什么是电池预热?快充前为什么需要它?

低温电池会拒绝充电桩的功率输出;而将电芯加热到 20-30°C 后,则能在没有锂析出风险的情况下节省数分钟充电时间.
低温电池会拒绝充电桩的功率输出;而将电芯加热到 20-30°C 后,则能在没有锂析出风险的情况下节省数分钟充电时间.

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电池预热(preconditioning)是指电动汽车的热管理系统在快速充电之前将电池包提升至理想温度——通常为 20–30°C 之间. 在低温电芯中,锂离子的移动速度会变慢; 而经过预热的电池则能够在不产生锂析出风险的情况下接受充电桩输出的高功率. 其结果是充电时间显著缩短,电池寿命也得到保护.

要点速览

  • 理想的电池工作温度为 15–35°C 区间; 预热通常将电池包提升至 20–30°C.
  • 预热一般持续 20–30分钟; 在极寒条件下,建议时长可延长至 60分钟.
  • 插枪前的预热大约消耗 2–3 kWh 电量; 冬季在高速公路上,这相当于 6–12 km 的续航里程.
  • 预热后的电池可立即接受 150 kW 的充电功率,而冷电池可能只能从 50 kW 起步.
  • 在极寒条件下,续航里程可能会下降 高达40%.

电池预热究竟做什么?

电动汽车的电池并不储存电力; 而是通过化学反应产生电力. 这些化学反应的速率直接取决于温度: 当电芯变冷时,电解液会变得不再流动、呈粘稠状态,离子在电极之间的移动变慢,内阻也随之增大. 大多数制造商将理想的电池工作区间定义为 15–35°C. 预热通过加热回路(通常在液体热管理回路中循环)将低于该区间的电池包在充电前重新带回这一窗口范围.

这里有两项彼此独立的功能在起作用,不应与座舱加热混淆. 座舱预热调节是为了驾驶员和乘客的舒适; 而电池预热则服务于电池的化学反应. 许多车辆同时提供这两种功能,但两者不能互相替代: 座舱暖和时,电池可能仍然很冷.

低温快充的风险所在: 锂析出

充电过程中,锂离子嵌入电极结构内部——专业术语称为嵌入反应——是以一定的速率进行的. 当电芯温度较低时,这一速率会下降. 如果对冷电池施加高电流,离子无法均匀地嵌入负极表面; 负极电位下降,离子以金属锂的形式在表面积聚. 这就是所谓的锂析出,是快速充电最重要的限制因素.

析出有两个代价. 其一是永久性的容量损失: 被锁定在负极表面成为金属锂的离子将不再参与充电循环. 其二是安全风险: 久而久之,锂镀层可能形成在电极之间引发内部短路的结构. 在寒冷天气中,析出风险变得非常显著,以至于电芯能够安全接受的充电速率大幅下降; 已知低温会触发锂镀层,从而限制快充能力并缩短电池寿命.

预热正是切断了这一连锁反应的源头. 当电池组达到合适温度时,离子能够跟上嵌入速度,车辆便可以使用充电器提供的全部功率——或者电池在安全前提下所接受的最高值.

自动与手动预热: 哪种方式在何时使用?

Soğukta hızlı şarja girmeden önce bataryayı ısıtmak, lityum kaplanmasını önleyerek hem pilin ömrünü korur hem de şarj süresini kısaltır.

通过导航触发的自动模式

最常见也是最准确的方法是导航系统. 当您将快速充电站设定为路线目的地时,车辆会察觉这一情况,并在整个行程中对电池进行预热——部分车型在需要时还会进行冷却. 系统的目标是让电池组在到达时恰好处于理想温度. 许多现代电动车完全依靠自身完成这一判断: 司机唯一需要做的就是把快充站点输入导航.

通过手机应用进行的规划也遵循同样的逻辑. 有些车辆允许根据预计到达时间提前设定预热; 系统通常在出发前 30–60 分钟 启动. 车辆在插电状态下进行此操作时使用电网电力,不会影响续航.

手动模式与品牌差异

如果未经导航输入地址就要去充电,许多车型可通过信息娱乐屏幕或配套的手机应用提供手动预热. 这里有一个需要注意的细节: 某些制造商的手动菜单中选择的充电点并不会触发预热. 例如,某制造商的系统中,通过路线进行的快速充电预热只有配合特定的地图集成才会生效; 手动选择充电器是不够的. 查看自己车辆使用手册中这一功能的具体运作方式,是避免浪费一次充电停靠的唯一良方.

应该何时开始预热?

时间把握对于避免能源浪费至关重要. 各厂商的建议相当接近,并取决于外界温度:

  • 一般规则: 预热大约持续 20–30 分钟,具体取决于电池容量和外界温度.
  • 在温和的低温下,若前往充电站的行程超过约30分钟,请将路线输入导航,让系统自行管理.
  • 在极端寒冷的情况下—— -7°C及以下 ——建议的启动时间会延长至60分钟.
  • 如果前往充电点的行程短于30–45分钟,那么在开始行驶之前启用预热是合理的.

延长这些时间没有任何好处:电池组达到理想温度后,系统的目标是在恰好的时机到达,而不是消耗多余的能源.

能源交易: 是损失续航,还是赢得充电时间?

预热并非没有代价,这笔账有两面. 车辆插电时,预热所需的能源来自电网; 对续航没有任何影响,且相对于其带来的好处,能耗保持在最低水平. 但在未插电状态下,加热直接由电池供电: 实际计算显示,30–40分钟的预热大约消耗2–3 kWh. 按冬季高速公路能耗计算,这相当于6–12公里的续航. 无预热充电还可能给12V辅助蓄电池带来负担.

那么能得到什么回报呢? 一方面,冬季损失的一部分续航可以找回: 据估算,如果电池包以理想温度开始行驶,续航损失中20%-30%的部分可以被挽回. 另一方面,充电停留时间也会缩短: 研究预见性预热策略的工程研究表明,充电时间最多可缩短 8.9%,或带来显著的节能效果. 在总账中,除了在每个充电站以分钟计节省的时间之外,避免锂镀层造成的永久性损伤,也远远弥补了那几公里续航的代价.

如果不做预热会怎样?

低温电池在不发生镀锂风险的情况下无法接受高充电电流. 车辆知道这一点,会在电池温度达到合适水平之前限制功率; 会用一部分输入的能量来为电池加热. 因此有效充电速度会大幅下降. 一个具体的对比: 预热后的电池可以立即接受150 kW,而低温电池从50 kW起步,随着升温逐步提高. 实际使用中的现场案例也印证了这一差异: 有报告称,某车在预热时可达120-138 kW,而在不做预热的情况下,接上150 kW充电桩时会卡在约72 kW.

偶尔忘记一次并不是大问题; 真正的损害在于反复的习惯. 在没有预热的情况下定期对低温电池进行快充,其代价比预热自身的能耗要高得多. 低电流的家充(一级充电)即使在低温下也不会造成问题; 缓慢的电流不会触发镀锂.

补充一个测量注意事项: 低温电池的健康度测试结果也会有误导性. 同一块电池在低温下可能显示80%的健康度,而在温和条件下显示90% - 评估电池状况时必须了解温度.

电池化学体系有影响吗: 低温下的NMC与LFP

电池包的电芯化学体系会影响低温表现,但不改变预热必要性这一事实. 总体情况如下: 高镍NMC电芯在低温下的能量保持率和放电率优于LFP(磷酸铁锂); 而LFP则在安全方面占优. 在-20°C下,LFP电芯能保持其容量的约55%,高镍NMC/NCA电芯约保持48%. 另一方面,NMC在高温下快充会更快老化,且在约210°C左右更倾向于发生热失控; LFP的弱点则在于低温下化学反应变慢,导致充电速度和续航双双下降.

特性NMCLFP(磷酸铁锂)
低温能量保持率优于LFP-20°C下约55%容量
-20°C容量(高镍NMC/NCA)约48%-
安全性约210°C时倾向热失控突出优势
老化特性高温下快充会导致快速老化低温下充电速度和续航下降

无论使用哪种化学体系,结果都是一样的: 在低温下,两种电池类型都能从预热中受益; 差别仅在于损失的大小.

关于预热的常见问题

快充前必须预热吗?

不是强制的; 车辆仍然可以充电. 但在寒冷天气下,充电时间会明显延长,而且电池会受到反复冷态快充导致的镀锂永久性影响. 这不是强制性的问题,而是可衡量的收益与保护的问题.

预热会减少续航里程吗?

插电时不会; 能量来自电网. 不插电时会消耗大约 2-3 kWh,根据条件这可能使可用续航减少几公里. 相反,以温热的电池包开始行程,可以挽回冬季续航损失的 20-30%; 在相同条件下,充电停留时间也会缩短.

日常城市驾驶也需要预热吗?

不需要. 在正常行驶中,车辆会自行限制低温放电和再生制动; 预热的主要场景是直流快充之前. 在温和天气下,大多数系统也不认为需要预热.

预热的现状与未来

预热已成为在司机掌控下应对电池低温限制的标准操作方式. 下一步是预测性系统: 结合驾驶习惯、天气预报和导航数据的算法,在完全需要的那一刻并持续完全需要的时间来触发加热; 结合智能家居能源管理,将加热工作安排到低电价时段也是这一图景的一部分. 今天驾驶员需要做的很简单: 在寒冷天气前往快充时,把目的地输入导航系统,让系统完成它的工作.

参考资料