美高梅6s娱乐动力电池的充电速度受什么限制?锂离子电池基本工作原理和结构

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冬天才是考验电动车车主续航焦虑的真正时刻。

在讨论动力电池充电速度的时候,电池本身的承受能力绝对是最无法绕过的一个因素。无论外围的充电设备有多牛、功率有多大、充电能力有多强,如果电池本身在能够接受的充电能力方面有短板,那么充电速度肯定就快不起来。加上电池容量又比较大的话,自然充电时间就长了。

据公安部交管局发布的数据显示,截至今年6月底,全国机动车保有量达3.19亿辆,其中,新能源汽车保有量达199万辆。

如果你高中学过电化学方面的知识的话,就会了解动力电池充放电的过程,本质就是电池内部通过一系列的氧化还原反应,来实现电子在正极和负极之间定向转移。以当下主流的锂电池为例,虽然种类五花八门,但是大体的构造无外乎包括正极材料、负极材料、隔膜、电解液等,充电的过程,基本上就是锂离子从负极脱出,穿过隔膜和电解质,扩散到达正极的过程——扩散速度自然就成了充电速度的关键。

一、续航直接夭折

理论上,的确可以通过加大电流来提升充电速度。但是电流太大的话,电池内部锂离子的扩散速度跟不上电子扩散速度,就会导致电子-离子运脱节,影响电池性能,能够达到的充电容量也相应减少,电池的寿命就更是惨不忍睹了,甚至会有起火爆炸的危险。

电池真的很怕“冷”。有研究表明,当气温从25℃下降到-20℃,汽车动力电池所能释放的电量会降低30%,充电时间也会相应增加。据网友实测,特斯拉Model
X在北京0度上下时,耗电量从22度提升到了27度。

所以一般来说,在不赶时间的情况下我们建议尽量用慢充,有利于延长电池的寿命。

甚至一些ES8车主表示,耗电量接近38度/百公里,算下来续航只有150km,与官方公布续航差距甚远,甚至不到一半。

而锂离子的扩散速度,和温度、正极材料和结构密切相关。

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首先是温度,一般来说温度越高自然是扩散速度越快,但是温度过高的话也会导致电池寿命降低、充电安全性下降等问题。温度过低的话同样不行,气温过低的情况下,电池中的金属锂会发生沉积,从而造成电池内部短路,尤其是磷酸铁锂电池。一般0℃时磷酸铁锂电池的容量大概只剩下60~70%左右,到了-20℃时就只剩下可怜的20~40%了。所以在气候寒冷的北方冬季,电动车必须要有给电池模组加热的功能,由此耗电自然也更快。

车聚君也采访到了一位来自上海的ES8车主——王先生,11月份刚刚交付,近一个月的时间里,车主给我们提供得的真实电耗平均在30度。

其次是材料,不同的材料扩散能力差距非常大,像钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、NCM、NCA等都是性能很不错的正极材料,而后两者也是当下性能最好、应用普及度比较高的两种材料了。这也是如今的锂电池以正极材料命名的一个重要原因。

二、锂电池活性变低

在电池行业的领域,通常会用充放电倍率来描述充电速度和电流大小的关系,譬如1小时充满电池时的速率称为1C,只需30分钟的速率则称之为2C,如此类推,超过1C就可以称为快充。如今锂离子电池的充电速率普遍可以做到1C-3C,最高大概可以去到5C,但是相比起动辄10C的放电速率自然还是要差很远。

那么问题来了:为什么电动汽车在冬季续航变短?

除了最大充电速率有瓶颈之外,不同SOC(State of
Charge,即荷电状态,也就是剩余电量)下电池能够承受的充电速率也是有差别的。一般来说,电池在充电过程的特性大致和上面这张图类似,充电的速率会遵循慢——快——慢这样的节奏。一般当SOC达到90%以上的时候,电池的内阻就会明显上升,使得充电速率放慢。如果你有留意当下在售的大部分电动车,都会发现它们会宣传自己在特定的快充状态下,能够在一个相对比较短的时间——例如1小时乃至30分钟的时间里,充满一个大比例的电量,一般在80%-90%左右,就是这个意思。

首先,目前市面上绝大多数纯电动汽车均采用锂电池作为储能电池。

所以如果你是一个电动车用户,想要尽可能节约充电耗时的话,尽量不要动辄把电量用到10%以下,充电的时候也不一定非要充满,达到90%以上,或者能够满足你下一次出行需要的里程数就足够了。

锂电池内部是由正极、负极,以及在正负极之间的电解液所组成的。电池放电的时候负极通过化学反应析出锂离子,通过电介质运动到正极,这时正极处于富锂态,负极处于贫锂态,在锂离子活动的过程中,产生的电子运动形成电流。

美高梅6s娱乐,充电设备的充电速度受什么限制?

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除了电池本身的瓶颈之外,外围的充电设备也有自身的限制。简单来讲,充电桩输出功率越大,充电时间越短。但是充电桩也不是可以无限提高充电功率的。先来说下电动汽车的充电大体是一个什么样的过程。

正是因为锂电池的这种特性,所以在过低的温度下,锂电池的化学反应速度迟缓。因此放电的电流变小,电池的容量也就变小了。

一说到汽车充电,大家首先想到的自然就是充电桩。简单来讲,充电桩输出功率越大、电池容量越小,充电时间自然越短。这就和要把一个水池放满水,放水管越大、水池越小自然耗时越短是一个道理。不过作为电动车用户,当然希望自己的电池容量也足够大,所以提升充电桩功率自然是更应该做的。车用的充电桩一般分为交流充电桩、直流充电桩两种。我们分开两种情况来讲。

简单来说就是锂电池在释放电流的过程中,需要产生一系列的化学反应,温度下降,化学反应速率也下降,电池的功率输出就跟着下降,如果温度上升,则电池的输出功率也随之上升。

先讲普适性比较强的交流充电桩。它多采用和家用电压大小一样的220V交流充电,一般电流只有16A或者32A,充电速度相对比较慢,在电池容量20kwh左右的情况下,要大概6-8个小时才能够充满电。

三、冬天取暖既麻烦又耗电

锂离子电池基本工作原理和结构

另一方面,电动车没有引擎,寒冷的冬天就没有了热量来源,那座舱的取暖怎么办?车窗结霜起雾怎么办?所以电动车必须取暖,这就是冬天电动车耗点的另一大原因——开空调。

电池的基本原理:正极发生还原反应,得电子;负极发生氧化反应,失电子。电子经过负载,由负极流向正极,形成方向从正极到负极的电流。

现在市面中出售的纯电动车,采用的暖风热源基本上都是电加热形式的PTC元件。用的是热敏电阻作为热源,通电之后电阻发热,通过鼓风机工作使空气经过该元件,达到加热空气的效果。

介绍锂离子电池的工作原理时,以应用较为广泛的 18650
锂离子电芯为例,下面是发生的化学反应示意图和公式:

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先看放电过程中正极的反应。

更别提ES8这类7座大的电动SUV了,本来电池组只有70kWh容量,车厢空间又这么大,冬天一来座舱取暖,电池掉电问题就显得更加突出。

1个 价锂离子<—— 个 价锂离子 + x个 价锂离子 + x个电子

四、低温被强制关闭动能回收

令 x=0.5,得:

还有一点不得不说,就是电池保护系统。

1个 价锂离子<——0.5个 价锂离子 + 0.5个 价锂离子 + 0.5个电子

当温度降至零下时,据特斯拉车主爆料,能量表在最大输出功率及动能回收两个区域会显示虚线。这也就表明,此时由于电池太冷无法输出足够的功率,最大功率甚至到不了300kW。

两边乘以2,得:

下半部分的动能回收同样被限制,全都变成虚线了,此时松油门进入滑行状态,不再有刹车效果了,不能用回收的动能来给电池充电了,续航能力自然降低。

2个 价锂离子<——1个价锂离子 + 1个 价锂离子 + 1个电子

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再简化:

造成这些的原因就是当电池温度过低时充电,会导致负极锂析出结晶,电池容量会有所损失。低温下尤其要避免大功率充电,而动能回收的功率动辄几十千瓦,和直流快充桩一个级别,绝对不能给电池充电了。

1个 价锂离子<——1个价锂离子 + 1个电子

五、冬季用车技巧

这个公式其实是描述整体反应,而不是描述单个个体反应的。用简单的话来说就是:

▎在热车状态下充电

正极的价(其中,0

在冷车状态下,由于电池环境温度较低,其内部的锂离子活性也会下降。在此状态下充电,系统会消耗部分能量和时间来为电池预热,因此会导致充电效率降低。而且在某些极端低温状态,电池系统有时会进入保护状态,出现无法充电的情况。

负极的锂原子失去电子,被氧化为价锂离子,电子从负极流入负载回路,锂离子通过电解质流向正极;

电动汽车所用的锂电池的最佳放电温度在于30°C到35°C之间。环境温度降低,蓄电池内阻增大。这导致电池的放电电流减小,有效可用容量也变小。

又回到电池基本原理了吧。正极的核心是
价锂离子,负极核心是锂原子,两者反应生成
价锂原子,氧化还原反应中的电子流动形成电流。

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在现实中制作电池时,总需要物质来承载正极的锂离子和负极的锂原子,就好像货物总是需要货架的。那么锂离子的货架就是
钴酸根
离子,与锂离子共同构成正极;负极的锂原子则由带孔石墨等材料构成,不至于反应后,把负极反应没了。正极和负极之间是电解质和隔膜,既用于锂离子流动,也用于隔离正负极,防止内部短路。

在环境温度低于零下10°C时对电池进行充电,甚至会大大减少电池的寿命。因此,对锂电池启动前进行预热,已经成为高端电动汽车行业的普遍做法

为什么要讲锂离子电池的基本工作原理和结构?后面谈锂电池充电、放电截至电压和过充、过放的危害时会用到。

我们来看主流电动车的电池加热系统:

锂离子电池特性

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用户最关心的锂离子电池的特性是电容量,比如常说的
2000mAh,指的是在锂电池在正常工作情况下所能放出的电荷数。我们看一份锂离子电池的规格说明书:

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