一遇到低溫下就跑不遠!電動車碰上寒冬,續航力竟「雪崩式」下降?

2021.01.14 by
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一遇到低溫下就跑不遠!電動車碰上寒冬,續航力竟「雪崩式」下降?
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隨著銷量增高、被市場接受,就連特斯拉也不斷突破自身股價新高,電動車儼然成為未來的趨勢。但是,電動車在低溫下的續航卻屢遭瓶頸,究竟是哪裡出了問題?

對於一些電動車的車主而言,今年的冬天格外寒冷。隨著電動車銷量逐漸升高,市場接受度也不斷增加,電動車車主們正準備摘掉被嘲笑的「冤大頭」帽子,又被凜冬的寒冷給「扶正」了。

《權力遊戲》劇照

有位網友日前聲稱,自己駕駛的比亞迪「漢」EV在經過多次的冬季試驗後,發現滿電後的實際續航力僅有230公里,遠遠低於官方宣傳的600公里,幾乎縮水了三分之二,甚至還發生過續航力突然斷崖式減少的情況。

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有網友拿出比亞迪推出「刀片電池」時的官方PPT來調侃:「按照柱狀圖比例,百分比顯然是100%、70%、40%、40%,做PPT的人還算誠實。」

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事件在網路上發酵後,比亞迪官方給出說明,「車主存在原地怠速且開空調的情況,導致實際續航力大幅縮水。」

無獨有偶,同樣搭載著磷酸鐵鋰電池的特斯拉Model 3標準續航升級版,以及五菱宏光MINI EV的車主也遇到了類似問題。顯然地,所有的矛頭都指向同一個東西——「磷酸鐵鋰電池」,這個曾被譽為能擊潰三元鋰電池的英雄,為何突然失效?

磷酸鐵鋰電池的原罪

磷酸鐵鋰電池(LFP)最早是由約翰.古迪納夫(2019年諾貝爾化學獎得主之一)發明的,於1996年德州大學代表古迪納夫實驗室向美國申請專利。然而,先前日本NTT公司曾派遣一位研究員協助古迪納夫研究,搶先在1995年於日本當地註冊專利,爾後各個地區為了保護本地利益,導致LFP專利幾乎形同虛設。

因此,LFP的規模化量產和應用於電動車已經有很長一段時間了,只不過先前都是搭載於公共交通系統的車輛。

LFP之所以突然被汽車消費市場關注,是源自於去年比亞迪與寧德時代的交鋒。比亞迪公開了一段影片,用針刺試驗證明了「刀片電池」(LFP的一種特殊封裝形式)遠比三元鋰電池、方型磷酸鐵鋰電池要安全許多,進而引發廣泛的社會討論和爭議。

三元鋰電池針刺試驗
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方型磷酸鐵鋰電池針刺試驗
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比亞迪「刀片電池」針刺試驗
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LFP相較於三元鋰電池,確實有不少優點。

首先, 磷酸鐵鋰的循環性能好,即循環壽命長 。鋰電池電量衰退的原因有很多,但與正極材料相關的,主要是充、放電過程中正極材料結構發生「晶體缺陷」並造成結構破壞,進而使一部分正極材料的失活。

然而,磷酸鐵鋰化合物在分子結構上比鎳鈷錳化合物穩定許多,NCM分子類似於「千層餅」的形狀,鋰離子從兩層之間流動,而LFP分子則為「橄欖石」形狀,鋰離子遊走於三維結構的縫隙中。LFP分子結構中,即便鋰離子「離開」,剩下類似FePo4的結構也相對穩定,而NCM則較不穩定。(三元鋰電池的循環壽命在1,500~2,000次左右,磷酸鐵鋰則能到4,000次左右)

NCA分子結構與NCM稍有不同,但存在的問題與NCM差不多。
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雖然磷酸鐵鋰電池早期由於其結構問題,充、放電效率較低(結構穩定導致鋰離子自由活動度不高),但隨著包碳技術及納米技術的發展,磷酸鐵鋰電池目前的充、放電功率(即性能)不比三元鋰電池差。

此外,磷酸鐵鋰化合物本身的分解溫度在700~800度左右,遠高於三元鋰化合物的200~300度,安全性也高出許多。三元鋰電池在發生「熱失控」時會釋放氧氣,進一步加劇反應的劇烈程度,而磷酸鐵鋰化合物中PO鍵穩固、難以分解,進而杜絕氧氣形成、避免連鎖效應。

但是, 磷酸鐵鋰一直未能應用於乘用車市場,其根本原因在於LFP有幾項「原罪」。

首先, LFP的能量密度較低 。磷酸鐵鋰相較於三元鋰來說,容量低且電壓低(三元鋰大多在4V以上,磷酸鐵鋰僅3.4V左右),而能量即是容量乘以電壓。

其次,最要命的是 低溫性能差 。磷酸鐵鋰化合物本身為絕緣體,電子導電率比三元鋰電池低,在低溫下的導電性更差,導致電池內阻增大,受到極化影響大。即便在添加奈米碳導電劑改良後,雖然有所緩解,但仍未能解決低溫下電壓降低所導致可用容量降低的問題。

LFP在不同溫度的放電情況。
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換句話說,儘管目前的電池技術使得LFP電池的低溫表現有所提升,卻仍因低溫而大幅降低可用容量。

最後,電量測量(SoC,State of Charge)較困難。由於磷酸鐵鋰電池的電壓在放電前半段時非常穩定,到低電量時則會突然掉電壓,若BMS(電池管理系統)做的不好,剩餘電量可能會出現突然斷崖式的變化。此問題造成使用端的不方便之外,若無法準確檢測電池芯的數據,則無法對充、放電策略進行管理,進而使電池壽命減少,甚至發生枝晶現象並造成短路。

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因此,LFP相較於三元鋰電池擁有更高的安全性、循環壽命更長、高溫環境下性能更好、造價低等優點,非常適合公車、市政車輛等純電動車型。又因公車體積龐大,不在乎磷酸鐵鋰電池的低能量密度,可以利用裝載體積龐大的電池包裝,且公車的行駛路線較短、固定,對續航力的影響也不大。

台智駕

但對於一般汽車而言,磷酸鐵鋰電池的缺點是「不可接受」的,因此長久以來都沒有應用於一般汽車。

不過,比亞迪改善LFP電池材料和「刀片電池」的電池包裝結構,提升了單電池芯和電池包裝的能量密度,以擺脫「短續航」的詬病。但關於LFP其他天生的缺點,尤其是LFP冬季的續航力表現,比亞迪的解決辦法卻有些含糊:「材料的性能有所提升、配合熱管理系統的加熱,已經解決該問題。」

LFP材料的性能提升沒什麼問題,但對於熱管理系統的好壞還有待商榷。

電動車的好壞,電池不背全部的鍋

目前量產的純電動車中,所採用的鋰電池不外乎是NCA(鎳鈷鋁鋰電池)、NCM(鎳鈷錳鋰電池)、LFP(磷酸鐵鋰電池)這三種,但不論是哪種鋰電池,都會受到低溫的影響,只不過相較於三元鋰電池,LFP受影響的程度較大而已。

目前大部分的鋰電池,不僅正極材料會產生影響,低溫也會影響負極材料和電解液。低溫會導致電解液黏稠,導致鋰電池的內阻增加,以及負極材料極化嚴重造成鋰離子沉積、鍍膜現象等,使可用容量、放電速率下降。

也就是說,在不採用任何輔助設備的情況下,原始狀態下的鋰電池都會隨著低溫降低可用容量,即減少續航力。因此,各家廠商都會在電池包裝結構中加入熱管理系統。

在低氣溫下,利用空調的加熱系統以消耗電能對電池進行升溫,一方面恢復電池充、放電性能,另一方面則防止低溫對電池造成不可逆的傷害。

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但問題正好就在這,在低氣溫下,除了電池需要加熱之外,車內的乘客同樣也需要暖氣,而這便是進一步縮短續航里程的元兇。

目前中國大部分純電動車的加熱系統皆採PTC加熱,能源轉換效率為1,若以3000W的功率考慮,開一小時的暖氣,即消耗3kW/h電量,這對於跑一百公里僅需不到20kW/h的純電動車而言,無疑是奢侈的消耗。

此外也有一些純電動車,如日產Leaf、現代Kona、特斯拉Model Y等車型採用了熱泵系統。0度以上,能源轉換效率為3左右,基本上節省2/3左右的加熱耗能,當溫度降至零下20度或以下時,熱泵能源轉換效率也會降至1,與PTC並無差距。

然而,各家的熱管理系統存在著許多差異,最終導致的節省程度不同。如利用電機、電路板等多個熱源進行統一管理,一方面給該需要降溫的部分,另一方面則將熱量有效利用,傳送給需要加熱的電池或駕駛艙。因此,低溫對耗能的影響,本質上仍與熱管理系統的先進程度有關。

編按:在低溫下,純電動車在啟動時,由於電池需要加熱、電機和電路板尚未產生熱能,導致該階段的耗電量變高,行駛一段後才會恢復正常的耗電量。因此在EPA標準中,於啟動階段的耗電量,會乘以0.33的權重計入。

電動車耗能之所以對加熱系統如此敏感,是因為相較於燃油車,電動車所產生的能量太少。一升汽油產生的能量相當於8.9kW/h,普通燃油車的油箱大小約為60升,換算成電力約為534kW/h,而目前市場上純電動車搭載的電池包裝一般在30kW/h到100kW/h之間,對比之下,燃油車的能源大約是純電動車的5~8倍。

與此同時,燃油車使用的能源效率可能僅有20–30%左右,而電動車則約80%。即燃油車加熱採用的是原先的發動機熱能,並不影響油耗,而電動車的加熱系統則紮實地來自「用於行駛」的能源。因此在開啟空調後,會對續航力產生巨大的影響。

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舉個例子,根據AAA測試結果顯示,在零下7度開暖氣的續航情況,BMW i3續航下降46%,雪佛蘭Bolt續航下降47%,日產Leaf下降32%,Model S續航下降38%;在零下7度不開暖氣的情況下,四款車續航力的下降幅度則分別為14%、10.4%、10.8%、11.1%。

編按:上述四款車型中,日產Leaf和BMW i3皆搭載熱泵系統,其他兩款均為PTC加熱,且上述四款均採用三元鋰電池。

由此可知,除了溫度對電池性能的影響外,熱管理系統對續航力的影響程度之大。

這也意味著,低溫情況下純電動車的續航表現,除了電池化學材料的影響之外,熱管理系統的能源轉換效率更為重要。在電池技術的限制之下,車輛在冬季續航的「縮水」情況,不僅要看電池的差異,更重要的是,各廠商在熱管理系統中所下的功夫。

無論採用哪種電池,只要熱管理系統能將電池迅速恢復成最佳的運作溫度,電池的表現也差距不大。從技術角度來看,若熱管理系統做得夠好,無論是三元鋰電池或磷酸鐵鋰電池,都能確保差不多的續航表現,而不同車型之間的差距則彰顯於熱管理系統。

迷茫無助的消費者

事實上,各家廠商都清楚磷酸鐵鋰電池的低溫性能不佳,但連馬斯克也明確表示,之後的基礎款車型都會採用LFP電池,正是因為成本低。

成本降低就能使售價變低,間接提升產品的性價比與銷量的增長。於11月份電動車銷量的前四名中,除了Model 3有磷酸鐵鋰和NCA兩種版本之外,其他三款皆搭載磷酸鐵鋰電池。就連小鵬G3的磷酸鐵鋰版本也通過中國工信部的認證,即將在市場上推出。

但問題是,所有的消費者並非都是電動車專家,他們不明白不同電池、熱管理系統對續航的影響程度,也較難理解標準續航與實際續航之間的差距。

標準續航數是根據不同地區的法規來測試的結果,比對過後就能發現,同款車型在不同地區的續航也截然不同。

以續航數值來看,NEDC>WLTP>EPA。換算方式為NEDC續航數乘以0.7,約為EPA續航數;WLTP續航乘以0.9則約為EPA續航。不過,即便是最嚴苛的EPA續航數,也會與實際續航的里程有些差異。

編按:中國採用NEDC標準,歐洲採用WLTP標準,而美國則是採用EPA標準。

可謂是「 宣傳僅供參考,一切以實際為準 」。

若廠商為了省事,直接將NEDC的測試結果設定為最大值,或添加WLTP續航數為備用選項,再根據剩餘的電量百分比,對續航力表現的里程數進行變化。因此,用戶感知到的便是實際里程明顯小於儀表板上的里程數。在這種模式下,每次充滿電,儀表板顯示的里程數都會保持一致。

其次,稍微用心的廠商會根據近期車輛的使用情況,計算出一個平均值,對續航進行調整。這樣做的好處是,讓用戶更直觀地感受到以自己的駕駛習慣還能行駛多少里程。但由於用戶並不了解這個原因,便會導致用戶產生電池衰減或續航縮水的錯覺。

除了專家或以這些訊息為生的汽車編輯,大多數的消費者很難去了解這些訊息。因而導致的最大問題,便是車主對實際續航力的認知猶如「薛丁格貓」,讓用戶無法清楚自己真正的自由活動範圍有多大。

更別說在冬天的低溫下,縮水的續航力不僅會讓用戶的活動範圍減少,還會連帶產生排隊充電等無數問題。

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以北京為例,全北京的純電動汽車約為40多萬量,而目前北京的充電樁(快充、慢充)數量僅20萬個,有大量的車輛每天都需要充電,這也直接導致充電樁不夠使用。

無論從駕駛體驗、使用成本,亦或是國家的能源戰略角度來看,純電動車是無可厚非的大趨勢,但不完善的測試標準、廠商的技術差異、充電設施的數量不足等,都在硬生生地「冰凍」著電動車主們的內心。

責任編輯:文潔琳
本文授權轉載自:虎嗅網

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