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電動汽車低溫充電難題如何破：低溫充電預(yù)熱技術(shù)解讀

2021-12-03 22:07:14·  來源：蔚來  
　
眾所周知，電動汽車在極寒低溫條件下會出現(xiàn)充電電流小、充電速度變慢的現(xiàn)象。冬季戶外充電時，在寒風(fēng)中漫長而焦灼的等待體驗，不少北方電車?yán)纤緳C(jī)都不陌生。冬季
眾所周知，電動汽車在極寒低溫條件下會出現(xiàn)充電電流小、充電速度變慢的現(xiàn)象。冬季戶外充電時，在寒風(fēng)中漫長而焦灼的等待體驗，不少北方電車?yán)纤緳C(jī)都不陌生。
冬季低溫充電為什么會變慢？蔚來又如何針對性破解？本期給大家解析蔚來Aspen 3.0.7帶來的冬季充電優(yōu)化方案：低溫充電預(yù)熱。
解決冬季戶外充電難，最好的辦法當(dāng)然是——換電，但顯然在現(xiàn)階段還不足以滿足國內(nèi)所有的用車場景。
要解決低溫充電難，首先要弄明白，電池在低溫下為什么會充電變慢。
先說結(jié)論：溫度過低會顯著影響鋰電池化學(xué)反應(yīng)的效率，它——被「凍僵」了。
當(dāng)前的電車電池，在放電時，會消耗電極上的化學(xué)物質(zhì)對外釋放電能；充電時，則通過消耗外界電能，將之前消耗掉的化學(xué)物質(zhì)重新還原到電極上。
例如，蔚來所用的鋰離子電池，即是通過鋰離子（Li+）在正負(fù)極之間的遷移來實現(xiàn)能量的存儲和釋放。充電過程中，鋰離子和電子的運動軌跡如下圖所示。

圖注：
① 正極脫出鋰離子，同時釋放電子
② 鋰離子經(jīng)由電解液，穿過隔膜，移動到負(fù)極表面；電子經(jīng)由外電路達(dá)到負(fù)極
③ 鋰離子與電子在負(fù)極表面發(fā)生反應(yīng)，生成Li原子
④ Li原子經(jīng)固相擴(kuò)散過程向負(fù)極材料內(nèi)部擴(kuò)散形成LiCx
電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)效率受到溫度的影響。低溫環(huán)境會導(dǎo)致正負(fù)極的動力學(xué)性能變差，電解液粘度上升，電導(dǎo)率下降， Li+在正負(fù)極之間遷移活性也就會相應(yīng)降低。
在這種情形下使用大電流充電，會導(dǎo)致固相擴(kuò)散動力不足（見上圖④步驟），負(fù)極表面會聚集大量鋰原子，引起鋰枝晶在負(fù)極表面析出（析鋰）。析鋰不但會造成電池容量損失，性能下降，嚴(yán)重時還會刺穿隔膜，引發(fā)安全事故。
要解決低溫充電導(dǎo)致的析鋰問題，除了改進(jìn)優(yōu)化電芯關(guān)鍵材料，剩下的辦法主要有兩條：降低低溫下的充電電流，或在充電前提升電池溫度。
降低充電電流會延長充電時間，用戶體驗不佳，并不可取。唯有在低溫充電前提升電池溫度，才能盡可能地減少充電時間，不但改善用戶體驗，還把對電池的損傷降到了最低限度。
目前業(yè)內(nèi)通行的解決辦法，是在電車低溫充電情形下，從被插上充電槍的那一刻起，以電池管理模塊控制電池持續(xù)升溫。但這時再加熱其實為時已晚，充電總時長仍被顯著拉長，依然影響用車體驗。
怎么辦？唯有「低溫充電預(yù)熱」。
實現(xiàn)「低溫充電預(yù)熱 」，主要依靠的是號稱能量系統(tǒng)大腦的VCU（Vehicle Control Unit車身控制系統(tǒng)）。它是能量系統(tǒng)與車主「對話」的重要媒介。
在電動汽車中，VCU通過采集駕駛員的需求信號，經(jīng)過一系列邏輯判斷與數(shù)學(xué)運算后，將會控制與協(xié)調(diào)動力電池、驅(qū)動電機(jī)、空調(diào)等高壓零部件的啟停工作狀態(tài)，管理與外部充電樁的充電過程，并對整車放電過程和充電過程中的可用電池能量進(jìn)有效的分配，為用戶的日常用車保駕護(hù)航。
具體到「低溫充電預(yù)熱 」這一功能。首先，用戶在導(dǎo)航的過程中，激活功能后，VCU會主動請求目的地充電樁的充電信息（包括最大充電電壓，最大充電電流，最大充電功率等），計算用戶車輛在目的地充電樁上的最優(yōu)充電功率。
其次，VCU會根據(jù)導(dǎo)航的線路，用戶的駕駛風(fēng)格等信息，預(yù)測車輛行駛過程中的電池溫度變化曲線和相應(yīng)的行駛時間，根據(jù)最優(yōu)充電功率、電池溫度變化曲線，電池的SOC、單體電壓等信息，來綜合判斷車輛是否需要開啟加熱，同時擬合出電池包的目標(biāo)加熱溫度。
此外，VCU還會基于車輛行駛時間、電池加熱時間、電池包的目標(biāo)加熱溫度，估算出電池包加熱需要額外消耗的能量，通過優(yōu)化算法的方式，得到消耗能量和充電功率的最優(yōu)解，從而最終確定電池包的升溫目標(biāo)和加熱時間。

在車輛行駛過程中，意外多變的路況，乘員艙空調(diào)的使用，用戶駕駛習(xí)慣的變化，均會對電池的溫升曲線產(chǎn)生影響。所以，在VCU開啟電池包加熱時，會基于當(dāng)前導(dǎo)航信息和當(dāng)前車輛狀態(tài)（電池剩余電量、電池溫度、高壓負(fù)載狀態(tài)）實時修正電池包的加熱目標(biāo)和加熱時間，確保車輛抵達(dá)充電樁時的充電功率處于最優(yōu)狀態(tài)。
當(dāng)剩余電池容量充足時（既滿足電池加熱需求，也能確保用戶行駛至目的地），VCU會按照既定的加熱目標(biāo)和加熱時間對電池包進(jìn)行溫度管理。而一旦電池容量出現(xiàn)風(fēng)險，不足以支持車輛在加熱功能開啟的情況下到達(dá)目的地，加熱功能會提前退出，確保用戶車輛正常抵達(dá)。
 
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