在低温环境下，电动汽车锂离子电池充电困难该如何解决？

文|硬核新视野

编辑|硬核新视野

«——【·前言·】——»

充电问题是电动汽车行业的一个重要难题。我国东北地区冬季严寒，锂离子电池的充电效率会变得很低，这会大大降低电动汽车的使用寿命和行驶里程。所以如何解决在冬季低温环境状态下，电动汽车锂离子电池充电困难的问题是目前急需解决的难题。

«——【·严寒环境中锂离子电池充电困难的原因·】——»

电极反应速率下降：当室外温度低至零度时电解液和电极的活性变低，电极反应速率变慢，导致电极充电反应速度变慢，从而降低了电池的充电效率。

电极表面固态电解质膜的生成：低温还会使电极表面的固态电解质膜会生成，这会阻碍离子在电极与电解质之间的迁移，从而降低了电池的充电效率。

电池内部结构变化：长时间的低温会让锂离子电池的内部结构会发生变化，包括锂离子的扩散速度变慢和固态电解质膜增厚等，这些变化会影响电池的性能和充电效率。

以上因素的影响导致在低温环境下，锂离子电池的充电效率降低，从而导致电动汽车的行驶里程和使用寿命受到影响。因此，需要通过改进电池材料和结构以及电动汽车控制系统来提高在寒冷环境下电池的充电效率。

«——【·低温环境对电动汽车性能的影响·】——»

电池的内部电阻会因低温而增加，这会导致电池的放电和储存能力下降，从而影响车辆的续航里程。

而且电动汽车的驱动电机需要从电池中提取能量，但在冬季时，电池的储存能力下降，这会导致电机输出功率减少，车速也会变慢。

由于冬季寒冷，车主们为了舒适度更好，会打开空调制热，当空调运转时会消耗电池的能量，增加能耗。

因此，低温环境对电动汽车的性能影响很大，尤其是对电池的影响更为显著。为了确保电动汽车在冬季的性能和使用寿命，解决锂离子电池在寒冷环境下的充电难题是至关重要的。

«——【·现有解决方案分析·】——»

目前市场上已有多种低温环境下充电的解决方案可供选择，其中包括以下几种：

第一种是加热充电法，通过加热电池提高温度，增强电池内部化学反应活性度，从而提高充电效率。虽然这种方法操作简单，但加热需要消耗车辆电池能量，可能会影响电动汽车的行驶里程。

第二种是预热充电法，先通过电机将电池内部温度升高到适当的范围，再进行充电。这种方法可以提高充电效率，而且不会影响行驶里程，但需要增加电动汽车的控制系统成本。

第三种是快速充电法，使用高功率充电器对电池进行快速充电，提高充电效率，但可能会影响电池寿命。

最后一种是离线充电法，将电池取出来放在室温环境下充电，充电完成后再安装回电动汽车。虽然这种方法不太方便，但它不需要额外的充电设备。

这些解决方案各有利弊，适用性也不同，需要根据实际情况进行选择。同时，我们也需要不断优化和改进现有的解决方案，以提高电动汽车在低温环境下的性能和使用寿命。

«——【·研究新型低温环境下锂离子电池的材料和结构·】——»

在寒冷环境下，锂离子电池的充电速度较慢，甚至无法进行充电。因此需要研究新型锂离子电池的材料和结构，以提高其充电效率。一些研究表明，使用新型电极材料和电解质可以提高锂离子电池在低温环境下的性能。

使用锂钴酸锂（LiCoO2）和磷酸铁锂（LiFePO4）等新型电极材料可以提高锂离子电池的性能，因为这些新型电极材料具有更好的导电性能和更高的充放电容量。

传统的有机溶剂电解质在低温环境下会变得粘稠，导致电池内阻增加，从而影响充放电效率。因此，研究新型电解质可以改善锂离子电池的充放电性能。

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还有一种办法是改善锂离子电池的结构，也是提高电池充电效率的重要手段。例如，改变电池内部的极片结构和距离可以改善电池在冬天充电的效率。通过优化锂离子电池的材料和结构，可以有效地提高其在低温环境下的性能。

研究改进电动汽车控制系统，提高充电效率

现代电动车的控制系统通常由三个部分组成：电池管理系统（BMS）、动力电子控制器和电机控制器。电池管理系统是核心部件，它负责监测、管理和控制电池，确保电池的安全运行。

动力电子控制器负责控制电池的输出电压、电流和功率等参数，并且可以操作电动车的加速、刹车和能量回收等功能。电机控制器则是控制电动车驱动电机运转的重要组成部分。

针对电池在低温环境下充电困难的问题，需要改进电动车控制系统的充电策略和充电模式。目前市场上已经有一些解决方案，如使用高功率充电器和加热电池等。

但是这些方案存在一些缺点，例如充电速度过快可能导致电池过热，而过热则会影响电池寿命。改进电动车控制系统是更可行的解决方案，它可以有效提高电池的充电效率，也避免了电池过热等安全问题。

在改进电动汽车控制系统时，需要考虑以下几个方面：

优化充电策略：采用不同的充电方式可以让电池更快充满电。比如恒压充电就是让电池在充电时保持一个恒定的电压，这样就能更有效率地充电。还可以采用阶段性充电策略，先用低速充电，再逐渐加快充电速度，这样可以避免电池过热等问题。

改进充电模式：现在的电动汽车充电方式有两种，交流充电和直流充电。直流充电更快，但可能会对电池寿命有影响。我们可以采用交直流混合充电的方式，这样既能充电快又能保护电池安全。

提高能量回收效率：能量回收是电动汽车的重要功能之一，可以把制动和行驶中的动能转化为电能并储存到电池中。在低温环境下，电池内部电阻增加，电池的放电效率就会降低，影响能量回收的效率。

为了提高能量回收效率，在低温环境下，需要改进电动汽车的控制系统算法和策略，这样就能更好地优化电池的充电和放电过程，减少能量损失。

具体来说，可以通过以下方式来改进电动汽车控制系统：

提升电池管理系统（BMS）效能：在低温下电池的放电速度会变慢，充电时会过度充电，进而导致电池寿命缩短。因此，我们需要升级电池管理系统，使用合适的充电和放电策略，以确保电池的充电和放电效率，延长电池的使用寿命。

改善动力总成控制策略：动力总成控制策略是影响电动汽车能量回收效率的关键因素之一。在低温下，需要调整控制策略，优化动力总成的工作效率，提高能量回收效率。具体而言，可以通过调整制动力分配比例、加速度控制等方法，实现最大化能量回收。

使用高效充电器：在低温环境下，电池的充电效率会降低，所以我们需要使用高效充电器，以确保电池能够在最短时间内充满。同时也需要考虑充电器的稳定性和安全性。

通过以上措施，我们可以有效地提高电动汽车的续航能力和性能，在低温环境下提高能量回收效率，进而改善电动汽车控制系统。

加热系统的改进

加热是提高电池内部温度的一种有效手段，可以加快内部离子传输速度，从而提高充电速度。现在，一些电动汽车已经安装了加热系统，以提高在低温环境下的充电效率。但是，现有的加热系统存在一些问题，比如能耗高、效率低等等。因此，需要研究如何改进加热系统。

一种可行的改进方法是采用根据电池温度进行精准控制的策略，以提高加热效率。该策略可以根据电池的实时温度变化，调整加热功率和加热时间，以达到最佳加热效果，从而降低加热系统的能耗。

此外，研究开发新型的高效加热材料也是提高加热效率的有效方法。一些研究表明，纳米材料在低温环境下的加热效率比传统材料高出数倍，因此有望成为未来加热系统的重要组成部分。

充电控制系统的改进

除了加热系统的改进，还可以通过优化充电控制系统来提高低温环境下的充电效率。目前，常用的充电方式是恒定电流或恒定电压充电，但这种方式并不适用于低温环境下的充电。

因此，采用适当的充电策略来优化充电控制系统是提高低温环境下充电效率的有效方法。一种常见的充电策略是渐进式充电策略，它可以根据电池内部温度和电池充电状态实时调整充电电流和充电时间，以达到最佳充电效果。

配图：2020年10月3日，2020上海浦东国际汽车展，新能源汽车 充电汽车 充电桩

另外，未来的发展方向之一是基于人工智能和机器学习的充电控制系统。这种控制系统可以通过多种参数，如电池内部温度和充电状态等实时调整充电策略，从而提高充电效率。

分析改进方案的可行性和经济性

确定了改进方案后，要分析它是否可行并考虑经济性。可行性分析要看方案能否达到预期效果，技术、市场和环境是否适用。经济性分析需要考虑改进方案的投资、运营、维护和盈利情况。

首先，改进锂电池材料和结构的方案可行性很高。因为新材料和结构在低温下表现更优秀，例如高温固态电解质、改进钛酸锂正极材料和新阴极材料等。同时，它们的生产成本也在逐渐下降，市场前景看好。

其次，改进电动汽车控制系统的方案可行性也很高。因为控制系统可通过软件更新实现，不需要大量投资。同时，随着智能技术的不断发展，控制系统也在不断优化，市场前景不错。

在经济方面，改进锂电池材料和结构的方案需要投入大量的研发和生产成本，但技术成熟和规模效应逐渐发挥，成本会逐渐下降。同时，需求广泛，具有盈利潜力。

改进电动汽车控制系统的方案成本相对较低，但需要投入一定的研发和维护成本。同时，需求相对较小，盈利潜力不太高。

总的来说，改进锂电池材料和结构的方案在可行性和经济性方面都很高，推广潜力很大。改进电动汽车控制系统的方案需要进一步研究和探索，以提高其市场竞争力和盈利能力。

实验设计与结果分析

为了验证改进方案的可行性，我们设计了一组实验，比较改进方案和传统方案在低温环境下充电效率的不同。

实验对象是一个由锂离子电池组装成的电池组，选用了常见的电动汽车电池组，由三个串联三个并联组成的9S3P电池组。在低温环境下，我们把电池组放入恒温箱中，将温度控制在-20℃。为了控制实验误差，我们使用相同的充电器和充电设备，在相同的时间内分别进行改进方案和传统方案的充电实验，并记录每组实验的电压、电流和充电时间等数据。

改进方案采用了新型锂离子电池的材料和结构，再加上改进的电动汽车控制系统，而传统方案则使用普通锂离子电池和原有的电动汽车控制系统。为了确保实验数据的可靠性，我们进行了每组实验5次的重复测试，并取平均值进行比较。

实验结果表明，改进方案在低温环境下的充电效率明显优于传统方案。具体来说，改进方案在-20℃的环境中充电时间仅为传统方案的一半，电池组充电至目标电压的时间也更短。同时，改进方案的充电过程中电流的变化更加平稳，充电效率更高。

结论

经过分析，改进方案的有效性源于两个方面的改进：首先是新型锂离子电池的材料和结构改进，其具有更好的低温适应性和更高的充电效率；其次是电动汽车控制系统的改进，提高了电池的充电效率和稳定性。

基于以上实验结果，我们可以得出结论：改进方案比传统方案具有更高的充电效率和更好的稳定性，可以显著提高电动汽车的性能和可靠性。

«——【·笔者观点·】——»

随着电动汽车的普及和电池技术的不断发展，低温环境下锂离子电池充电困难的问题将变得越来越重要。因此，未来需要继续加强对电池材料和结构的研究，开发适应低温环境下的新型电池技术。

同时应进一步优化电动汽车控制系统，提高充电效率和能量回收效率。此外建议加强对电动汽车充电设施的建设和智能化管理，提高充电设施的覆盖率和使用效率，从而进一步推动电动汽车的普及和发展。

«——【·参考文献·】——»

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2.张祚铭;李强伟;张正杰;华旸.电动汽车用锂离子电池模组低温加热仿真研究[J].计算机仿真,2021(05)

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