中國儲能網(wǎng)訊：為什么低溫會成為新能源汽車續(xù)航里程“殺手”？冬季“魔咒”是否成為新能源汽車行業(yè)發(fā)展的“攔路虎”？現(xiàn)有技術能否緩解新能源車主的“里程焦慮”？為回應社會關切，《經(jīng)濟參考報·汽車特刊》記者多路出擊，連線行業(yè)各方，求解新能源汽車過冬難題的深層原因及其對策。
北汽新能源：研發(fā)電池“抗凍”黑科技
近期，寒潮席卷了國內(nèi)大部分地區(qū)，多地開啟了速凍模式。在這樣的高寒天氣下，新能源汽車續(xù)航里程縮水等問題成為消費者最為關心的話題。對此，北汽新能源公司透露，正在著手推進超低溫冷啟動、全氣候電池兩項黑科技的研發(fā)，全方位解決冬季電池性能衰減問題。
冬季電動汽車續(xù)航里程縮水是行業(yè)內(nèi)普遍存在的問題。一方面，目前電動汽車大部分采用的是三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池，由于鋰離子自身屬性的緣故，在低溫環(huán)境下其活性會下降，導致電池的凈放電率下降，電能不能正常釋放出來；另一方面，冬季用車有大比例的額外電能消耗，比如，空調(diào)熱風、座椅加熱、寒冷環(huán)境車輛行駛阻力變大等，這些因素都會造成電動汽車在冬季的能耗升高、續(xù)航里程下降。
為解決冬季“續(xù)航里程縮水”問題，目前各新能源汽車企業(yè)主要采取三種方式：第一種方式是大多數(shù)車企采用的PTC加熱系統(tǒng)。這種方式類似于給電池裝上了“地暖”，結構簡單且成本比較低，但是需要消耗電量來供熱，也會犧牲一部分續(xù)航里程；第二種方式是PTC再加上柴油加溫系統(tǒng)。這種方法見效更快，在低溫環(huán)境下更有保障，但是一定程度上違背了電動車節(jié)能環(huán)保的初衷；第三種方式是電機堵轉(zhuǎn)技術，其工作原理是將電機繞組當作加熱電阻使用，配合電機產(chǎn)生的廢熱給電池組加熱。但是，當溫度在零下10℃至10℃之間時，仍需采用PTC輔助加熱。
對此，北汽新能源工程研究院副院長代康偉介紹，為提升加熱速率，減少用戶等待時間，北汽新能源除了PTC加熱方式外，還著手研究超低溫冷啟動和全氣候電池兩項黑科技，以求全方位解決冬季電池性能衰減問題。
據(jù)介紹，超低溫冷啟動的原理是利用低溫下電芯內(nèi)阻增大的特性，通過高頻大電流脈沖充放電實現(xiàn)快速加熱效果。與傳統(tǒng)PTC加熱方式相比，由于電芯內(nèi)自發(fā)熱，其溫度一致性更好，耗電量也更少。而全氣候電池則是通過給電芯間鎳片通電生熱的方式，快速向電芯傳熱使其升溫。
北汽新能源在黑龍江進行的低溫測試顯示，電池溫度從零下18℃上升到18℃僅用了300秒左右。目前，這一核心關鍵技術處于世界領先水平，為新能源汽車突破嚴寒禁區(qū)奠定了堅實的技術基礎。這也意味著，未來新能源汽車將無懼零下40℃的嚴寒，并且能夠保持與常溫狀態(tài)下幾乎相同的續(xù)航里程。
另外，北汽新能源還創(chuàng)新性地研發(fā)出第四代IBTC電池熱管理技術——干濕分離熱管理技術，除了更有效保障電池安全之外，還可以將系統(tǒng)溫差減少50%，40℃以上的高溫極限工況下系統(tǒng)溫差可以控制在6℃以內(nèi)。也就是說，冷到黑河，熱到吐魯番，北汽新能源的電池系統(tǒng)始終能夠保持在電池最佳工作狀態(tài)。
作為國內(nèi)最早布局新能源研發(fā)生產(chǎn)的整車企業(yè)，北汽新能源在純電動汽車技術與研發(fā)方面一直處于行業(yè)領先地位，尤其是在突破極寒地區(qū)用車限制方面擁有技術優(yōu)勢。業(yè)內(nèi)專家表示，隨著電池技術水平的不斷提升，電動汽車冬季續(xù)航里程縮水問題將在很大程度上得到緩解。在凜冽的寒風中，電動汽車也可以實現(xiàn)超長“待機”，用戶出行體驗也將得到進一步提升。
比亞迪：多措施應對“低溫挑戰(zhàn)”
作為國內(nèi)在電動汽車和動力電池領域都居于前列的企業(yè)，比亞迪通過多種措施應對冬季電動汽車續(xù)航里程衰減的問題。
比亞迪表示，很多人都把電動汽車冬季用電快歸咎于電池本身的能量問題，但實際上這是一個綜合性問題，電池并非“放不出電”，而是動力電池在低溫環(huán)境下活性下降，電池的凈放電率降低，造成電池容量受到影響。也就是說，續(xù)航衰減的真實原因，不是可放的電變少了，而是電不能有效放出來，再加上冬季額外消耗的電增加，如空調(diào)暖風、行駛阻力變大等因素綜合導致續(xù)航里程減少。
對此，比亞迪也采取綜合手段來解決續(xù)航里程衰減問題。一方面，比亞迪的電池有加熱系統(tǒng)，冬季寒冷可以加熱。比亞迪漢EV搭載了比亞迪獨有的刀片電池，刀片電池采用“無模組”結構，讓加熱管路進入到一塊加熱大平板中，用大平板給所有電池電芯加熱，加熱效率更高更均勻，電芯溫度一致性好，有利于放出更多電。另一方面，比亞迪通過不斷降低車輛風阻，采用適宜冬季工況的低黏度油脂等措施，減少冬季車輛行駛所產(chǎn)生的能量損失，進一步降低低溫的行駛能耗。
同時，比亞迪表示，安全是新能源電池的第一追求，也是最高追求。一味追求高能量密度，而忽略對電池安全的重視，是舍本逐末。基于此，比亞迪通過結構及材料創(chuàng)新，適時推出刀片電池。刀片電池在裝配時可以直接跳過“模組”這一層級，進而直接組成電池包，在空間利用率上提升了50%。在推出刀片電池的同時，比亞迪也在布局研發(fā)三元電池和固態(tài)電池。未來，比亞迪會向更高層次的安全性能發(fā)展，同時不斷探索新的技術領域。
蔚來汽車：升級電池加大換電站投入
關于在冬天低溫環(huán)境下的穩(wěn)定運行問題，剛剛發(fā)布新款車型的蔚來汽車表示，除了搭載續(xù)航能力升級的電池外，還通過加大換電站投入來實現(xiàn)保障。
蔚來汽車創(chuàng)始人李斌表示，與傳統(tǒng)汽車使用發(fā)動機預熱來加熱不同，電動汽車在低溫環(huán)境下有天生的劣勢，冬天需要使用電來進行加熱，這成為其短板。“這就是為什么冬天續(xù)航里程會有一些影響，所有電動汽車在冬天都會遇到挑戰(zhàn)?！?
據(jù)李斌介紹，新發(fā)布的ET7在續(xù)航里程方面有所提升，搭載70kWh電池包NEDC續(xù)航超過500公里，搭載100kWh電池包續(xù)航超過700公里，搭載全新150kWh電池包續(xù)航超過1000公里。
對換電站等相關配套設施的完善將是應對低溫駕駛問題的主要舉措。李斌說，蔚來汽車的換電站本身在低溫環(huán)境下運營沒有問題，實踐證明在哈爾濱等地方都能夠正常運營。
蔚來汽車聯(lián)合創(chuàng)始人、總裁秦力洪表示，蔚來汽車當前已經(jīng)部署了近200座換電站，接下來還要增加300座，達到500座換電站。
“真正的挑戰(zhàn)在于換電站的運營效率和服務標準。從2020年4月中下旬到年底，蔚來大約投放了70多個換電站，即30多周時間內(nèi)平均每周大約投放2個站。用戶對換電站的分布、建設速度、運營效率的期許是非常高的。換電站既凸顯了蔚來的獨特技術和服務優(yōu)勢，也反映出我們并沒有達到用戶的預期要求。比如，1月6日北京部分地區(qū)氣溫突然下降到零下17℃，很多換電站由于應對低溫準備工作不足當天沒有營業(yè)。這反映出我們在運營、相關準備等方面做得不夠好。”秦力洪表示，哈爾濱的換電站能夠正常運營，而北京不能正常運營，這說明北京的相關準備工作不足，這反映出公司運營精度方面存在問題。
威馬汽車：冬季續(xù)航保障服務加力
目前，電動汽車上所使用的動力電池大多屬于三元鋰電池，而低溫環(huán)境下鋰離子的活性會大大下降，這是導致電動汽車冬季續(xù)航里程縮短的主要因素。
為此，威馬汽車相關負責人表示，威馬從技術和服務兩個層面做了保障。他說，要提高冬季鋰離子的活性，就必須要通過技術手段讓電池保持理想的輸出溫度。在這方面，威馬汽車有專門的全天候電池包恒溫熱管理系統(tǒng)。
據(jù)了解，威馬汽車的這套系統(tǒng)，主要通過獨立液冷設計、PTC電加溫系統(tǒng)、零下30℃極地加溫系統(tǒng)，將電芯溫度更加穩(wěn)定地控制在高效、安全的溫度區(qū)間，有效提升了冬季可用電池容量和充放電效率。
威馬汽車把這套技術系統(tǒng)稱之為熱管理2.0，它主要有以下幾大特點：一是能根據(jù)電芯的實時溫度，自動調(diào)用不同熱管理策略；二是在電芯模組底部整齊有序地布置了鋁制水冷板，且鋁板表面覆蓋一層導熱硅脂的特殊材料與電芯模組接觸，貼合性更好，從而維持電池在最佳的溫度區(qū)間內(nèi)，提高電池的充放電效率；三是在每個電芯模組內(nèi)布置了兩個溫度傳感器，并通過BMS和BTMS精確管理所有電芯，將電芯的溫差控制在±2℃，確保電芯溫度均勻；四是將電池包冷卻和動力系統(tǒng)冷卻分開，采用獨立的液冷回路，以便更精確地控制電池包溫度；五是通過標配的液冷系統(tǒng)，搭配區(qū)域化定制的PTC電加熱和柴油加熱，實現(xiàn)零下30℃至50℃不同環(huán)境溫度的高適應性，確保電池不管是在放電還是充電過程中都保持在合適溫度區(qū)間，避免電池低溫損傷和高溫危險。
不過，威馬汽車這位負責人認為，常規(guī)的電池熱管理系統(tǒng)確實能夠在冬季保持合理的電池溫，但熱管理系統(tǒng)為電池加溫的過程本身就需要電池電力做支撐，這同樣會造成巨大的電池電力損耗，從而導致續(xù)航里程下降?；诖耍R熱管理2.0系統(tǒng)還采用外部熱源同時對電池包和座艙進行加熱，大幅降低了冬季空調(diào)的能耗，有效提升了NEDC綜合工況下的續(xù)航里程。
另外，他特別提到，威馬汽車采用的是C2M客制化生產(chǎn)，用戶可根據(jù)需要，針對冬季續(xù)航選擇相應配置。比如，冬季溫度保持在0℃左右地區(qū)的用戶，可以選擇電加熱系統(tǒng)，而華北、東北、西北等氣溫在零下10℃至零下30℃的地區(qū)，推薦用戶選擇柴油加溫包，即用燃燒柴油的方式，給車內(nèi)空調(diào)供暖，給電池包保暖。
至于服務方面，威馬汽車不僅提供了動力電池終身免費質(zhì)保、4年12萬公里的整車質(zhì)保、8年15萬公里的電機、電控等核心部件質(zhì)保等基本權益保障，還為用戶提供了免費充電樁私享服務、“即客行”全國20萬根公用充電樁支持、智行合伙人網(wǎng)店免費充電等充電解決方案。與此同時，威馬汽車還推出了冬季專項檢查，包含小電瓶專項養(yǎng)護、24項免費檢測、最新版本軟件升級等。
威馬汽車負責人說，通過技術和服務兩個層面的保障，威馬汽車的冬季續(xù)航問題基本上都能得到解決。
力神電池：技術創(chuàng)新迎解低溫難題
動力電池低溫條件下續(xù)航里程“打折”是行業(yè)面臨的普遍問題，近期的寒潮讓這一問題更加凸顯。天津力神電池股份有限公司執(zhí)行副總裁、力神研究院院長周江表示，電池技術創(chuàng)新是解決這一問題的關鍵，需要在電池材料創(chuàng)新、電池設計創(chuàng)新方面下硬功夫。
周江介紹，一方面，低溫下離子的運動性能下降，電池電阻增加，輸出功率下降，導致續(xù)航里程變短。比如，假設電池中有10度電，但由于低溫導致電阻增加，則只能放出7至8度電。另一方面，低溫下電池的輸出功率變小，導致車的加速性能下降，直觀感受就是車跑不快。尤其是磷酸鐵鋰電池材料的電導率較低，比三元鋰電池更易受低溫環(huán)境的影響。
“從技術方面來講，解決這一問題主要有兩種思路，一是降低電阻，二是在電池中增加保溫設計?！敝芙f。
周江告訴記者，在業(yè)內(nèi)實踐中，通過增強動力電池正極材料表面的導電性、改變電解液的成分減小離子在電解液中運動的阻力、增加電池隔膜的孔隙率等方式，都能降低電池電阻，改善電池在低溫條件下的性能，提高低溫環(huán)境下的電導率。
除此之外，提高電池溫度也是常用舉措。周江介紹，通過增加電阻提高電池工作中的發(fā)熱量或降低電池的散熱性能，來應對冬季低溫天氣，同時通過液冷系統(tǒng)應對夏季高溫環(huán)境下電池溫度過高的風險隱患?！斑@種方式的基本邏輯是，將電池工作產(chǎn)生的熱量留在其內(nèi)部，實現(xiàn)加熱，但如果在極寒條件下，電池甚至不能啟動，這種方式也將無法發(fā)揮作用。”
周江補充說，也可以采用外部加熱方式，例如，在電池包外部設計加熱系統(tǒng)，但熱傳導效率并不理想；或者，設計燃料發(fā)電機，但會增加系統(tǒng)設計的復雜性從而增加成本。此外，目前業(yè)內(nèi)已經(jīng)在研發(fā)電池單體的自加熱技術，例如，在電池內(nèi)部增加電阻較大的金屬片，或者通過電學方面的特性設計，實現(xiàn)快速加熱。
周江認為，隨著技術進步，近幾年動力電池在低溫條件下的性能已經(jīng)得到了明顯改善，未來仍需要在電池材料、電池單體技術、電池設計等方面加大創(chuàng)新。力神電池除了對單體電池的正極材料、電解液等進行特別設計外，也在積極與高校合作研發(fā)電池的自加熱技術，同時，做好電池包的集成化設計，兼顧溫度控制系統(tǒng)和電池效率的平衡。
