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怕冷的电动汽车,有救吗?
来自:电动号转载
作者:电动汽车观察家
2021-01-22 10:01:00
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2020年12月份以来,国内北方地区开启了“速冻模式”。2021年1月份,北京一些日子的气温低于零下17摄氏度,号称打破了21世纪以来最低气温纪录。

 对于因为疫情躲在屋子里的人们或许还好,但是对于室外的纯电动汽车和车主来说,这个冬天有点儿难熬。

 去年11月份,一位北京车主对Model 3磷酸铁锂版进行实测,发现续驶里程大幅缩水。特斯拉标准续航升级版标称的NEDC续航里程是468km,但是车辆充满后表显420公里续航里程,实际行驶241公里后剩下5%电量,折算下来里程大约打了“6折”。

 自此,媒体又开启了一年一度的冬季车辆续驶里程测评,测评稿件比比皆是,但是大家大多表达了冬季车辆续航减少的事实,具体为何减少,如何改进没有过多阐述。

 那么车企、电池企业以及相关专家,冬季对纯电动汽车续驶里程低的问题是如何看的?又有哪些解决方案?

 1

为什么冬天里程会短?

 冬季电动汽车续驶里程缩短并不是什么“独有特性”,燃油车在低温下的油耗也会显著提升,但是由于加油站很方便,用户对此感受不深。

 不过,由于电动汽车的特性,其冬季续驶里程缩短影响比燃油车更大。

 (1)气温低导致电池活性下降

 即使冬季燃油车油耗高,一般也不会续驶里程打对折的情况,这对纯电动汽车就很普遍了。

 原理上看,低温使锂离子电池活性降低。电池在低温条件下导电率降低,内阻变大,最终导致可用容量降低。有的锂电池在25℃时可用容量是100%,在-20℃时,可用容量只有61.24%,如果在-40℃,只有40.16%(下图)。

资料来源:上汽提供

 除了容量降低,气温低的情况下,锂离子电池充电也很困难,充电使其负极表面容易堆积形成金属锂。锂枝晶的生长会刺穿电池隔膜,造成电池内短路,诱发电池热失控。为了避免析锂发生,会限定充电电流。

 如下图所示为某款电池在不同温度下直流快充的时间变化。在-14℃与7℃比充电时间延长超过70%(3%-80%SOC)。

资料来源:蔚来提供

 此外,制动能量回收减少,也加剧了续航变少。

(2)空调耗能加剧

 冬季开启空调对电动汽车的续航里程也会产生极大影响。在电动汽车中,制热功能则多由PTC加热器实现,其本质上是通过电流的焦耳效应实现制热,但是其效率不能100%转化,一般为80%-95%,剩下的浪费掉。这些使得冬季车舱的环境控制负荷更大。

 对此,上汽给出了一组数据加以说明,一般加热器件功率为3—4kW,也就是车辆行驶1小时耗电3-4kWh,行驶2小时耗电6—8kWh……,以此类推。如果纯电动汽车电量为35kWh以上,空调整体能耗占比能达到20%左右。

 换句话说,空调的耗能直接转化为续驶里程损失。

 与此相比,燃油车就略显优势,其暖风来自于发动机工作时产生的热量:当发动机的冷却系统给发动机散热后,通过风扇将散出的热量送入车内,形成暖风,并不会形成额外耗油。

 (3)测试工况与实际应用差距大

还有一个问题,就是电动汽车上标注的续驶里程,与实际应用也存在较大差距。

 国内电动汽车测试采用的是NEDC工况。

 所谓NEDC是欧洲的续航测试标准,主要在欧洲、中国、澳大利亚使用。NEDC循环工况中,包含4个市区循环和1个郊区循环(模拟),其中市区循环的车速较低,郊区循环的车速则较高一些。

 中国汽车工业协会副秘书长叶盛基认为,在NEDC的测试中,测试时所有其余负载(空调,大灯,加热座椅等)都会关闭,这与实际应用中存在较大差距。

 为了弥补这个差别,中汽协参考了中国汽车工程研究院股份有限公司采用WLTC(全球轻型汽车测试循环)工况下环境适应性电耗差异对比(下表)。

资料来源:中国汽车工程研究院股份有限公司

可以看到,在23℃时,所有车辆续航最长,耗电最低。高温、低温都会对上述数据产生较大影响。

这里也解释下WLTC工况。WLTC工况由四个部分组成,即低速、中速、高速和超高速。相比于NEDC工况,WLTC工况车速波动大、怠速工况少,而且没有特别的规律性,属于瞬态工况的范畴;速度区间覆盖面更广(最高车速较NEDC高出10km/h),测试周期也更长(循环距离较NEDC高出约12km,测试时间高出约10min)。WLTC工况更加贴合实际用车场景。

 综上可以看出,当冬季寒冷条件下,负载开启时,受到负载(空调,大灯,加热座椅等)影响,加上动力电池本身化学特性与整车设计及消费者使用习惯等,确实会导致纯电动汽车实际续航里程和标注数据出现较大差距。

 此外,磷酸铁锂电池由于低温性能相比三元更差一些,加上自重更大,冬季续驶里程打折问题更明显,造成50%续航偏差也不稀奇。

 2

怎么解决?

 纯电动汽车最终的竞争对手还是燃油车,短板太短必然会导致用户流失,为此,各家企业也都在找寻解决途径。

 目前看,一般三种方式,精准续航评估、降低耗能,以及给电池加温。

 (1)调整车辆表显续航里程接近真实使用状态 

 在这方面,特斯拉先行一步,其表显续航为EPA 续航里程,并会根据车主的驾驶习惯、充电习惯等因素动态调整,因此更接近真实使用情况,从而降低车主对车辆实际续航里程预期的偏差。

 针对磷酸铁锂电池的精准估算电量问题。特斯拉近期已经向搭载磷酸铁锂电池车辆陆续推送了新版本软件升级,以降低显示误差和无故掉电情况的发生。同时,车主还可通过服务热线按指导进行操作以校准电量估算。

 当然这只能让消费者看到更接近现实的续航,不能从根本上解决问题。

 (2)引入热泵技术降低冬季能耗

 特斯拉新款 Model 3 和 Model Y 车型均搭载热泵空调。热泵是一种将低位热源的热能转移到高位热源的空调装置。

 可以将其理解为水泵的原理,把处于低位的河水通过管道在水泵的作用下抽到田间地头。热泵也是如此,它是热量的“搬运工”,可以把低温“物体”(包括气体、液体)的热量吸收出来传递到制冷剂内,再通对制冷剂的压缩使其升温,最终将高温制冷剂通过冷凝器和车内空气进行换热,实现暖风的功能。(夏天通过改变热转换的方向,从座舱吸收热量进行制冷。)整个过程中,电池的电能只应用在“搬运”热量上,从而达到省电的初衷。

 蔚来也采用了这一手段,其推出的ES6就采用了热泵空调。蔚来方面认为,热泵已经是电动汽车空调行业下一步的发展趋势。


资料来源:蔚来提供

 不过,传统热泵存在极寒天气制热效率低、成本高等劣势。特斯拉方面表示,其在传统热泵的运行原理基础上,经过巧妙设计,充分利用外界自然能(空气),电机与电池的余热,将原本的先天缺陷补足,不仅解决了极寒天气的工作问题,同时大幅降低了成本。

 特斯拉车辆可感知外界和自身系统温度,智能调节工作模式,大幅提高系统工作效率,最终降低能耗,提升冬季续航能力。

 (3)插枪保温、智能调整充电速率 

 中国科学院院士欧阳明高在百人会上也提到一些改善方案——插枪保温和脉冲加热。欧阳明高建议,车辆在家充电,可以提前半小时用电网电对车加热。

 此外具备双向充电功能的快充桩,可以对电池进行脉冲加热。

 特斯拉采用的就是类似方式,通过充电设备会为电池加热,提升充电速率。

 特斯拉方面介绍说,如果客户通过车机系统点选导航至特斯拉超级充电桩充电,车辆会自动在导航途中加热电池至最合适快充温度,以保证达到充电站点是可以迅速提高至快充速率。

 (4)因地制宜推广不同产品

 上汽方面给出的建议是,北方低温及极寒地区推广插电式混合动力汽车和燃料电池汽车。

 插电式混合动力汽车的空调采用发动机供热,温度到设定值后,发动机会关闭,可利用余热继续供暖,不需要长时间开启发动机,以降低排放和能耗。

 燃料电池汽车由于燃料电池工作点在70℃左右,发出的大量热量可以确保空调供暖,以及其他需要供暖的部件,同时大幅提高燃料电池的能量利用率,最高可达80%左右。

例如上汽在辽宁推广示范的40辆FCV80燃料电池汽车,全年有5个月低温天气,其中2个月为低于-20℃的极寒天气,车辆能够正常运营,而纯电动汽车基本无法使用。

 (5)换电缓解充电时长问题

 蔚来方面认为,换电可以有效缓解目前技术无法突破的充电时间长问题。但换电站其建设量大面广,往往需要适度超前布局,给企业带来初期投资大、回报周期长的压力,发展速度受到制约。

 因此,蔚来建议,给予换电站投资和运营环节进行资金及政策支持,如初始投资的建设补贴可以按照换电站的服务能力(和电容量相关)进行补贴,运营补贴也可以和使用效率进行挂钩,引导提高换电站设施的使用效率。

 (6)电池内部自加热技术

 宁德时代则从电池层面找寻解决方案。

 宁德时代方面认为,现有方案主要是通过外部加热提高电池温度,加热方式有热敏电阻(PTC)、加热膜或液冷系统。但是由于电池体积和热阻大,外部加热速率低(0.2-0.5℃/min),效果不理想。

 宁德时代采用电池内部快速自加热技术。主要原理是对电池进行大电流脉冲充放电,利用电池自身内阻对电池加热,通过调节脉冲占空比调节加热电流大小。

按照宁德时代的说法,该方案几乎不增加成本,且完全自主创新,已在国内外申请了60余篇专利。实测表明该方案可在15分钟之内将电池包从-25℃加热到5℃,容量损失6%,放电能力提高7倍,充电能力提高5倍,和其他加热方案相比,综合性能最优。

 宁德时代认为,这一方案有五点优势。

 首先,加热快。直接在电芯内部加热,温升速率提高4-10倍,实际测试已达2℃/min,且仍有提升空间。

 其次,均衡性好。电池温度越低电阻越大,可实现加热速率的自动均衡。实测显示加热过程中不同电芯间温差在4℃以内。

 第三,热效率高。测试表明,将电池从-25℃的极端低温情况加热到可正常工作温度(5℃),电池SOC仅下降约6%。

 第四,成本低。不改变电芯结构,可利用电机控制器IGBT硬件,不增加硬件投入和成本,仅需要对软件和控制策略升级。

 第五,不影响电池包能量密度,测试表明对电池寿命几乎没有影响,对IGBT的寿命影响在10%以内。

 据了解,宁德时代开发的电池自加热方案已经完成电池模组和电池包层级的功能测试,正在开展产业化方案设计和推广,并已与一汽、吉利等整车企业对接,预计今年可实现实际装车应用。

 叶盛基作为业内专家,给出了更为宏观和综合的建议。

 一是,要加强动力锂离子电池技术研发,通过技术进度改善电池的低温性能,例如改善热管理系统、添加添加剂等。同时,兼顾电池低温性能、高温性能和常温性能平衡,根据电池最主要的使用工况平衡决定。

 二是,整车企业要加大对整车系统工程研发,包括整车设计、低温保护,能耗水平等,降低整车耗电量,力争消费者实际续航里程和标注的续航里程一致。

 三是,对消费者要科学引导,不仅在购车时科普宣传纯电动汽车与传统燃油车的区别,还要灌输正确的用车习惯,以提高纯电动汽车与消费者之间的粘合度。

 当然,不可否认低温下电池活性降低是锂离子电池的基本特性。我们可以期待低温性能更好的下一代电池尽快出现,不过,在现有技术条件下,提供更高的续驶里程或许是能缓解消费者北方冬季使用体验的最佳方法。短期内比较直接的方式还是电池成本下降和能量密度提升。

 正如硬币的两面,纯电动汽车虽然存在冬季低温性能不佳的短板问题,但是其节能环保、使用成本低、更易实现智能化和科技感十足等特点,也是燃油汽车不能比拟的。


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