既满足电池加热需求,也能确保用户行驶至目的地),VCU会按照既定的加热目标和加热时间对电池包进行温度管理。而一旦电池容量出现风险,不足以支持车辆在加热功能开启的情况下到达目的地,加热功能会提前退出,确保用户车辆正常抵达。
 
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