論溫度對新能源電動汽車推廣應用的影響

丁福軍　趙雄峰　任永財

摘 要：電動汽車作為新能源交通工具，以便捷、環(huán)保的優(yōu)點受到人們的青睞。但是，其發(fā)展受諸多因素的制約，其中溫度是一個重要因素，尤其是低溫環(huán)境對車輛的使用造成很大影響。以下就低溫對新能源電動汽車在應用推廣過程中出現(xiàn)的常見問題及應對措施做詳細闡述，并推斷今后應對溫度影響對新能源電動汽車推廣應用的措施。

關鍵詞：溫度;新能源;電動汽車

1 引言

在電動汽車的發(fā)展過程中，充電問題成為制約電動汽車發(fā)展的一個重要因素。充電樁基礎設施建設的不斷擴大，促進新能源汽車的市場推廣。與燃油車相比，電動汽車的續(xù)航里程短，充電時間長一直是影響電動汽車的發(fā)展的最大瓶頸。尤其是在北方的冬季，低溫的環(huán)境更是給電動汽車充放電帶來了極大的考驗，對于新能源汽車來說，在零下數(shù)十度的環(huán)境中車輛顯得格外的敏感。在這樣的低溫環(huán)境中，新能源汽車的充放電問題亟待解決，續(xù)航里程大打折扣。對車主來說，遠距離出行更是一種奢望。而站在新能源汽車運營商的角度來說，續(xù)航里程下降，一方面給用戶帶來的用車體驗差，另一方面充電效率和放電效率的降低，給車輛運營增加了成本。因此，提高對新能源電動汽車在低溫環(huán)境中的認知，能有效提高新能源電動汽車在市場推廣應用方面的發(fā)展。

2 低溫環(huán)境下，新能源汽車應用現(xiàn)狀及存在的問題

2.1 新能源汽車在低溫環(huán)境下的應用現(xiàn)狀

新能源電動汽車的推廣應用，以操作簡單，噪音小，不限號，無污染等諸多優(yōu)勢獲得市場的追捧。然而，就其自身的還存在一些技術缺陷，如充電時間長，電池能量密度小，續(xù)航里程短，充電樁數(shù)量不足等，使其在推廣應用過程經(jīng)受了很大的考驗。

在冬季低溫環(huán)境下，車輛續(xù)航里程短、車輛耗電快，是使用中的遇到的頭等難題，造成新能源車輛在北方地區(qū)普及率較低。歸根結底，主要原因是我國大多數(shù)的新能源電動車采用的都是鋰電池。而對于這種電池，在進入寒冷的冬季以后，由于環(huán)境溫度過低，從而導致電池內(nèi)阻升高，進而電池的循環(huán)能力就會很低，鋰離子擴散的速度也會變慢，從而導致電池的放電功率下降，出現(xiàn)電池續(xù)航里程縮減。動力電池提供給車輛的能量來源于電池內(nèi)部的電化學反應，電池內(nèi)各元素粒子運動并接觸后發(fā)生反應而產(chǎn)生電流，當溫度降低時，電池內(nèi)部元素粒子運動減慢，化學反應降低，電池活力較弱，電池的充放電性能就變差，因此續(xù)駛里程將出現(xiàn)一定的下降，一般在10%以下。就我們甘肅等西北地區(qū)，這種現(xiàn)象也較為嚴重，衰減程度甚至會高達20%。這使得人們對新能源電動車只能望而卻步。

2.2 新能源汽車的應用過程存在的問題

研究發(fā)現(xiàn)，鋰電池在低溫環(huán)境中，充放電性能明顯降低。當溫度降至-30℃，電池放電容量僅為正常室溫時的87%，放電單體電壓比正常室溫降低0.598V。在充電過程中，恒流充電模式充電容量明顯降低，恒壓充電模式充電時長明顯增長。這樣，就給得電動汽車帶來以下問題。

2.2.1 低溫環(huán)境中充電功率明顯減低，時間長

目前的電動汽車動力電池絕大多數(shù)為鋰電池，在低溫下充電的明顯特點就是電壓迅速上升。因為鋰電池在低溫充電時，正極鋰脫出速度快，負極鋰向內(nèi)部的嵌入速度緩慢，就會造成鋰金屬在電極表面的不斷積累，生成枝晶，使電池短路。鋰電池在低溫充電時，由于貯氫負極對氫的吸收速度變慢，氫來不及被貯氫合金吸收，就會形成氫氣，從而增大電池內(nèi)壓，極大影響了電池的安全性能。充電功率較低，導致充電時間增加。

2.2.2 低溫環(huán)境同等電量續(xù)航里程明顯縮短

動力電池提供給車輛的能量是電池內(nèi)部化學能轉(zhuǎn)化而來，電池內(nèi)各元素粒子運動并接觸后發(fā)生反應而產(chǎn)生電流，在溫度升高時，電池內(nèi)部化學反應加快，元素粒子的運動也會加劇，電池活性加強，放電性能就越好，續(xù)航里程也會增多。相反，溫度降低會導致續(xù)航里程下降，一般下降10%左右。同等電量的實際續(xù)航比常溫條件下明顯縮短。

2.2.3 冬季暖風開啟，續(xù)航大打折扣

電動汽車的動力電池直接給空調(diào)壓縮機和PTC（電加熱暖風）供電，電加熱暖風的優(yōu)點是制熱快，能在較短時間提高車內(nèi)溫度。冬季車輛運行過程開啟暖風，暖風對電池耗電量大，對車輛的續(xù)航里程影響較大，致使實際續(xù)航大打折扣。

2.2.4 冬季車輛長期放置，車輛啟動困難

電動汽車的低壓系統(tǒng)跟燃油車一樣，一般由鉛酸電池供電，燃油車鉛酸電池的充電是通過發(fā)動機帶動發(fā)電機完成，但電動汽車是通過DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后提供充電。電動汽車在啟動過程啟動電流較小，因此低壓電瓶的容量相對較小。溫度較低時，車輛放置很快會引起蓄電池硫化和“虧電”。長時間不使用，它會慢慢自行放電，直至報廢。因此，每隔一定時間對車輛應啟動一次，給蓄電池充電。另一個辦法就是將蓄電池上的負極線拔下來，避免因虧電而無法恢復。相比燃油車，車輛在較短時間停放，車輛就會因虧電而無法啟動。

3 當前針對低溫環(huán)境影響的應對措施

3.1 電池及時補電，確保車輛時時處于高續(xù)航狀態(tài)

對新能源車主來說，冬季溫度較低頻繁充電是非常正常的一項任務。續(xù)航的急劇驟減，加上車內(nèi)使用暖風取暖。如果沒有計劃好行車距離及補電措施，困于半途中就是情理之中的事了。

針對以上情況，做為一位新能源車主，及時充電，讓車輛電量保持在高電量狀態(tài)，能有效給自己出行提供電量保障，減少因續(xù)航不夠造成的一系列麻煩。

3.2 出車前充電，提高車輛放電效率

從放電角度增加效率，充電過程充電設施的電能轉(zhuǎn)化為電池的化學能儲存起來，溫度越低，化學反應越慢，充電過程也就越慢，充電時間更長。相反，放電過程是電池把化學能轉(zhuǎn)化為電能的過程，溫度越低，轉(zhuǎn)化效率也就越低，續(xù)航里程越短。然而，因為電池本身有內(nèi)阻，充放電過程電池都會放熱。因此，從放電方面來考慮，出車前充電，充電過程放熱致使電池溫度升高，此時出車，電池放電時溫度較高（與正常出車相比），放電效率升高。

3.3 用車后立即充電，提高車輛充電效率

從充電角度增加效率，如何才能加快充電效率，縮短充電時長。低溫狀態(tài)時，車輛溫度也很低，充電前期電池在低溫狀態(tài)下需求量低，充電電流很小，經(jīng)過一段時間的小電流充電后，電池溫度緩緩上升，充電功率也隨之上升，直至達到正常值。

為了減少充電過程電池需求從開始小電流上升到正常值這段時間，在用完車后即進行充電，電池溫度較高，充電電流很快進入正常需求值，有效避免了升溫過程，提高了充電效率，縮短了充電時長。

3.4 盡量選擇室內(nèi)充電樁進行充電

在寒冷的冬季，室內(nèi)溫度明顯高于室外，空氣流通少，熱交換對電池溫度影響較小。車輛選擇在室內(nèi)充電，電池降溫較慢，溫度對充電影響也會減弱。因此，選擇室內(nèi)充電樁進行充電，能有效提高充電效率.

3.5 車輛行駛過程盡量避免急加速急減速

同等運行條件，不同的駕車習慣，也直接影響著車輛的行駛距離。車輛在行駛過程中，急加速急減速對電池電量影響較大，為了避免車輛掉電嚴重，正常勻速行駛對車輛續(xù)航里程的增加有很大的幫助作用。

4 低溫影響下新能源電動汽車的發(fā)展趨勢

4.1 換電技術大力推廣應用

與燃油車相比，電動汽車因其充電時間長，尤其對營運車輛來說，一般充電時長都在1.5小時左右，每天充電3到4次，日均充電時長在4到6小時左右，這段充電時間車輛只能停車等待。另外，在炎熱的夏季或寒冷的冬季，車輛停車充電過程，等待充電過程對車主來說也是一種煎熬。

換電站以操作簡單，換電時間短，利用換電設備快速完成電池更換。換電站包括供電系統(tǒng)，充電系統(tǒng)，電池更換系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)等組成，因其占地面積大，投資成本高，未得到廣泛推廣。換電站均配置有半自 動換電裝置，其采用機械助力方式，單人可輕松快捷完成電池箱的更換。

隨著電動汽車不斷發(fā)展與完善，電池向輕質(zhì)化發(fā)展，電池規(guī)范化標準化的生產(chǎn)制造，給換電技術的發(fā)展創(chuàng)造前提條件，換電技術的發(fā)展也將推動新能源汽車的推廣應用。

4.2 車載充電機向輕質(zhì)化小型化方向發(fā)展

充電技術的發(fā)展直接影響著新能源汽車的推廣應用，充電樁的建設也并非一件易事。車輛的充電過程就是把380V/220V的交流電轉(zhuǎn)化為車輛所需的直流電供給電池充電，每個車型的車輛的電壓及電流需求是不盡相同的， 而充電方式主要有恒壓及恒流兩種模式。直流充電樁為了滿足各種需求，一般建成寬電壓模式，這種模式在車輛適配方面較好，實用性更強。相比較而言，高電壓電池車輛占比較小，這樣導致充電樁充電使用效率降低。為了解決這一問題，車載充電機的發(fā)展能有效彌補這一缺陷，但是因整流技術及車輛自身空間限制，目前因充電機的體積大，質(zhì)量重，功率小為主流。隨著整流技術的發(fā)展，車載充電機向著小型化、高頻化、高效率化、數(shù)字化、模塊化方向發(fā)展，以大功率小體積裝入車輛本身，讓車輛充電只需提供較大交流電源，就可以完成充電。這對電動車的推廣與應用起了很大的推動作用。

4.3 電池溫控技術的進步

冬季，溫度較低，電動汽車充放電慢，電池電量不耐用最根本的原因就是電池溫度低，充放電過程化學反應緩慢。為了保證鋰電池始終處在一個比較合適的溫度范圍內(nèi)進行充放電，提高充放電效率，給車輛電池專門配備自動溫度控管理系統(tǒng)，電池內(nèi)部溫度較低時溫度控管理系統(tǒng)自動加熱，電池內(nèi)部溫度較高時溫度控制管理系統(tǒng)自動降溫，確保電池在適宜溫度環(huán)境中工作。即使在冬季也能工作在適宜溫度，確保充電速度和放電動力性。

4.4 電池材料技術的顛覆性突破

目前電動汽車的主流電池為三元材料鋰電池和磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池以穩(wěn)定性高、價格相對便宜，然而其能量密度（能量密度更大，才能更好地解決里程問題）提升空間卻十分有限。據(jù)了解，磷酸鐵鋰電池單體電池的能量密度可達157Wh/kg，三元電池的能量密度200Wh/kg。純電動汽車對電池系統(tǒng)的能量密度的需求約500Wh/kg，能量密度的實際值與需求值差距依然很大。提高能量密度直接影響著電動汽車續(xù)航里程的增加。

新型材料電池（石墨烯電池）的試驗成功，電池技術發(fā)展發(fā)生了革命性變革，溫度對石墨烯電池的充放電性能影響很小。電池技術是電動汽車大力推廣和發(fā)展的最大障礙，而傳統(tǒng)電池發(fā)展遇到很大的局限性，石墨烯儲能電池的研發(fā)，若能批量生產(chǎn)，則將為電池產(chǎn)業(yè)乃至電動車產(chǎn)業(yè)帶來全新的改變。

4.5 超級電容技術的突破

傳統(tǒng)車輛在行駛過程中，發(fā)動機產(chǎn)生的能量主要用于克服路面摩擦阻力與空氣的阻力而使車輛向前行駛，而還有一部分能量在車輛制動過程中以熱量形式浪費掉了。而超級電容器能在汽車起動或制動時快速向負載釋放或吸收能量，將汽車的部分動能回饋給蓄電池以對其充電，可以有效延長電動汽車的行駛距離。另外，目前超級電容汽車受電容存電量限制，無法滿足實際需求。如果超級電容存電量能夠大幅度提升，超級電容代替現(xiàn)有電池為車輛提供動力，超級電容汽車的發(fā)展前景廣闊。所以超級電容器已在電動汽車未來發(fā)展的重要方向。

5 結束語

綜上所述，溫度對新能源電動汽車發(fā)展的影響是暫時的，新材料新技術的不斷更新，讓新能源汽車從根本上取得突破性進展，新能源汽車在推廣應用方面占據(jù)極大的優(yōu)越性，有效避免了因溫度而造成電動汽車在應用及推廣方面的不平衡性。

參考文獻：

[1]黃小明.純電動汽車發(fā)展面臨的問題.2019. 安徽江淮汽車集團股份有限公司新能源汽車技術安徽省技術創(chuàng)新中心.

[2]王斌李，志強，崔珊珊，楊林濤.電動汽車充換電站建設淺析.2018.國網(wǎng)山西省電力公司長治供電公司山西長治.

[3]游桂章.大容量超級電容器在電動汽車中的應用及維護.2017.沈陽市第二十二中學遼寧省沈陽市.