在多步快速充电协议下，LiFePO4/石墨电池的温度依赖性降解机制

《eTransportation》：Temperature-Dependent Degradation Mechanisms of LiFePO 4/Graphite Batteries under Multi-Step Fast Charging Protocols

针对冬季电池电动汽车续航缩短和加热能耗高的问题，提出集成金属相变材料热能存储装置的解决方案，建立混合能源存储系统优化模型，基于实际驾驶数据确定最优配置为318.8kWh电池和86.5kWh热存储，使加热时间减少68.3%，电池寿命延长13.8%，年运营成本降低7.8%。

　　在冬季，电池电动公交车（BEBs）的座舱加热系统运行会对电池寿命和行驶里程产生显著影响。主要原因在于，座舱需要更长时间来升温，同时维持舒适温度所需的能量消耗大幅增加。这种现象在寒冷气候下尤为突出，不仅限制了BEBs的实际应用范围，还对整体性能构成了挑战。因此，如何有效解决冬季座舱加热问题，成为推动BEBs在寒冷地区普及的重要课题。

为了应对这一问题，研究者提出了一种结合热能储存技术的解决方案，特别是基于金属相变材料（PCM）的热能储存装置。这种装置能够有效提升BEBs的行驶里程，同时缩短座舱预热时间。研究通过构建详细的BEB模拟模型，并结合实际运行数据，提出了一个用于热能储存系统（TES）设计的框架。该框架不仅考虑了车辆的运行需求，还兼顾了热能储存系统的配置优化。研究结果表明，将318.8 kWh的电池与86.5 kWh的热能储存系统相结合，能够将座舱预热时间减少高达68.3%，同时延长电池使用寿命约13.8%，从而实现年运营成本降低7.8%的显著效益。这一成果为BEBs在寒冷气候下的实际应用提供了有力的技术支持。

随着全球环境问题的加剧，电动汽车（EVs）在交通领域中的推广已成为减少温室气体排放的重要手段。尤其是在中国，电动公交车（EBs）占据了商业公交车市场的主导地位，其中电池电动公交车（BEBs）更是占据了超过90%的市场份额。然而，BEBs在冬季的性能下降仍然是其大规模应用的主要障碍之一。电池在低温环境下的放电能力明显降低，例如在?20°C条件下，磷酸铁锂/石墨电池的容量损失可达44%。此外，由于BEBs在运行过程中产生的废热有限，因此需要额外的电加热系统来确保乘客的舒适性。早期的正温度系数（PTC）加热器因其成本低、结构简单且对低温环境适应性强而被广泛应用，但其能效系数（COP）较低，通常只有95%左右，导致较高的电力消耗。

相比之下，热泵（HP）因其通过逆向制冷循环实现加热，具有更高的COP，成为更优的选择。然而，热泵在极低温条件下（如低于?15°C）面临诸多挑战，例如蒸发器结霜问题，这会显著降低系统的能效并影响加热效果。因此，在寒冷地区，热泵的使用受到一定限制，而燃油加热器则被广泛采用。燃油加热器即使在?40°C的极端环境下仍能提供超过30 kW的热能，但其带来的额外碳排放与电动汽车作为环保替代品的目标相悖。

为了解决这一矛盾，研究者提出了一种新的热能储存装置，该装置可集成到BEBs的热管理系统（TMS）中，协同提供热能以满足座舱加热需求。这种装置利用BEBs行李舱的广阔空间，确保安装不会造成额外的空间负担。同时，热能储存装置可以安全地安装在座舱下方，便于维护和管理。从乘客热舒适性的角度来看，通风口设置在座舱地板高度，优先加热乘客的下肢，从而促进自然对流，使温暖空气上升，最终均匀分布在整个座舱内。这种设计不仅提高了加热效率，还减少了能量浪费。此外，热能储存装置在放电后可通过充电桩与电池同时充电，为后续的运营周期提供持续的热能支持。

现有研究主要集中在热能储存装置的概念设计、数值分析和实验验证方面，但关于如何系统地确定热能储存系统的容量大小，仍缺乏有效的方法。研究者指出，当前文献中对热能储存系统容量设计的探讨较为有限，导致在实际应用中存在设计目标模糊和缺乏系统性指导的问题。此外，以往在电动汽车热能储存系统容量设计方面的研究多采用经验公式或平均车速数据进行估算，甚至忽略了热能储存系统对整体性能的影响。这种做法虽然简化了计算过程，但也可能造成设计偏差，影响车辆的实际运行效果。

为弥补这一不足，本研究提出了一种综合的热能储存系统容量设计方法，结合电池与热能储存装置，构建了一个混合能源储存系统（hybrid ESS）。该方法不仅考虑了车辆在不同温度条件下的热需求，还通过详细的模拟模型对热能储存系统的性能进行了系统评估。具体而言，研究建立了BEBs的详细热管理系统模型，并结合热能储存模型，对热能储存容量变化对车辆性能指标的影响进行了动态量化分析。这一模型能够帮助研究人员更准确地预测热能储存系统在不同运行条件下的表现，从而优化其配置。

在实际应用中，研究团队选取了北京市的一辆区域电动公交车作为案例，分析其在固定运营路线下的年度运营成本和冬季加热性能。通过对比优化配置与原始配置的运行数据，研究发现优化后的系统不仅在冬季座舱加热方面表现出色，还在整体运营成本上实现了显著的降低。这一案例研究为热能储存系统的容量设计提供了具体的参考，并为未来商业电动车的热管理设计提供了可行的解决方案。

综上所述，本研究通过构建详细的热管理系统模型和混合能源储存系统设计框架，为BEBs在寒冷地区的实际应用提供了新的思路。热能储存系统的引入不仅能够有效缓解冬季座舱加热对电池性能的影响，还能提升车辆的整体能效和经济性。此外，该研究还强调了热能储存系统在实现真正零排放目标中的重要性，特别是在当前燃油加热器仍被广泛使用的背景下。通过优化热能储存系统的容量配置，BEBs可以在不依赖燃油加热器的情况下，实现更高效的热管理，从而推动公共交通领域的可持续发展。