“怕冷”的电动汽车,如何熬过2019年的冬天?

36氪的朋友们2019-12-19
锂电池都拿2019年的诺贝尔奖了,为啥我车上的锂电池还这么不顶用呢?

本文来自腾讯科技,作者 2030出行研究室,36氪经授权发布。

划重点:

  • 低温对锂离子电池的伤害是全方位的:一来充电不满,二来放电不顺,三来制暖又非常耗电。这一多管齐下,开流节源,电动汽车冬季可能导致续航减半也绝不是很夸张的说法了。

  • 购车前,建议消费者全面认知电动汽车的冬季续航问题,充分考虑家庭及工作单位的充电基础设施情况。

  • 在驾驶电动汽车时,建议消费者多使用经济模式(EOC模式)和高能量回收模式。不推荐消费者自行加装柴油加热器,工程上会有不少漏洞。

(作者:张抗抗,清华大学汽车系本科、博士,研究电动汽车三电系统集成、锂离子电池等领域。本文首发腾讯科技,未经授权,请勿转载。)

如果说2019年是电动汽车普及元年,那么2019年的冬天,就是大部分新能源车主面临的第一个严峻考验 ——续航缩水、充电困难、手脚冰凉,不敢开制暖。

这不禁引起了车主的困惑:锂电池都拿2019年的诺贝尔奖了,为啥我车上的锂电池还这么不顶用呢?是厂家使用了劣质电池?还是锂电池的本性如此?今天,我们将从锂电池的原理角度,深入讨论这一话题。

电动汽车为什么比手机更怕冷?

关于“锂电池怕冷”这一常识,最大的科普者就是大名鼎鼎的苹果手机:充满电的iPhone6在寒冷的冬季出门,没几分钟就只剩下60%的电量。若路上多耽搁一会,它直接给你关机了,连打个滴滴的机会都不给,苦不堪言。

相比手机,电动汽车更怕冷。通俗地说,是由两个原因导致的:一是人怕冷,二是电池怕冷。

人怕冷,于是就要开暖风。即便是大家都熟悉的燃油车,夏季开空调油耗也会大幅上升。而冬季开暖风,情况会更加严峻,原因在于:

1、制暖需求量更大:制暖/冷消耗主要由温差决定,冬季-10℃20℃,制暖需求30℃。夏季35℃25℃,制冷需求也就10℃而已。

2、制暖效率更低:制冷由空调“电能/动能搬运热量”来实现,也就是“冷泵”。而制暖通常还是由“电能转化热量”的PTC来实现,效率要低。“电能搬运热量”的“冷泵”应用还不普遍。

燃油车的乘客也怕冷啊,为啥没觉得冬天制暖更耗油呢?原因在于,发动机工作会产生大量的热,这些热量足以家用小轿车使用了。而电动汽车呢?工作的时候电池、电机都非常地“冷静”,没有余热可用啊!

如果发扬阿Q精神,咱们也可以换个角度来理解:电动汽车正是因为能量转换效率高达90%以上,比发动机的20-40%高很多,所以余热才少、所以才需要消耗额外的制暖能量的!这样理解是不是舒服多了?呵呵。

至于电池怕冷,大部分人仅有模糊的、感性的认识,而不清楚具体原理,现在我们以通俗易懂的方式来讲解其中的逻辑。

低温是如何折磨锂电池的?

锂离子电池的基本原理(如下图),我们只理解以下3点就可以了:

1、正极才是锂离子的家:当所有锂离子均到达正极,回到家时,它们就不再想动了。也就是,没电可放了。

2、强迫锂离子背井离乡,就是充电:为了避免成为“死肥宅”,人们就要“充电”。正负极通电之后,在各种电场力、扩散力、电化学力的作用下,锂离子们背井离乡,离开正极的家,穿越电解液,来到负极暂居下来。也就是,充满电了。

3、思乡心切,期待放电:锂离子思乡心切,一旦有机会飞奔回正极,回家的过程中伴随着巨大的能量释放,驱动车辆前行。

那么,低温下的锂电池,发生了哪些变化呢?

容量损失:锂离子 “冻住,不许动”。负极的锂离子本来思乡心切,但低温下部分锂离子失去活性(图中黄色圆圈),不愿意出门了。打个比方,本来你在银行有100万元,惹上官司后银行冻结了20万元,这部分就不能使用了。若能证明清白(温度恢复),冻结的20万元还能恢复(电量也能恢复),不会凭空消失。

放电损失:电解液固化,“归家异途”凶险。温度正常时,锂离子可以顺利地穿过电解液。低温时,电解液变得“粘稠”,甚至“结冰”,锂离子的归家异途就变得凶险了,要费不少力气才能穿过去。

具体表现就是内阻增大(如下图3种不同状态的电芯,在0度以下的时候内阻都显著增大)本来一度电能跑5公里的,现在只能跑4公里了。打个比方,这相当于增加了“能量税”,好好的10万元,只买到了8万元的货品;一旦花了出去,再恢复正常温度,这部分损失的能量也回不来了。

充电衰减:直观地理解,负极材料的晶格就像蜂巢一样,锂离子来了之后可以“嵌入”进去,英文叫intercalation。在低温下,晶格就收缩了,锂离子“嵌入”变得困难。所以电池管理系统就自觉地降低充电速度,这就会导致第二天早上也充不满,本来就堪忧的续航,雪上加霜。

有人说,如果我让BMS在低温下强行加大电流呢,就不能把锂离子给强行挤进晶格吗?答案是,可以是可以,但晶格有可能就“挤破”了,这会造成电池容量的永久性损耗。所以兄弟,心急吃不了热豆腐,霸王硬上弓是不可取的。

可以看出来,低温对锂离子电池的伤害是全方位的:一来充电不满,二来放电不顺,三来制暖又非常耗电。这一多管齐下,开流节源,电动汽车冬季可能导致续航减半也绝不是很夸张的说法了。

车企采取了哪些措施?

了解锂电池原理之后,我们得知:并非车企使用了劣质电池,而是锂电池本性如此啊!也许未来会有质变,但短期来看锂电池无法摆脱低温的困扰。那我们就可以原谅车企了吗?非也,尽管无法从根本上解决这一难题,但车企还是可以采取措施来缓解 —— 在此,我们盘点一下国内外造车新势力的措施吧!

首先我们要了解下解决问题的一项通用措施:热泵系统。电池怕冷,那是绝对忍不了的。一般的电加热叫PTC,听起来挺高科技的,其实就是电流通过电阻,根据焦耳定律放热。这种电加热方法,1度电可以转换成1度热,效率较低。

有没有1度电带来更多热量的方法呢?有的,也就是所谓的“热泵”,可以简单地理解为空调制冷的反过程。

理论上来说,热泵系统可以用1度电带来3度热,制暖效率达300%。有些家用空调真的能达到这种效率,非常节能。但是,就像发动机特性一样,要想达到如此高的效率,热泵/空调需要稳定的温度、湿度、风速条件(这些都是影响蒸发与冷凝的因素)。

居住空间也许能保证温度、湿度、风速条件的相对稳定,但对于汽车来说,可能一个都保证不了…… 理论效率300%,实际效率也就150%。

虽然热泵不能从根本上解决问题,但1度电可以换来1.5度热,还是比PTC制暖好得多的。但并不是所有电动汽车都配备热泵系统,较为高档的电动车型上才有。

除热泵系统外,各车企可谓是“八仙过海、各显神通”,我们分别从特斯拉、蔚来、威马、小鹏等头部企业来看,它们的应对措施都各具特色。

(特斯拉座椅加热系统)

特斯拉:方向盘、座椅加热

除配备热泵系统外,电动汽车领头羊特斯拉还有独特的措施。用一句形象的话比喻,特斯拉会认为:人怕冷,可以忍一忍,“又不是不能用”。特斯拉在方向盘与座椅设计加热系统,从而保证屁股与手不冷,脸上凉点可以忍。这样的话,只要不是太冷,就没必要开车内制暖了。

蔚来汽车:“海底捞式”的无忧服务

蔚来汽车的“一键加电”服务广受车主好评。一年前,蔚来曾把车开到海拔5200米的珠峰大本营、在G4高速上换电跑长途,似乎是想向大家阐明一个道理:燃油车能做到的,我电动车一样能做到,车到山前必有路有路必有电动车。蔚来为了坚持自己的理念,说车友想去可以去,他们会做好后勤保障工作。意思就是想尽办法也要让ES8的电池给热起来、跑起来。

蔚来汽车在技术上还是做了很多措施的,例如在冬季充电结束、行程出发之前,蔚来汽车会将电池加热到较高温度,从而节省行程中的制暖耗能。这个功能非常实用,原因就是电池较重、热容也较大,热乎乎的电池甚至能部分起到给车内供暖的作用。

机智的小鹏汽车:避开寒冷区域

小鹏则“机灵”很多,绝不勉强、绝不硬刚。

一方面,交付时间晚一些,尽可能地避开第一个冬天;另一方面,首批的6个小鹏体验中心,除了首都北京之外,其他5城广州、深圳、东莞、武汉、杭州全部在长江以南。这些城市冬天也不咋冷,对电池性能几乎没有实质性威胁。量产交付一周年之际,小鹏汽车的直营店仍然聚焦在长江以南,而东三省一个都没有。

为小鹏的机智点个赞~ 当然,这并不是“解决”了低温问题,只是暂时“回避”了问题。小鹏的方法,可谓机智。

务实的威马:土法子,有奇效

分析来分析去,就发现在电池容量有限情况下,只要用电池来制热,就没法在根本上解决问题。那怎么办呢?为了用其他燃料,我们难道要往车上装一个发动机吗?那岂不是成了混合动力汽车了。那简单点,装一个锅炉呢?

这可不是开玩笑?一位大学副教授的知识网友,就曾认真分析过这种方案的可行性。经过各种权衡与分析后,他得出结论:整个系统也不需要多大的体积,也不会产生太多额外的重量,但却能非常方便地解决电动汽车低温续航降低的问题。所以我觉得这个设想是有可能实现的。

威马EX5可以选装柴油加热系统,可以容纳6升柴油。若燃烧放热,大约相当于一个80kWh的电池包完全用来制热 ——得益于化石燃料的高能量密度,电动汽车制暖就不必再紧紧巴巴的了。

今年冬天一些北京新能源车主为了解决这个问题,也采用了相似的方法:加装一个烧油的驻车暖风机。车企用脚股票来证明了:解决严寒地区的电动汽车用车问题,柴油加热系统可能是可行性最高的方案了。

但如果是用户自行加装的柴油加热器,既不美观也不安全,很没有保障,肯定没有出厂安装的好。出于安全考虑,个人不推荐自行加装加热系统。威马的方法,可称之为务实。

新能源车主怎么办?

前面讲了锂电池的原理(电池厂怎么办)、车企的措施(车企怎么办),那么还有另外一个重要的问题:新能源车主怎么办?在此我们有几点建议:

购车前,建议消费者全面认知电动汽车的冬季续航问题,充分考虑家庭及工作单位的充电基础设施情况。简单来说,NEDC续航500公里的话,北京冬季实际续航就保守地按250公里估算;如果家里没有固定充电桩,要调研清楚充电方案再购买。换个角度,如果你有固定充电桩,那冬季续航降低也不算什么大问题了。

用车前,在插着充电桩的时候,出行前充分预热电池与车内(若有此功能),会省下很多电、如果时间短的话甚至路上都不用制暖!

充电前,如果是在外使用公共充电桩,在到达充电桩之前充分预热电池(若有此功能)。不要节省这点制暖能量,如果能充分预热那充电速度会更快、能够更早充满。

在驾驶电动汽车时,建议空调采用ECO模式,尽量保持平稳行驶,少急加速、少急刹车,多使用经济模式(EOC模式)和高能量回收模式。冬季白天尽量停在暖房里或温度适宜的地方。

另外,不推荐消费者自行加装柴油加热器:尽管它很实用,但自行加装的话毕竟不是原厂设计,工程上会有不少漏洞:无论是加热器本身、还是排放的尾气,都有可能导致安全风险。与其加装,不如从用车角度优化。

总的来说,锂电池本性“怕冷”,要想解决电动汽车的过冬难题,需要汽车企业、电池企业、充电基础设施与车主的多方努力。对于消费者,理性购车、合理用车、谨慎改车才是考虑核心。

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