低溫問題會成為阻礙電動汽車規(guī)模化的致命弱點嗎

摘要

業(yè)內(nèi)的一致判斷是，電動汽車低溫性能差通過電池技術(shù)及提升整車節(jié)能水平可以緩解，低溫問題并不會成為阻礙電動汽車規(guī)模化的致命弱點。

續(xù)航縮水一半、不敢開空調(diào)、充不進電、趴窩……冬季低溫使用問題頻發(fā)，讓電動汽車被調(diào)侃為“電動爹”。

這個冬季伴隨保有量快速增長的還有，電動汽車低溫問題愈發(fā)凸顯，成為掣肘電動汽車規(guī)模推廣的難題，也受到了政策層面的高度關(guān)注。

1月8日，工信部副部長辛國斌主持召開電動汽車低溫使用問題研討會，呼吁整車與電池企業(yè)加強技術(shù)攻關(guān)；僅半個月后，工信部再度回應(yīng)電動車低溫“趴窩”問題，并對相關(guān)企業(yè)提出了三大要求，解決用戶低溫使用難題。

一是要求汽車企業(yè)加強售后服務(wù)，及時解決用戶訴求；二是支持整車企業(yè)和電池生產(chǎn)企業(yè)加強技術(shù)攻關(guān)，提升電動汽車低溫行駛性能，改善用戶體驗；三是明確低溫環(huán)境產(chǎn)品性能和技術(shù)要求，加強產(chǎn)品準(zhǔn)入和生產(chǎn)一致性檢查。

電動汽車出現(xiàn)低溫趴窩的本質(zhì)原因是，環(huán)境溫度過低時，電解液粘度增大甚至部分凝固，鋰離子拖嵌運動受阻，電導(dǎo)率降低，最終引起容量減少。同時制熱比制冷能耗更大，動力系統(tǒng)效率降低，如制動能量回饋功能基本喪失，滾動阻力增大等。此外，續(xù)航里程精準(zhǔn)度下降，引發(fā)消費者續(xù)航焦慮等。

如氣溫從25℃下降至-20℃，汽車動力電池所能釋放的電量會降低30%，與此同時，充電所需的時間也將增加。尤其在車輛使用空調(diào)時，純電動汽車?yán)m(xù)航里程至少下降17%。而磷酸鐵鋰電池低溫性能較三元電池更差，冬季續(xù)航打折問題尤為顯著。

針對電動汽車低溫使用難題，中國科學(xué)院院士歐陽明高給出的建議是，一是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)效能優(yōu)化，包括PTC加熱器、熱泵空調(diào)、電機激勵加熱等；二是，面向冬季工況的動力系統(tǒng)能量綜合利用，包括回收電機運行的廢熱，進行電池加熱；三是，充電場景下，電池的插槍保溫及脈沖加熱。

這三個建議也是主流主機廠與電池企業(yè)在低溫技術(shù)上攻關(guān)的主要方向。

當(dāng)前，針對電池加熱，主流的是采用PTC加熱，但存在的問題屬于外部加熱會損耗電池能量；熱泵空調(diào)以及BMS熱管理系統(tǒng)是主機廠首推解決方案，包括特斯拉、廣汽等均采用的熱泵空調(diào)，但存在極低溫?zé)岜眯苡写M一步難題；電機靜止時通過電機線圈和電池組成回路對電池加熱也是不錯的方案，但加速速率較低，技術(shù)有待改進。

業(yè)內(nèi)還在研發(fā)電池單體的自加熱技術(shù)，包括在電池內(nèi)部增加電阻較大的金屬片，或通過電學(xué)方面的特性設(shè)計，實現(xiàn)快速加熱。

在電池材料探索上，業(yè)內(nèi)的實踐是，增強動力電池正極材料表面的導(dǎo)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，改善電池在低溫條件下的性能，提高低溫環(huán)境下的電導(dǎo)率。

目前，包括寧德時代、鵬輝、力神等電池企業(yè)均在探索材料改性改善電池低溫性能。如寧德時代以磷酸鐵鋰和石墨分布作為電池的正負(fù)極活性物質(zhì)，同時復(fù)合集流體采用有機材料，具備較高的循環(huán)性能和安全性能，并有效改善磷酸鐵鋰電池在低溫下動力學(xué)性能較差的缺點。

業(yè)內(nèi)的一致判斷是，電動汽車低溫性能差通過電池技術(shù)及提升整車節(jié)能水平可以緩解，低溫問題并不會成為阻礙電動汽車規(guī)?；闹旅觞c。

基于此，高工鋰電梳理了9家主流主機廠及電池企業(yè)電動汽車低溫性能解決方案及技術(shù)進展，以供行業(yè)參考。

整車領(lǐng)域

特斯拉：Model 3的思路是通過電機線圈繞組，利用電驅(qū)系統(tǒng)的廢熱，像傳統(tǒng)燃油車用發(fā)動機余熱給乘員艙供暖一樣，使其即用于車輛驅(qū)動，又用于產(chǎn)生額外的熱量加熱電池。

其對電池加熱原理，是利用壓力泵開關(guān)循環(huán)水加熱，通過把電池冷卻回路和電機回路串聯(lián)起來。其中控制閥很關(guān)鍵，改變冷卻液的流動路徑。冷卻時，電池和電驅(qū)冷卻系統(tǒng)互不影響。加熱時，調(diào)整電池閥，將電池冷卻回路和電機冷卻回路串聯(lián)起來。

廣汽埃安：引進了電裝熱泵系統(tǒng)平臺，研發(fā)熱泵雙層流空調(diào)技術(shù)，搭載該技術(shù)的埃安車型，在0℃環(huán)境下，每小時能耗可降低1.5kWh以上，助力冬季續(xù)航最大提升80km。

此外，埃安搭載第四代BMS，通過液冷式智能溫控，為冬季用車需求提供加熱、余熱回收和遠程電池預(yù)熱3種工作模式，當(dāng)電芯溫度偏低時，HVH智能高壓液體加熱器會介入快速加熱，而低溫時系統(tǒng)會將電驅(qū)余熱引入為電池保溫；并能實現(xiàn)APP遠程控制提前為電池保溫。

北汽新能源：著手研發(fā)超低溫冷啟動和全氣候電池，以及第四代IBTC電池?zé)峁芾砑夹g(shù)。

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；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。

第四代IBTC電池?zé)峁芾砑夹g(shù)——干濕分離熱管理技術(shù)，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)溫差控制在6℃以內(nèi)。

威馬：推出全天候電池包恒溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)，通過獨立液冷設(shè)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。

此外，針對極寒溫度，威馬系統(tǒng)還增加外部熱源同時對電池包和座艙加熱，降低冬季空調(diào)的能耗，但要增加一套燃油加熱機構(gòu)，會增加系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性及成本。

現(xiàn)代起亞：現(xiàn)代起亞通過熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境最大限度提升純電動車?yán)m(xù)航，目前已被用于現(xiàn)代和起亞的全球電動汽車中。

該系統(tǒng)由壓縮機、蒸發(fā)器及冷凝器組成，原理是通過吸收汽車電子組件釋放的余熱，實現(xiàn)循環(huán)再利用。據(jù)悉Kona電動車在挪威冬季的續(xù)航可以達到WLTP工況的90%。

電池領(lǐng)域

寧德時代：電池內(nèi)部快速自加熱技術(shù)，利用脈沖電流所釋放的熱能對電池加熱，可達到2℃/min的加熱速率，整個加熱過程中電芯溫差不超過4℃。使用電池6%左右的能量，15分鐘從-20度提升到10度。

此外，寧德時代將材料改性作為提升電池性能的研發(fā)重點之一。其2019年5月申報的鋰離子二次電池專利信息顯示，其以磷酸鐵鋰和石墨分布作為電池的正負(fù)極活性物質(zhì)，同時復(fù)合集流體采用有機材料，具備較高的循環(huán)性能和安全性能，同時有效改善磷酸鐵鋰電池在低溫下動力學(xué)性能較差的缺點，具有良好的低溫電化學(xué)性能。

鵬輝能源：自主研發(fā)的鐵鋰低溫超導(dǎo)技術(shù)——LTSC，磷酸鐵鋰電池實現(xiàn)-20℃ 低溫放電保持率91%；-20℃ 低溫充電不析鋰。

其實現(xiàn)路徑主要是，一是材料結(jié)構(gòu)突破，通過包覆、摻雜提高材料自身的導(dǎo)電性，降低材料一次粒子粒徑，減少離子擴散路徑，并設(shè)計合適二次粒子粒徑，以及與一次粒子的復(fù)合比例提高材料的壓實和低溫性能；二是通過雙鋰鹽、多溶劑復(fù)配，實現(xiàn)高電導(dǎo)、寬溫程解液的開發(fā)；功能添加劑，專屬化成工藝結(jié)合，構(gòu)建高穩(wěn)定低阻抗SEI膜；

三是開發(fā)新型多功能粘結(jié)劑，增加粘結(jié)性，同時增加導(dǎo)電性；創(chuàng)新導(dǎo)電劑復(fù)配技術(shù)，構(gòu)建了三位立體的高速導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，顯著提高鐵鋰低溫性能；四是低阻抗極片結(jié)構(gòu)，增加導(dǎo)電集流體截面積，降低電流密度；降低電流傳導(dǎo)產(chǎn)熱，增加耐流特性。

比亞迪：刀片電池采用“無模組”結(jié)構(gòu)，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；同時不斷降低車輛風(fēng)阻，采用適宜冬季工況的低黏度油脂等措施。

此外，刀片電池上下均配備保溫層，將電池包與底盤融為一體，并在電池包與車身縫隙填充保溫發(fā)泡材料，提升電池保溫性。搭載刀片電池的漢EV-20℃下城市工況，電池包的加熱用電量能減少70%。

力神電池：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，應(yīng)對冬季低溫天氣，同時通過液冷系統(tǒng)應(yīng)對夏季高溫環(huán)境下電池溫度過高的風(fēng)險隱患。

力神電池正加快對單體電池的正極材料、電解液等進行特別設(shè)計，并積極與高校合作研發(fā)電池的自加熱技術(shù)，同時做好電池包的集成化設(shè)計，兼顧溫度控制系統(tǒng)和電池效率平衡。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：【鐳煜科技?聚焦】動力電池跨過“低溫”還需幾道坎？

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