电动车的“冰城挑战”

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  近日兴起的“冰桶挑战”在全球迅速扩展开来,国内外众多名人和公众争相体验全身被“冰冻”的感觉。然而比起一桶冰水的瞬间淋下,在高寒地区,尚为新生事物的电动车这些年来每年有三个月甚至更长的时间浸在0℃以下的环境中,努力应对这些“冰城”对自己怕冷天性的挑战。电动车在低温环境下运行的种种问题由来已久,近年来随着技术的发展也有所改观,但如今越来越多的低温城市有推广电动汽车的迫切需要,这一世界性难题再度成为焦点,再一次被拿到桌面上来。8月16日,在包头举行的“低温环境纯电动汽车发展与应用论坛”专门就此问题展开讨论。
  "春秋车"的尴尬
  到了冬天,别指望开着电动车能跑太远;到了冬天,各种冬季开电动车的小贴士、小秘方在各大论坛、网站成为热帖……在欧美北部的一些地区,一些电动车车主已经习惯了在冬天刚跑不远就被警告“电池池量低”。即便是电动车销量位居世界前列的日产电动车Leaf,正常行驶里程可达84英里的,在寒冷的天气里也就行驶了36英里便“跑不动了”,“没电了”。据外媒报道,今年南加州美国汽车协会(AAA)汽车研究中心的一项研究表明,仅受环境温度影响,电动汽车一次充电后的行驶里程平均缩短57%。一年多来广受热捧的特斯拉也被“冻”到了,新年伊始便有外媒报道,挪威的Model S车主抱怨车辆充电有问题,尤其当气温降至0℃以下。而特斯拉方面的解释是Model S的充电系统对挪威的电网“非常敏感”,充电线缆无法在寒冷的天气中累积电荷。
  “由于电池无法完全适应低温环境的原因,几年前北京市有一些电动车出租车一入冬便不怎么跑了,主要是春秋天(上路)。”北京新能源汽车发展促进中心主任牛近明所说的正是前两年曾在北京郊区运行的一些电动出租车的真实情况,当时这些车辆被讽为“春秋车”。北京作为我国北方的一个典型城市,其冬天的低温环境对电动车的运行要求也在一定程度上代表了我国广大北方地区的需求。
  今年年初,沈阳、长春、哈尔滨、包头、呼和浩特等城市被正式批准成为新能源汽车推广应用城市,比起上一轮的“十城千辆”工程,北方城市的参与数量和参与度明显上升。电动车在低温环境下正常运行的需求也显得越发突出。以包头这个典型的内蒙古高原城市为例,这个“世界稀土之都”已经与呼和浩特组成内蒙古城市群被列入新能源汽车推广城市名单,包头市政府还研究制定了《包头市新能源汽车推广应用实施方案(2013-2015)》,计划推广5000辆新能源汽车,建设配套充换电站16座、充电桩2800个。资料显示,这个城市的全年平均气温仅7.2℃。新能源汽车如何实现更好的运行和管理已成为淮河以北,特别是东北、西北等广大低温地区面临的重要问题。
  时间已经进入2014年的下半年,每个推广应用城市都迫切需要推广合适的电动车产品来完成各自的数量目标。但对这些北方城市而言,选择产品的范围却由于自身的自然条件而变得更加狭窄。不少电动车厂家工作人员在接受采访时坦言,自家的车辆仅敢在北京以南地区运行,再往北了“实在不敢去啊”,担心“车子在漫长的冬季不灵了”。
  电动车为什么如此“怕冷”?“东北地区我觉得目前之所以没有大量的纯电动汽车,主要原因还是电池,我国的电机还是比较成熟的。”立塬新能源有限公司董事长李国君认为,问题关键还是在电池上。
  低温的困扰
  零度以下到底对电动车特别是车上的电池意味着什么?北京理工大学副校长孙逢春向记者做了介绍:
  首先,低温会加快动力电池中电量的消耗。孙逢春表示,以包头及内蒙地区为例,这些地方的寒冷天气对车辆设计制造和动力电池有特殊要求,空调加热会非常耗电,可以占到三分之一的能量。另据外媒报道,美国汽车协会就曾测试过三种不同的电动汽车在寒冷、温和及炎热三种情况下续航里程的表现,其平均行驶距离在24℃左右时为105英里,-7℃左右则骤然降至43英里。
  对电池本身而言,孙逢春则用一组数据说明情况。事实上低温环境对电池自身容量的影响并不算大,从图表中可以看出,在放电电流为100A的情况下,温度从20℃到0℃,再到-20℃,电池容量分别减少1.7%和7.7%,仍可以保证在九成以上。问题主要在充电环节,在充电电流为5A、环境温度-25℃时的条件下,充电时间比25℃时多出六成。有些电池甚至会出现充不进电的情况。一直以来,充电时间长是电动汽车不如传统车加油方便快捷的一大劣势,而在我国北方广大地区的冬天,这种缺点更加明显。
  另有国外的相关专家表示,电池温度过低会影响到车辆再生制动系统的性能,因为再生制动系统是利用刹车时的动力为电池充电来提高行驶里程,如果再生制动系统对汽车电池输入过多的电量,将对低温时的电池产生损害。
  温度过低对动力电池的使用寿命也会有影响。一份来自波士顿电池的相关研究成果表明,在-10℃的条件下,一块容量为3500mAh的电池经过不到100次充放电循环,电量就将急剧衰减至500mAh,也就是说,理论上在这种天气条件下电动车如果实现每天充放电一次,新电池经过三个多用的时间就变成基本不能用的废品。如此一来,频繁更换电池不仅会让用车者不胜其烦,好不容易节省下来的使用费用还不够抵消更换电池的钱。一位不愿透露姓名的业内专家就曾向记者表示,非常不喜欢有些媒体大肆宣传电动车的使用成本低、电费比油费便宜,这虽是部分事实,他们却忽略了现在技术水平下动力电池的寿命,换一次电池省的钱“全搭进去了”也还得“赔上一些”,有的地区过了冬天这种情况更加突出,“这样是在误导消费者”。
  对电动车产业链上的企业而言,低温对电池的影响已然明了,但关于低温环境下电动车的许多标准问题更让他们十分困惑。我国对此并非全无标准可言,比如2012年,国内首个电动汽车整车国家标准——《纯电动乘用车技术条件》(下称《条件》)于当年7月1日正式实施。对于动力电池在低温条件下的运行,《条件》曾规定,电池能量消耗每公里不得高于0.16千瓦时;铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池都必须分别满足相关试验和判断标准,比如在-10℃时,动力电池组的有效容量不低于额定值的65%,-20℃时车辆可正常启动。但对生产商而言,这些还远远不够。   一位中科力帆的负责人就向记者表达了自己的疑惑:他希望关于低温环境下电动车的运行有具体的行业标准,包括整车的开发和应用,还有动力电池等,非常想了解国家对这些标准的制定有没有具体的计划和进展。作为一家想打入北方市场的电动车厂家,“按照推广来说2014年马上结束了,但新产品从开发生产到出来最起码需要半年时间。”这位负责人语气中满是焦急。
  同样感到困惑的还有作为配套设施供应商的充电设备生产企业,一些工作人员表示,对于充电桩在北方市场的应用情况,他们尚不十分清楚,对于自己的企业具体能做什么也并不太明确。ABB中国区电动汽车基础设施业务发展经理彭文科就表示,首先,他很关心对“低温环境”的定义有没有分级,比如依照-20℃或-25℃等几个参数,因为有具体的分级标准有助于充电设施企业设计其匹配的产品。
  其次,他感到目前国内的基础设施水平差异比较大,关于充电的相关数据,“非常想了解各个(电池)厂家对于整车厂家技术参数指标的一个实际情况,对产品未来三五年的放电效率达到一个什么样的水平”,因为从他了解到的情况是,电池厂家的系统充放电效率还是比较高的,但很多整车厂家在这方面的表现则较低。
  如果这一系列问题没有得到有效解决,目前很难说这几个立下“军令状”的北方城市明年的推广目标能完成多少。试点城市的不成功很容易影响其周围区域的信心,届时在“全国范围”内大力推广新能源汽车很有可能沦为在“京城以南地区”的推广。
  抗冻的方案
  事实上对低温环境的电动车运行解决方案,业内专家一直在进行各种探索。孙逢春从2003年起便为奥运会运行的电动车在全国寻找适合北京用的电池。在他看来,“电池在低温地区的问题比较多,一个来自电池本身,因此选择适应高寒地区的材料非常重要”;另一个和电池的应用有关,同样的一块电池,“用不对电池就不好用了”。而且目前国内的电池生产一致性问题比较突出,容易很快把整组电池弄坏。因此在电池箱上隔热、保温、绝缘等操作都是非常重要的环节。他对解决电动车辆在低温环境下的运营有一整套解决思路。即低温条件会导致电池难以充电,必须在充电方面特别加强。“在高寒地区,温控与热空调能力管理技术、车辆密封保温设计都非常重要。为了节省每一度电,我们必须以能量高效利用为原则,车辆各个部件都高效协同起来。”
  另外,充电设施规划建设也是保障电动汽车有效运营的关键环节,孙逢春介绍,包头市充电设施规划与北京提出的规划布局相似,5公里、车程10分钟以内就有充电点。他认为,建立一个服务运行平台,将充电服务与车辆监控结合起来,既能保障车辆运行安全管理,又能提高对充电桩的利用率。北京理工大学电动车国家工程实验室副主任、北京理工华创电动汽车技术有限公司董事长林程则提出,虽然现在看来低温对充电设施的要求不像电池那么严格,但是在包头或东北地区,充电桩应有预留,功能还要后续研发,电池在充电的时候可利用外面器件预热,这就涉及到充电桩的改造工程。林程透露,2013年初北京理工大学与包头市政府签署《新能源汽车战略合作协议》,并和北京大学共同创办包头华创电动车有限公司,筹建北理工新能源汽车产业园,建设新能源研发中心,其重点正是针对北方气候特点开展研究,为北方电动汽车运用提供技术支撑。
  对于抗冻关键问题所在的电池,生产厂商们也各有解决方案。位于东北地区的朝阳立塬新能源有限公司推出了一款电容型锂离子电池。李国君介绍说,这种电池融合了锂电池和超级电容器的电极材料,将双电层超级电容器与锂离子电池的工作原理相结合,真正将两者材料相融合,器件中既有超级电容的双电层物理储能原理又有锂离子电池的嵌入脱嵌化学储能原理。优点是不但能实现超级电容器优异的温度特性,还能保障锂电池高能量特性。立塬新能源方面的资料显示,普通锂离子电池-20℃只有约70%以下的容量,-30℃则几乎无容量。这种电容型锂离子电池拓宽了温度使用范围,有助于我国电动汽车的大范围推广,其大功率电池耐高低温指标更为突出。“20Ah”大功率电池在-10℃时通过0.33C充电,可以充入80.9%的电量。-20℃时0.1C充电,可以充入80.8%的电量。李国君透露,立塬新能源能够保证电池在低温-30℃环境下能正常充电正是由于其独特的电池组热管理技术。目前立塬研发生产的这种电容型锂电池已经批量应用。据了解,天津泰达经济技术开发区曾采购过苏州某公司生产的四辆纯电动扫地车,一到冬天便无法继续使用。而更换为立塬电池后,三年多来可以四季正常工作,没有明显衰减,而且到目前为止免于维护。
  来自美国的波士顿电池公司目前已在我国的北方市场做了一些实质性测试,他们的路线则是在材料上下功夫。波士顿电池有限公司技术总监徐江波认为,从根据不同的技术路线,比如对磷酸铁锂这个材料而言,0℃是一个结点,可能出现放不出电的现象;但对于三元材料电池,0℃恰恰是一个正常的工作结点,波士顿电池在-20℃时一般也基本可以正常工作。“应对不同的温度环境,不单单是电池的问题,而是系统的问题,电池要具备基本的能力,然后跟电控、分电器等做整套的配合。”徐江波透露,让波士顿电池低温条件下正常运作,主要是在电池材料上、电解材料上做化学处理,比如在电解溶剂里加添加剂,然后做特殊的热处理,在低温情况下增加导电率,以保证电池能够充放电。据了解,去年已有搭载波士顿电池的纯电动大巴在呼和浩特市运行,当地冬天气温通常在-18℃左右,整个冬季运行基本正常,不仅实现电池在低温条件的运转,而且没有任何辅助加热的措施。
  在电机方面,上海电驱动股份有限公司副总经理兼总工程师张舟云表示,电机工作温度为-40℃到150℃,事实上低温环境对电机及控制器影响相对较小,并且能够控制修正,“我们实际也有措施能够有效地保护电池”。
  “冷暖空调是没法加热的,热泵有局限性,再加热消耗能耗,如果装这么多电池,全部让空调消耗了,这个就矛盾了。”苏州金龙技术经理熊金峰所说的正是整车企业针对低温环境做车辆设计时无法避开的问题,因此,苏州金龙的产品采用了专业的德国加热板、冷却板对单体电池加热或冷却。液体热板设计成基板,电池单体安装上面,中间有传热中介板,强化传热效果。在乘用车领域,据外媒报道,日产Leaf采用加热器为电池加温,加热器也由电力驱动,但使用加热器为电池加温也成了导致行驶里程降低的主要因素之一,而日产方面正努力降低加热器耗电的占比,目前在售的已经有一款加热器耗电量只占电池电量的20%。
  同为全球畅销的电动车车型,特斯拉的做法则是利用电机在汽车行驶中产生的热量来为电池加温。但这种做法也有个问题,就是这种热量只会在车辆运行一段时间后才产生,而且非常有限。外媒报道称,特斯拉的技术总监Straubel认为可以在充电之前对汽车进行预加热,比如通过手机App进行设定汽车电池充电的时间,让电池在开车之前刚好是充满的状态。
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