通過能量收集提高電動(dòng)汽車電池在極端溫度下的性能

目前，實(shí)現(xiàn)汽車電氣化的主要限制因素包括電池充電速度以及能量轉(zhuǎn)化效率，例如電動(dòng)汽車的續(xù)航里程或乘客艙的熱管理功能。而極端溫度會(huì)對(duì)汽車性能和電池耐用性產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。

能量收集可幫助電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）在極端環(huán)境下調(diào)節(jié)電池溫度，以優(yōu)化性能和續(xù)航里程、提高充電速度或控制車內(nèi)溫度。電動(dòng)汽車要想真正成為主流，就必須在極熱（100華氏度及以上）和極冷（20華氏度及以下）等各種條件下，都能提供駕駛者所期望的性能。

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電動(dòng)汽車中的能量收集

能量收集（在汽車應(yīng)用中通常稱為能量回收）是指捕捉環(huán)境能量并將其轉(zhuǎn)換為電能。這一概念適用于所有可用的環(huán)境能源，包括太陽能、風(fēng)能、振動(dòng)或熱輻射。它可以為超低功耗MCU供電，以減少小負(fù)載電池需求，或?yàn)楸O(jiān)測(cè)車輛性能項(xiàng)目的MEMS傳感器供電。

對(duì)于電動(dòng)汽車所面臨的更大規(guī)模挑戰(zhàn)，額外回收的能量可以增加車輛運(yùn)行期間的主要能量荷載，進(jìn)而提高效率并延長續(xù)航里程。此外，在充電過程中，回收的廢能可以在極寒天氣下為電池加熱或?yàn)檐噹A(yù)熱。

在極端溫度下，可以收集太陽能、熱能和電動(dòng)能三種類型的能量作為熱管理系統(tǒng)的補(bǔ)充，以保護(hù)電池并提高其性能。

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太陽能收集

在美國北部的嚴(yán)冬，氣溫可降至華氏零度以下。內(nèi)燃機(jī)（ICE）的顯著優(yōu)點(diǎn)之一就是燃燒反應(yīng)可以產(chǎn)生源源不斷的熱量，為發(fā)動(dòng)機(jī)和車廂供暖。電動(dòng)汽車無法獲得這種熱量，因此工程師們采用了電阻式電加熱器來為電池和車廂供暖。電池在25-35°C溫度下的工作效率極高，而這些加熱器則由電池直接供電。

近期的研發(fā)重點(diǎn)是車用熱泵，這種熱泵借助沸點(diǎn)低于環(huán)境溫度的制冷劑，每消耗一單位的電能，就能輸出三單位的可用熱量。冬季陽光依然燦爛，因此在汽車上加裝光伏陣列可以獲取更多的環(huán)境太陽能。研究人員已經(jīng)證實(shí)，太陽能收集可將續(xù)航里程提高近23%。

此外，這種方法還能減少約10%的電網(wǎng)能源消耗和充電時(shí)間，并相應(yīng)地延長電池壽命。電池?fù)碛衅交柲芄逃械碾娏﹂g歇性所需的儲(chǔ)能功能，因此電動(dòng)汽車自然就成為了太陽能收集的理想應(yīng)用。

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熱能收集

盡管極端溫度給電動(dòng)汽車熱管理帶來了挑戰(zhàn)，但也為通過高溫差驅(qū)動(dòng)快速熱傳遞提供了可能。在極端炎熱的天氣里，熱電發(fā)電機(jī)可將溫差轉(zhuǎn)化為電能，補(bǔ)充原電池的電量并減輕負(fù)載。

這種方法在環(huán)境與電池/車廂溫差較大的情況下效率極高，但由于應(yīng)用的熱量質(zhì)量較低（100-150°F），其絕對(duì)效率僅為5-10%左右。不過，在首次啟用熱管理系統(tǒng)時(shí)，補(bǔ)充熱量仍可降低峰值功耗。

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動(dòng)能收集

雖然太陽能和熱能收集技術(shù)能在極端溫度下提高效率，但它們?nèi)允芟抻诠庹召|(zhì)量和環(huán)境溫度條件。這一限制為動(dòng)能收集提供了機(jī)會(huì)，動(dòng)能收集可回收車輛在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的廢能。

再生制動(dòng)就是一種動(dòng)能收集，在再生制動(dòng)過程中，部分制動(dòng)能量通過壓電材料流回電池以補(bǔ)充電能。與熱能收集中的溫差一樣，驅(qū)動(dòng)勢(shì)能（本例中為制動(dòng)力）與可用于減少主電池耗電量的能量回收效率大小之間存在著直接的關(guān)聯(lián)。不過，這一過程的效率要比熱電發(fā)電機(jī)高得多，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)70%的制動(dòng)廢能回收。

動(dòng)能收集的其他應(yīng)用還包括減震器和振動(dòng)傳感器，每種應(yīng)用都能通過增加機(jī)械力來獲取更高的能量回收負(fù)荷。

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結(jié)語

極端溫度會(huì)給汽車原始設(shè)備制造商帶來巨大挑戰(zhàn)，包括電池的耐用性、行駛里程的縮短以及乘客的不適感。采用太陽能、熱能和動(dòng)能收集策略可以產(chǎn)生重要的二次動(dòng)力源，在熱管理系統(tǒng)首次啟動(dòng)時(shí)抵消高負(fù)荷。

上述傳感器可將廢棄能源轉(zhuǎn)化為可用電力，從而實(shí)現(xiàn)極端溫度下的電動(dòng)汽車技術(shù)。而采用太陽能、熱能和廢能回收技術(shù)可顯著提高車輛的可持續(xù)發(fā)展能力。

審核編輯：黃飛