电池预热:寒冷天气下快速充电的前提条件

低温电池会拒绝高电流;借助预热,充电功率可从50 kW跃升至150 kW以上.
低温电池会拒绝高电流;借助预热,充电功率可从50 kW跃升至150 kW以上.

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电池预热(预调节)是使电动汽车的电池在快充之前达到理想工作温度的热管理功能.车辆会在到达导航中输入的快充站之前加热电池;从而在低温环境下不降低锂离子电池的充电接受度,安全地接收高功率.其结果是更短的充电时间、得以保留的续航以及更长的电池寿命.

要点

  • 理想充电温度大致在 15-35°C 之间;低温电池无法接受大电流.
  • 预热通常持续 20-30分钟 ;在计划模式下,会在目标时间前30-60分钟启动.
  • 低温电池在快充时可能以 约50 kW 起步;而加热后的电池 150 kW可立即接受.
  • 当气温 10°C以下时,建议在DC快充前进行预热.
  • 插电状态下加热所需的电能由电网提供,不会影响续航.

为什么低温电池会拒绝快充?

锂离子电池依靠化学反应工作.当电芯温度降低时,这些反应会变慢,电池内阻增加,功率输出和充电接受度都会明显下降.这并非设计缺陷,而是电化学对温度的自然反应.在寒冷的冬季早晨驶向充电站的电动汽车,无论充电桩能提供多大功率,其电池都无法接收那些功率.

车辆通过功率限制来管理这种情况.当对低温电池启动快充时,系统会保持较低的电流,并随着电芯被充电电流本身逐渐加热而逐步提升功率.其净效果是充电时间延长:车辆必须将从充电站获取的部分能量先用于加热电池.考虑到严寒时续航损失 可达 40%,低温对电动汽车而言是双重代价:每公里消耗更多能量,每站停留等待更长时间.

低温充电的隐形风险:锂析出

时间延长还只是问题中较轻的一面.当对低温电池施加高充电电流时,锂离子无法正常嵌入负极表面,而以金属锂的形式沉积.这种现象被称为 锂析出(lithium plating) ,是不可逆容量损失最著名的原因之一;严重时还会带来内部短路的风险.低温充电造成的损伤与充电速度成正比——充得越快,损伤越大.

预热的真正使命正是在于此:将电池加热到能够安全接受高充电电流的温度.由此,快充既快速,又对电池健康安全无害.

预热如何工作以及如何触发?

电池预热的支柱是现代电动车中已成为标准配置的电池管理系统.BMS 持续监测电芯温度,并通过热管理回路在需要时执行加热或冷却指令.用于加热电池的能量还可以在充电站之间的行驶过程中从电机和功率电子器件产生的热量中回收;这一方法将热管理纳入了总能量预算的一部分.

最常见的触发方式:导航

在大多数车辆中,系统会自动运行:当驾驶员将一个 DC 快充站输入导航作为目的地时,车辆会计算剩余路程时间,并开始加热电池,使其在到达时处于理想温度.驾驶员无需做任何额外操作;热准备成为驾驶过程的一部分.

手动启动

如果目标充电站不在地图上,或者您的路线多变,情况就会有些复杂.因此,许多制造商也提供手动触发功能:可以通过信息娱乐菜单或联网的手机应用启动预热.需要注意的是:有些车辆只有在通过其自带的车载导航选择充电站时才会启动预热;使用外部导航应用时系统可能不会触发.在您自己的车辆上查看手册确认哪种情况适用只需五分钟,却能在之后的每次冬季出行中带来回报.

计划预热

第三种方法是将时间安排交给系统.在计划模式下,大约在目标出发时间 30-60 分钟 之前,车辆在插电状态下开始预热.由于能量来自电网,不会消耗任何电池容量,续航得以保留,12V 辅助蓄电池也避免了不必要的放电循环.而在未插电的车辆上进行预热则会从电池中并间接从 12V 系统中消耗能量;在长时间停放后,这可能是一种不想要的负担.

对充电时间的影响:具体差别有多大?

Donmuş bir batarya şarja 50 kW ile başlarken, ön ısıtılmış batarya aynı durağa ~150 kW gücüyle girer ve durak başına 10 dakikaya kadar kazandırır.

最直观的比较来自寒冷天气下的功率测量:经过预热的电池在 DC 快充一开始就能接受 150 kW 的功率.而未预热的电池在同一充电站的起始功率约为 50 kW ,只有随着电芯被充电电流逐渐加热后才会提升功率.充电曲线中最宝贵的部分是最初几分钟的峰值区域;预热可以防止冷电池进入这一区域.

差别并非在所有条件下都相同.在温和天气下收益有限;在轻度寒冷条件下,用户经验表明每个充电站可节省 5-10 分钟.相比之下,对于夜间停在户外、核心已冻结的电池,差别要大得多.总体规律是:室外温度越低、电池起始温度离理想区间越远,预热的回报就越大.

条件大致情况结果
预热后的电池,寒冷天气以约 150 kW 的功率开始充电斜坡顶端起步的弯道,短暂停留
电池冰冷,无预热以约 50 kW 开始充电功率逐步上升,充电时间延长
插电时进行计划预热能量取自电网续航得以保留,用时更短
行驶中预热能量消耗自电池瞬时续航的代价,短暂停留

对续航的影响:是消耗续航,还是带来增益?

在这个标题下需要诚实地加以区分,因为涉及两种不同的时间尺度.从即时角度看,行驶中进行的预热会从电池中汲取能量,也就是说您在那段旅程中要付出一些续航作为代价.而从长远来看,情况恰恰相反:预热使电池保持在理想温度,减少了用于加热和制冷的总能量消耗,并有助于增加单次充电可行驶的距离.此外,主动电池加热策略相比冷启动时的自行加热,可将续航提升至 18.8%;而借助热泵支持的热管理系统,在外界温度为 0°C 时,可将续航改善至 20%.

实际结论是:为在到达充电站前加热电池而付出的续航代价,会通过停留时节省的时间以及长期得以保留的电池容量得到补偿.如果您是在插电状态下预热,这一代价本就为零.如果您计划冬季长途出行,出发前在插电状态下同时加热座舱也是同一逻辑的一部分.

电池寿命:为什么每次充电并不等同?

预热最容易被忽视却最有价值的影响,在于它对电池寿命的作用.众所周知,低温快充会导致锂析出,而这种累积会永久性降低容量,且损伤与充电速度成正比增加.将电池保持在理想温度范围内则可减少热应力,并有助于延长电池的总使用寿命.在寒冷天气中提前加热车辆和电池可减少能量损失,并支持电池更长时间保持健康状态.

对此也有反对的声音:有用户认为行驶前的预热并不能直接延长寿命,充电本身已作为副产品加热了电池.对于居住在温和气候、很少让电池暴露在冰点温度下的驾驶员来说,某些车辆在没有预热的情况下多年无故障运行,这也是事实.实际判断取决于气候和使用模式:对于每天例行快充、冬季在户外停车的用户而言,预热无疑具有价值;而对于夜间停在车库、主要使用交流充电的用户来说,其作用可能微乎其微.

何时以及如何进行?实用指南

预热能够产生价值的情形清晰可辨:

  • 气温 10°C降至以下时,尤其是在直流快充之前.
  • 车辆在户外停放一夜、电池已冷却之后.
  • 冬季长途出行之前,且路线上有快充站点时.
  • 充电计划在一天中最早、最寒冷时段进行的情况下.

在应用端有三种方法:将充电站输入导航(自动)、通过信息娱乐系统或应用手动启动,或者根据出发时间进行计划.在插电状态下进行始终是最有效的选择.加热的能耗很低,可以通过快充节省的时间轻松弥补;不过插电预热是通过电池和12V系统进行的,因此在长时间停车后,应优先选择计划模式.

一个常见问题是,在AC充电和慢充之前是否需要预热.大多数情况下答案是否定的:慢充对低温电池的压力要小得多,基本消除了给电池加热的需要.另一方面请记住,预调节并非仅是冬季的工作;在炎热天气下,当电池超出理想范围时,也会为充电前降温而启动.

结语:小小的热准备,大大的效率收益

电池预热是一个在仪表盘上看不到、却直接决定充电体验的功能.低温电池以50 kW而非150 kW开始充电,意味着失去了充电曲线中最宝贵的区间;而锂析出风险的代价则超出时间层面,会触及电池的寿命.在冬季,请养成将快充站输入导航的习惯,在车辆插电时使用计划加热,并知道AC充电无需额外操作.热管理在电动汽车上是一项同时买到性能和寿命的工程决策——而正确使用它取决于驾驶者自己.

参考资料