通過能量收集提高電動汽車電池在極端溫度下的性能

目前，實現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化效率，例如電動汽車的續航里程或乘客艙的熱管理功能。而極端溫度會對汽車性能和電池耐用性產生嚴重的負面影響。

能量收集可幫助電池熱管理系統（BTMS）在極端環境下調節電池溫度，以優化性能和續航里程、提高充電速度或控制車內溫度。電動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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電動汽車中的能量收集

能量收集（在汽車應用中通常稱為能量回收）是指捕捉環境能量并將其轉換為電能。這一概念適用于所有可用的環境能源，包括太陽能、風能、振動或熱輻射。它可以為超低功耗MCU供電，以減少小負載電池需求，或為監測車輛性能項目的MEMS傳感器供電。

對于電動汽車所面臨的更大規模挑戰，額外回收的能量可以增加車輛運行期間的主要能量荷載，進而提高效率并延長續航里程。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為車廂預熱。

在極端溫度下，可以收集太陽能、熱能和電動能三種類型的能量作為熱管理系統的補充，以保護電池并提高其性能。

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太陽能收集

在美國北部的嚴冬，氣溫可降至華氏零度以下。內燃機（ICE）的顯著優點之一就是燃燒反應可以產生源源不斷的熱量，為發動機和車廂供暖。電動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。

近期的研發重點是車用熱泵，這種熱泵借助沸點低于環境溫度的制冷劑，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境太陽能。研究人員已經證實，太陽能收集可將續航里程提高近23%。

此外，這種方法還能減少約10%的電網能源消耗和充電時間，并相應地延長電池壽命。電池擁有平滑太陽能固有的電力間歇性所需的儲能功能，因此電動汽車自然就成為了太陽能收集的理想應用。

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熱能收集

盡管極端溫度給電動汽車熱管理帶來了挑戰，但也為通過高溫差驅動快速熱傳遞提供了可能。在極端炎熱的天氣里，熱電發電機可將溫差轉化為電能，補充原電池的電量并減輕負載。

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

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動能收集

雖然太陽能和熱能收集技術能在極端溫度下提高效率，但它們仍受限于光照質量和環境溫度條件。這一限制為動能收集提供了機會，動能收集可回收車輛在運行過程中所產生的廢能。

再生制動就是一種動能收集，在再生制動過程中，部分制動能量通過壓電材料流回電池以補充電能。與熱能收集中的溫差一樣，驅動勢能（本例中為制動力）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聯。不過，這一過程的效率要比熱電發電機高得多，可實現高達70%的制動廢能回收。

動能收集的其他應用還包括減震器和振動傳感器，每種應用都能通過增加機械力來獲取更高的能量回收負荷。

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結語

極端溫度會給汽車原始設備制造商帶來巨大挑戰，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、熱能和動能收集策略可以產生重要的二次動力源，在熱管理系統首次啟動時抵消高負荷。

上述傳感器可將廢棄能源轉化為可用電力，從而實現極端溫度下的電動汽車技術。而采用太陽能、熱能和廢能回收技術可顯著提高車輛的可持續發展能力。

審核編輯：黃飛