為什么冬季電動車?yán)m(xù)航會縮減，冬季電動車?yán)m(xù)航縮減多少呢、
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-10 12:03
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百萬新車迎來冬季續(xù)航考驗(yàn)，低溫?zé)峁芾泶笥锌蔀椤?/span>
2018年全年全國完成新能源乘用車銷售100.8萬輛，同比增長89%;2019年1-2月完成銷售14.3萬輛，同比增長134%。但新能源車在冬季，尤其在高寒的東北地區(qū)電動汽車實(shí)際續(xù)航里程已經(jīng)出現(xiàn)明顯下降，對用戶使用造成了嚴(yán)重影響。以幾款典型新能源汽車為例，一些冬季道路試驗(yàn)顯示這些車型的平均續(xù)航里程下滑24%，測試包含的鈷酸鋰、三元鋰與磷酸鐵鋰均未出現(xiàn)明顯的抗低溫優(yōu)勢。
由于去年夏季的40多起電池自燃事件，眾多廠商已開始重視高溫?zé)峁芾?，而低溫?zé)峁芾頋摿t仍有待開發(fā)，僅有少數(shù)廠家為電池配備了電加熱系統(tǒng)。冬季續(xù)航是整車廠商乘用體驗(yàn)的核心指標(biāo)，電池的低溫性能則是電池廠商的核心競爭力，我們認(rèn)為每一次冬季低續(xù)航的陣痛都將促進(jìn)廠商加速低溫?zé)峁芾淼臐B透，未來市場潛力巨大。
電池實(shí)驗(yàn)表明溫度越低，電池可用容量越低。以松下NCR18650A為例，在電池實(shí)驗(yàn)中-10℃下電池容量相比25℃將下降約20%，且平均電壓遠(yuǎn)低于常溫下，電池對外做功能力明顯衰減。而以某磷酸鐵鋰電池為例，-15℃下電池內(nèi)阻是15℃下的4-5倍，表征電解液導(dǎo)電能力下降嚴(yán)重。
冬季車內(nèi)加熱設(shè)備的使用加大續(xù)航損耗。
目前PTC加熱器是電動汽車暖風(fēng)空調(diào)的主要熱源，相比于電熱絲加熱能量轉(zhuǎn)化效率已從70%上升至98%，但將高品位的電能直接轉(zhuǎn)化為低品位的熱能，能量浪費(fèi)依然巨大。蔚來汽車為ES8配備了前5.5kw后3.7kw等2個(gè)PTC加熱器，即在始終開啟的狀態(tài)下僅暖風(fēng)空調(diào)每小時(shí)將消耗近50公里續(xù)航，如果再考慮電池本身的劣化，355公里的續(xù)航只能完成一半。
理論測算加熱功耗嚴(yán)重制約續(xù)航里程。以當(dāng)前主流的300km配備35kwh電池的車型為例，可獲得加熱功耗與里程關(guān)系曲線，若要保證75%的續(xù)航保持率，車內(nèi)平均加熱功耗需要控制于1-1.5kw。但電熱轉(zhuǎn)換效率最多為1，PTC加熱器的效率已非常接近，因此需要尋找例如熱泵空調(diào)等轉(zhuǎn)化效率突破電熱瓶頸的技術(shù)。
二、鋰離子電池冬季電量減少的原因–低溫電化學(xué)反應(yīng)不活躍
低溫下電化學(xué)反應(yīng)不活躍是電池冬季續(xù)航降低的主要原因。鋰離子電池是一種典型的“搖椅電池”，其充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌穿越隔膜進(jìn)入負(fù)極，使得負(fù)極呈富鋰狀態(tài)，正極呈貧鋰狀態(tài)，同時(shí)碳負(fù)極通過外電路獲得補(bǔ)償電荷，放電時(shí)則相反。環(huán)境溫度過低時(shí)，電解液黏度增大甚至部分凝固，使得鋰離子脫嵌運(yùn)動受阻，電導(dǎo)率降低，最終引起了容量減少。
低溫下使用鋰電池易造成不可逆的容量損傷和潛在危險(xiǎn)。鋰離子的溶解性在低溫時(shí)會顯著降低，易析出沉積形成鋰晶枝，生長到一定程度時(shí)有可能會刺穿隔膜造成電池短路，形成潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。且此時(shí)電池負(fù)極動力學(xué)條件較差，固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)厚度會增加，將不可逆地持續(xù)阻礙離子流動，造成有效容量衰減。
各類正極材料的抗低溫能力均不相同，NCM811電池相對抗凍。研究發(fā)現(xiàn)在-20℃下電池的容量保持率均有下降，總體上NCM與NCA材料抗低溫性能相似，NCM811比NCA稍高，但兩者均明顯優(yōu)于磷酸鐵鋰電池。當(dāng)前國內(nèi)的電池向NCM811發(fā)展的趨勢有助于減緩冬季低電量的現(xiàn)象，但仍需要低溫?zé)峁芾韥碜岆姵毓ぷ髟谧罴逊秶?/span>
三、低溫續(xù)航下方案–高效熱管理
耐低溫電池的研發(fā)是解決冬季續(xù)航下降較為根本的辦法，主要方向有改性電解液與全天候電池，但當(dāng)前仍在實(shí)驗(yàn)階段。
采用混合鋰鹽、溶劑與添加劑獲得綜合性能較強(qiáng)的低溫電解液是獲得低溫鋰電池的重要手段。電解液是電池抗低溫能力最重要的因素之一，當(dāng)前研究表明將不同的鋰鹽、溶劑與添加劑這三種組分按特定比例混合可以達(dá)到綜合最優(yōu)的效果。例如在溶劑方面，傳統(tǒng)溶劑EC介電常數(shù)高、成膜性好，但因其熔點(diǎn)高、黏度大，而低熔點(diǎn)(-48℃)的PC溶劑可有效地避免電解液體系在低溫下發(fā)生凝固，調(diào)整兩者配比可降低體系粘度，獲得綜合兩者優(yōu)點(diǎn)的抗低溫溶劑。
全天候電池是未來電池的可選項(xiàng)。在2016年美國ECPower公司和賓夕法尼亞州立大學(xué)的華人團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)研發(fā)出可在低溫條件下使用的鋰離子電池，通過在內(nèi)部加入電熱鎳箔經(jīng)過電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低溫自動加熱，可在25秒內(nèi)將電池溫度從-20℃升至0℃并維持穩(wěn)定。這種全氣候電池為方形，添加成本每千瓦時(shí)少于1元，附加重量不超越1.5%，-20℃下的容量衰減僅為普通電池的一半。寶馬18年1月宣布與ECPower簽訂專利協(xié)議，極有可能將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于未來的寶馬純電動車型。我們認(rèn)為帶自加熱功能的全天候電池是未來的可選項(xiàng)之一，但可靠性、加熱耗電量與電路控制仍是需要解決的問題。
2018年全年全國完成新能源乘用車銷售100.8萬輛，同比增長89%;2019年1-2月完成銷售14.3萬輛，同比增長134%。但新能源車在冬季，尤其在高寒的東北地區(qū)電動汽車實(shí)際續(xù)航里程已經(jīng)出現(xiàn)明顯下降，對用戶使用造成了嚴(yán)重影響。以幾款典型新能源汽車為例，一些冬季道路試驗(yàn)顯示這些車型的平均續(xù)航里程下滑24%，測試包含的鈷酸鋰、三元鋰與磷酸鐵鋰均未出現(xiàn)明顯的抗低溫優(yōu)勢。
由于去年夏季的40多起電池自燃事件，眾多廠商已開始重視高溫?zé)峁芾?，而低溫?zé)峁芾頋摿t仍有待開發(fā)，僅有少數(shù)廠家為電池配備了電加熱系統(tǒng)。冬季續(xù)航是整車廠商乘用體驗(yàn)的核心指標(biāo)，電池的低溫性能則是電池廠商的核心競爭力，我們認(rèn)為每一次冬季低續(xù)航的陣痛都將促進(jìn)廠商加速低溫?zé)峁芾淼臐B透，未來市場潛力巨大。
電池實(shí)驗(yàn)表明溫度越低，電池可用容量越低。以松下NCR18650A為例，在電池實(shí)驗(yàn)中-10℃下電池容量相比25℃將下降約20%，且平均電壓遠(yuǎn)低于常溫下，電池對外做功能力明顯衰減。而以某磷酸鐵鋰電池為例，-15℃下電池內(nèi)阻是15℃下的4-5倍，表征電解液導(dǎo)電能力下降嚴(yán)重。
冬季車內(nèi)加熱設(shè)備的使用加大續(xù)航損耗。
目前PTC加熱器是電動汽車暖風(fēng)空調(diào)的主要熱源，相比于電熱絲加熱能量轉(zhuǎn)化效率已從70%上升至98%，但將高品位的電能直接轉(zhuǎn)化為低品位的熱能，能量浪費(fèi)依然巨大。蔚來汽車為ES8配備了前5.5kw后3.7kw等2個(gè)PTC加熱器，即在始終開啟的狀態(tài)下僅暖風(fēng)空調(diào)每小時(shí)將消耗近50公里續(xù)航，如果再考慮電池本身的劣化，355公里的續(xù)航只能完成一半。
理論測算加熱功耗嚴(yán)重制約續(xù)航里程。以當(dāng)前主流的300km配備35kwh電池的車型為例，可獲得加熱功耗與里程關(guān)系曲線，若要保證75%的續(xù)航保持率，車內(nèi)平均加熱功耗需要控制于1-1.5kw。但電熱轉(zhuǎn)換效率最多為1，PTC加熱器的效率已非常接近，因此需要尋找例如熱泵空調(diào)等轉(zhuǎn)化效率突破電熱瓶頸的技術(shù)。
二、鋰離子電池冬季電量減少的原因–低溫電化學(xué)反應(yīng)不活躍
低溫下電化學(xué)反應(yīng)不活躍是電池冬季續(xù)航降低的主要原因。鋰離子電池是一種典型的“搖椅電池”，其充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌穿越隔膜進(jìn)入負(fù)極，使得負(fù)極呈富鋰狀態(tài)，正極呈貧鋰狀態(tài)，同時(shí)碳負(fù)極通過外電路獲得補(bǔ)償電荷，放電時(shí)則相反。環(huán)境溫度過低時(shí)，電解液黏度增大甚至部分凝固，使得鋰離子脫嵌運(yùn)動受阻，電導(dǎo)率降低，最終引起了容量減少。
低溫下使用鋰電池易造成不可逆的容量損傷和潛在危險(xiǎn)。鋰離子的溶解性在低溫時(shí)會顯著降低，易析出沉積形成鋰晶枝，生長到一定程度時(shí)有可能會刺穿隔膜造成電池短路，形成潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。且此時(shí)電池負(fù)極動力學(xué)條件較差，固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)厚度會增加，將不可逆地持續(xù)阻礙離子流動，造成有效容量衰減。
各類正極材料的抗低溫能力均不相同，NCM811電池相對抗凍。研究發(fā)現(xiàn)在-20℃下電池的容量保持率均有下降，總體上NCM與NCA材料抗低溫性能相似，NCM811比NCA稍高，但兩者均明顯優(yōu)于磷酸鐵鋰電池。當(dāng)前國內(nèi)的電池向NCM811發(fā)展的趨勢有助于減緩冬季低電量的現(xiàn)象，但仍需要低溫?zé)峁芾韥碜岆姵毓ぷ髟谧罴逊秶?/span>
三、低溫續(xù)航下方案–高效熱管理
耐低溫電池的研發(fā)是解決冬季續(xù)航下降較為根本的辦法，主要方向有改性電解液與全天候電池，但當(dāng)前仍在實(shí)驗(yàn)階段。
采用混合鋰鹽、溶劑與添加劑獲得綜合性能較強(qiáng)的低溫電解液是獲得低溫鋰電池的重要手段。電解液是電池抗低溫能力最重要的因素之一，當(dāng)前研究表明將不同的鋰鹽、溶劑與添加劑這三種組分按特定比例混合可以達(dá)到綜合最優(yōu)的效果。例如在溶劑方面，傳統(tǒng)溶劑EC介電常數(shù)高、成膜性好，但因其熔點(diǎn)高、黏度大，而低熔點(diǎn)(-48℃)的PC溶劑可有效地避免電解液體系在低溫下發(fā)生凝固，調(diào)整兩者配比可降低體系粘度，獲得綜合兩者優(yōu)點(diǎn)的抗低溫溶劑。
全天候電池是未來電池的可選項(xiàng)。在2016年美國ECPower公司和賓夕法尼亞州立大學(xué)的華人團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)研發(fā)出可在低溫條件下使用的鋰離子電池，通過在內(nèi)部加入電熱鎳箔經(jīng)過電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低溫自動加熱，可在25秒內(nèi)將電池溫度從-20℃升至0℃并維持穩(wěn)定。這種全氣候電池為方形，添加成本每千瓦時(shí)少于1元，附加重量不超越1.5%，-20℃下的容量衰減僅為普通電池的一半。寶馬18年1月宣布與ECPower簽訂專利協(xié)議，極有可能將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于未來的寶馬純電動車型。我們認(rèn)為帶自加熱功能的全天候電池是未來的可選項(xiàng)之一，但可靠性、加熱耗電量與電路控制仍是需要解決的問題。
