电动车锂电池掉电 电动车才三年电池就掉电!故障原理及应对

小编 2024-10-07 资讯中心 23 0

电动车才三年电池就掉电!故障原理及应对

本内容来源于@什么值得买APP,观点仅代表作者本人 |作者:西山云舞

大家好,我是西山云舞,爱实践爱分享的伪极客,欢迎关注。本文提及的动力电池掉电和原理对策,也适用于电动汽车,全文2000字,阅读大约5分钟。

电池掉电趴窝

昨天,老婆骑着买了三年的小牛G0-40电动车上街,出门的时候显示还有一半电量,但是骑出去走了1公里就趴下了。老婆力气小推不了那么远,只好丢在路边(没电也锁不了车),扫了一台共享电动车回家,可怜巴巴的跟我诉苦。我安慰完她,马上骑自行车带上一把u型锁,把车锁上,然后电池抽出来带回家充电。插上充电器直接显示绿灯,充不进去了。

测量端电压,只有15.21伏,似乎处于保护状态。

这是一块15串磷酸铁锂电池组,额定容量12Ah、576Wh,充电截止电压53.5V。

重新激活电池

用实验室电源进行充电,电压设定为充电截止电压,电流限制为1A,实际充电电流只有180毫安左右,总功率约8W,看上去像是在进行低SOC端被动均衡。合每节电芯约0.6W的均衡功率。

经过5个小时涓流均衡,电池端电压恢复到48.4V。作者往期文章分类目录

然后给电池组插上充电器,能够正常充电了。

根据智能插座的记录,估算充进了大约522Wh,充电的末段依然有异常情况,充电功率有跌落。

电池均衡

充电完毕充电器转绿灯。过了10分钟,充电器的绿灯又变成红灯,充了不到一分钟又转绿灯结束充电;20分钟后又一次短暂的充电;短暂充电的间隔越来越长,12小时后间隔趋于平均。

测试的接近两天,最后稳定在每隔4小时25分,充电10秒钟,充电直流功率155W,折算电池内平均放电功率97.5mW,基本上就是电控板的能耗,也就意味着均衡已经结束。作者往期文章分类目录

根据上面几个图的数据,首次充电在0:00左右结束的时候,BMS收到部分电芯到达充电截止电压的信号,开始均衡动作,大概在7:00结束。

把电池装回车上,使用正常了,我估算了一下,跑了30多公里才再次充电,容量没有明显的下降。

这台小牛G0-40电动自行车是2020年8月在佛山市市东下路的小牛专卖店买的,到现在刚好满三年,已经跑了大约5000公里,这台车中控有个毛病,里程表会不定期自己归零,所以没法统计准确的总里程。但粗略估算,这块电池的循环次数不超过200次,对于磷酸铁锂来说,才用了1/10的循环寿命,为什么就出现掉电故障了呢?

磷酸铁锂电池组掉电原理

我们发现,无论是电动自行车还是电动汽车,出现掉电现象的绝大部分是使用磷酸铁锂电池组的车辆,但同时也有大量应用磷酸铁锂的车主声称从没有发生过掉电现象,包括一些年限不短的车。

为什么三元锂电池组很少出现掉电?而同是磷酸铁锂,为什么会出现这种截然不同的情况呢?

电池自放电

几乎所有的电池,包括不可充电的一次电池、可充电的二次电池,都存在自放电现象,也就是电池充满电放一边不用,过一段时间,电就全跑光了。

航模用的高倍率动力锂电池,充满放三个月,电就差不多没了,汽车用的锂电池,最起码可以坚持一两年(指不接电池桩头)。

同一型号的电池,自放电率与原材料和工艺有很大关系,同一批电池都有较大的离散性,具体的原理就不赘述了。

也就是说,电动自行车或电动汽车上的电池包,里面是十几个到几百个“电芯”串并联起来的,这些电池自放电的速度并不一样,如果不加以管理,一个电池包里面,可能自放电最快的电芯快没电了,但自放电最慢的电芯还有一多半的电量。

这时候电池组总的端电压看上去还有差不多一半的电,但实际上一放电,电量最低的那节电芯就触发低电压放电截止保护,出现所谓的掉电(虚电)现象。作者往期文章分类目录

而此时拿电池组去充电,充了一半的电量,那一节自放电率低。的电池就充满了,触发了充电截止保护。整个电池组看上去就剩下了一半的容量,但其实里面每一个电芯容量都没有下降。

电池组均衡

为了避免出现这种现象,就要用电池管理系统(BMS)来对单颗电芯进行自放电管理,这部分的原理很简单,就是BMS发现各个电芯电压参差不齐,就通过给电压偏高的电芯放电(被动式均衡);或者把高电量电芯的电荷转移给低电量的电芯(主动式均衡),直到所有电芯电压一致。这样电池组的容量就恢复了,也消除了掉电(虚电)现象。

磷酸铁锂的特点

放电平台电压跌落小,是磷酸铁锂电池的一个显著特征,下图是磷酸铁锂(红线)跟三元锂(蓝线)的电压平台比较。

可以看到三元锂电池放电过程,电芯端电压是有明显下降,在20%~80%的荷电区间电芯电压变化达到400mV;而相应的,磷酸铁锂只有100mV。

酸铁锂这种特性对于电池管理系统(BMS)来说是一个极大的挑战,在一个宽广的荷电范围内,电池端电压只有数十mV的变化, 加上在电池寿命周期内不断变化电池内阻在充放电时附加的欧姆压降和极化电压,还有外界干扰,还有电池之间的个体差异,BMS很难通过端电压来准确确定电池所处的荷电状态。

磷酸铁锂在接近充满电的小范围内,电压变化才明显,所以电池组的BMS通常只在电池充满电而且还插着充电器的时候进行均衡,在放电平台中间是不均衡的。

均衡的困难

我给这台电动自行车充电是很少充满了放尽的,主要是为了延长电池的循环寿命(目前常见的所有类型锂二次电池,包括磷酸铁锂、三元锂,浅充放都能明显延长电池的循环寿命,例如使用20%~80%充电区间,一块电池的“使用里程”可以延长超过一倍)。

我一般的使用习惯就是,开回来就插电,根据剩余电量估算充电时间,让小爱同学定个闹钟,没充满就拔掉。

下图是这台小牛G0-40随车电池的实测充电曲线,我经常使用的是红线中间的区域。

问题根源就在这里,这两段红线之间电池端电压从50.4~51.2V,相差只有0.8V,对应端电压变化率是1.6%,是一个非常平缓的平台(注意这个图纵坐标,起点是42V),对应单颗电芯的电压,是3.36~3.41V,相差仅有0.05V,即50mV。在这个范围内,电池组的BMS没有机会进行电芯均衡。

而在三年里面,这块电池充满电依然插着充电器的机会,加起来不超过5小时,无法有效补偿这三年间,由于电芯自放电率离散性带来的容量差异。最终导致了趴窝事件。

哪种情况容易掉电

由上述可知,磷酸铁锂电池组的车辆,一般是在充满电后,依然插着电的情况下进行电池均衡。

由于均衡的电流并不大,所以每年要有足够的小时数,才能弥补自放电带来的电芯之间的容量差。

看到这里,大家应该能想到,那些长期使用公共充电桩,充满就要马上离开的车,特别是24小时连续运营的出租车,连充满电的机会都不多,很容易出现掉电的问题。而那些经常在家插电一整个晚上的车辆,则因为有足够的均衡时间,基本不会出现掉电问题。

而三元锂电池,由于电压变化明显,BMS是可以随时把握电池的实际容量,适时进行均衡,所以极少出现这种掉电的现象,除非BMS的硬件设计或者算法有问题。

下图是我在2014年准备购买某B字头的电动汽车时,试图找到锂电池的寿命过程中收集到的数据,来自某B字头企业的公开年报。数据显示,当年其投资经营的某纯电出租车公司,基本上也是三年后出现大量的维修支出,平均每台车7万RMB。

应对策略

而避免这种情况的方法也很简单:每年保证充满电之后继续插电足够小时数就行了。至于具体的小时数,因不同的车辆有所区别。例如我这台小牛电动自行车,按照8W的均衡功率,以及三年间电芯自放电拉出约300Wh的容量差距,计算可得,每月至少均衡1小时。

某T字头厂商建议:配备磷酸铁锂电池(LFP)的车型,即使是日常使用,也应该将充电限制设置为 100%,并且每周至少一次充电至 100%。另外,如果车辆停放超过一周,则建议尽早充电至 100%。

同一时间,对三元锂电池车型的建议依然是日常充电至90%,以延长寿命。

下一回,我打算聊一聊,如何把磷酸铁锂和三元锂电池的循环寿命最大化,以及具体策略的区别。

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充不满、掉电快、静置也缩水……磷酸铁锂版Model 3冬季续航断崖式下滑,“元凶”是BMS电池管理系统?

每经记者:李星 每经编辑:裴健如

“请问您的车还有多长时间充好电?我想等一下您的车位充电。”

日前,《每日经济新闻》记者走访位于北京某大型商场地下二层的停车场时发现,在特斯拉超级充电站前,不少车主在排队等待充电。

图片来源:每经记者 李硕 摄(资料图)

“北京正式供暖前,充电根本不用排队。但随着天气越来越冷,排队等着充电的特斯拉车辆也越来越多了。”国产特斯拉Model 3车主王晗(化名)告诉记者,他的车用的是三元锂电池,天气变冷后,车辆续航掉得很快,以前两周充一次电,现在一周充一次,续航至少缩短三分之一。

与王晗相比,磷酸铁锂电池版Model 3的车主们遭遇了更糟心的事儿。有网友爆料称,磷酸铁锂电池版Model 3冬季续航出现断崖式下滑,甚至车辆停放在室外一晚,续航就减少了50多公里。

张明磊(化名)是北京地区一位新晋磷酸铁锂电池版Model 3车主,其提车时间在2020年12月20日前后。提车第一晚,他的新车续航就缩水近70公里。“我都吓坏了,要是这样,多停放几晚,车子就不用再开了。”张明磊接受《每日经济新闻》记者采访时表示。

针对磷酸铁锂电池版Model 3续航大幅下滑、充不满电等问题,一位北京地区特斯拉体验店的销售人员告诉记者:“目前,公司已通过OTA功能对电池管理系统进行了更新,解决了上述问题。”

不过,记者走访时发现,仍有车主反映其遇到的问题并未因车辆OTA系统升级而解决。

续航问题系BMS电池管理系统所致?

2020年10月1日,特斯拉正式推出搭载磷酸铁锂电池的国产Model 3,同时也进行了新一轮官降,入门款标准续航特斯拉Model 3起售价降至24.9万元。

但随着冬季的到来,车主们的续航困扰开始显现,比如续航断崖式下滑、充不满电、车辆静置也会掉电等等。

“其实并不是电池真的掉了那么多电,因为车辆是在上海的暖库生产,到北京后遭遇巨大温差,会导致电池SOC(荷电状态)算法出现问题。事实上,电池活性还是正常的,显示下滑的续航里程仍可以正常使用。”上述特斯拉销售人员解释称。

此前,有网友在知乎上留言称,其10月下旬提的Model3标准版(磷酸铁锂),从8:00~20:00处于静置停放状态,但续航减少了51公里。对此,特斯拉客服与技术支持的反馈为,“BMS电池管理系统存在BUG,需要重新标定与软件升级。”

“静置大幅掉电的问题已经通过OTA升级解决了。”上述特斯拉销售人员告诉记者,车辆静置一晚掉电十几公里是正常情况,没有网友说得那么严重。

图片来源:每经记者 孙桐桐 摄(资料图)

但是,刚提车一周的磷酸铁锂电池版Model 3车主郑璐(化名)则告诉记者,她的车停放在室外,平均每晚续航缩减30公里左右。

而张明磊则告诉记者,他于2020年12月20日从北京特斯拉亦庄交付中心所提的车辆,第一晚(23:00~次日11:00)停放在室外,续航里程从199公里直接掉到133公里,减少了近70公里。“特斯拉工作人员的解释是,新车第一天的电是虚的,数据不准。”张明磊说。

为了解车辆静置耗电情况,张明磊对其车辆进行了连续5天数据统计。“停放室外停车场每天的耗电情况都是不一样的,没有规律。”据张明磊介绍,最少一晚是减少3公里,多的是20~40公里不等,累计5天耗电100公里左右。

对此,特斯拉方面表示,车辆静置过程中,车主需要注意关闭车辆所有可能的耗电功能。

一位知情人士则告诉《每日经济新闻》记者,磷酸铁锂电池版Model 3之所以会出现上述问题,与特斯拉拒绝使用宁德时代提供的磷酸铁锂电池BMS电池管理系统,坚持使用自己的电池BMS电池管理系统有很大关系。“不过,特斯拉通过收集相关数据对车辆进行OTA升级后,其SOC(荷电状态)算法比原来更好了。”上述知情人士表示。

车主:OTA升级后问题仍未解决

值得注意的是,记者在走访过程中发现,即便完成了OTA升级后,磷酸铁锂电池版Model 3充不满电的问题仍未得到解决。“电量显示已经充电完成,但续航却只有407公里。”张明磊告诉记者。

据了解,该车型的综合工况续航里程为468公里。这意味着,虽然提车不久,但张明磊的车辆续航缩水了近13%。

针对充不满电这一问题,此前,特斯拉客户支持曾解释称,磷酸铁锂电池化学特性导致了电量测量出现误差,进而会使车辆显示未充满电,但实际上电量已经充满。

2020年12月25日,“特斯拉客户支持”官方微博发布了2020.48.12新版软件开始推送的通知,称通过软件升级,优化了磷酸铁锂车型沿途预热功能。当使用大屏幕导航至超级充电站/第三方直流充电站时,行驶过程中车辆会提前加热电池。在开始充电前,让电池达到接近锂电子活性的理想温度,以提升充电效率,充电速度也会提升。

此外,张明磊在最近一次的道路实测中发现,其车辆在全程开暖风情况下,17公里的路程会消耗50公里续航里程。“如果不开暖风,车辆耗电比例会低一点。”张明磊说。

郑璐则告诉记者,她的车辆已使用一个多星期,主要在北京市内驾驶,实际续航能力已减少50%。

车企纷纷试水磷酸铁锂电池

值得注意的是,不止是特斯拉,不少电动车品牌旗下搭载磷酸铁锂电池车型,入冬后都遇到了续航缩水的问题。

“无论是磷酸铁锂电池还是三元锂电池,气温在零度以下甚至十度以下,电池活性都会受到影响。主要表现为车辆的放电功率受限,输出给电机的功率减少,直观感觉就是加速性能减弱。但与三元锂电池相比,磷酸铁锂电池放电电流或放电功率冬季会下降得更厉害。”动力电池行业专家杨伟斌在接受《每日经济新闻》记者采访时表示,

上述特斯拉销售人员也表示,磷酸铁锂电池和三元锂电池冬天掉电的问题,是由其电池特性决定的,无法改变。

不过,一位不愿透露姓名的动力电池企业相关负责人则告诉记者,虽然磷酸铁锂电池与三元锂电池之间存在天然差异,但是可以通过后期技术,改变电池物理结构以改善性能。

图片来源:每日经济新闻 资料图

据记者了解,蔚来汽车已就计划于2021年推出的磷酸铁锂电池车型的低温性能问题,研发出相应的解决方案;宁德时代在自加热技术之后,也将推出新的技术解决方案,以改善磷酸铁锂电池低温掉电严重的问题。

技术的升级让车企开始纷纷试水磷酸铁锂电池车型。除特斯拉外,蔚来汽车、小鹏汽车等车企也相继宣布于2021年推出搭载磷酸铁锂电池的车型。

北汽新能源研究院副院长代康伟认为,除了电池技术的不断升级,新能源补贴将于2022年完全退出,也是推动车企布局磷酸铁锂电池车型的原因之一。“磷酸铁锂电池的成本更低,拥有很好的价格优势。同时,磷酸铁锂电池稳定性高,安全性能更好。目前很多企业开发的纯电动平台,可以将磷酸铁锂电池车型续航提高至400~500公里。”代康伟说。

“当前,我国动力电池还在攻关和发展阶段,磷酸铁锂电池和三元锂电池两种技术路线各有所长,企业应该在提高三元锂电池性能的同时,保障其安全性。而对磷酸铁锂电池,则需在提升其性能上做更多努力。”中国汽车工业协会副秘书长叶盛基说。

动力电池低温“怕冷”难题仍待攻坚

实际上,冬季续航缩水并非磷酸铁锂电池的“专利”。

“6~11月之间,只要过来就有充电位,现在每次过来都要排队,有时候排队等到晚上十一二点。”王晗告诉记者,入冬后无论是搭载三元锂电池还是磷酸铁锂电池的电动车,续航都下降了。

据王晗介绍,北京气温下降后,她的车辆续航减少了三分之一。“这个问题在意料之中,跟手机电池一样,温度低掉电快,这是当前动力电池的现状。”王晗表示,冬天车辆续航缩水比例只要低于50%,她都能接受。

相较私家车主,电动出租车师傅们更加“心塞”。“公司告诉我们车辆续航里程是300公里,到冬天就算省着不开暖风跑也跑不到200公里。”北京电动出租车师傅汪毅(化名)向《每日经济新闻》记者表示,为了省电,乘客不上车他都不开暖气,只能裹着大衣、抱着开水杯取暖。

不仅如此,续航的大幅缩水也让出租车司机的接单范围受限。“接单的时候要考虑送客目的地附近是否有充换电站,距离远的大单不敢接,也接不了。”汪毅说。

图片来源:摄图网

对于电池“怕冷”问题,代康伟解释称,低温状态下,电池正负极材料活性和内部电解液导电能力下降,内阻增大,工作电流就变小,对外表现为动力电池可用容量的衰减,是车辆续航里程“打折扣”的主要原因之一。

杨伟斌则认为,冬天电动车电池续航里程缩短体现在三个方面:暖风功率大,耗电多;电池热管理系统用电,影响里程;低温下,电池活性差,功率会受限,电池SOC(荷电状态)下降也会比常温更快。

虽然两类电池均面临冬季掉电问题,但磷酸铁锂电池的特性决定了其比三元锂电池在低温时掉电更明显。“低温情况下,磷酸铁锂电池比三元锂电池掉得快,但电量其实还有的,会有10%左右的偏差。”上述不愿透露姓名的动力电池企业相关负责人告诉记者。

每日经济新闻

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