电池研究院：动力电池怕冷罢工怎么办？

　　【太平洋汽车网 技术频道】春节前，太平洋汽车网PCauto与皆电GeekNEV同事们开着6台新能源车跑了一趟“智驾千里”春运长途，在广州与武汉之间跑了一个来回，其中纯电车型在南方冬季的通畅高速巡航工况下，真实续航大约在NEDC标称续航值的50-60%之间。

　　若是北方媒体跑纯电续航测试，这个比例会更低一些。因而我们可以发现，新能源汽车的真实续航与外界温度的相关性非常强，夏季外界温度过热时，动力电池需要降温，车内需要开空调；冬季外界温度过低时，动力电池需要加热，车内需要开暖风。

　　2021年夏季，笔者写了一篇关于电池散热降温的文章：

　　今天，我们来看看电池加热的一些事一些情：

　　当前所有新能源车均装备了锂离子电池包，包括BEV纯电动、PEHV插混、REEV增程、HEV非插混、FCV氢燃料电池，而锂电池对温度非常敏感，特别娇气，温度太热太冷都不爽，它会立刻没有了理想，不好好充电/放电。

　　一般而言，锂离子电池的最佳工作温度在20℃左右，比如MEB平台的动力电池恒温就定在23℃。如果电芯温度因为外界降温而下降过多，电芯正极材料活性降低，电芯内部运动的锂离子数量下降，正负极材料中的带电离子扩散运动能力变差，电能传递速度降低，带电离子运动不顺畅，电池充放性能下降。低温不仅影响充放电的效率，还会因为低温析锂生成锂枝晶，影响电池的循环寿命甚至让电池提前报废。

　　从下图“SoC-电压”坐标图可见，极端低温-30℃与超低温-20℃下的放电曲线都非常陡峭，-30℃大约只有SoC 20-60%可用，-20℃大约只有SoC 15-80%可用，电压变化非常大。

　　由于电池充放电的化学反应会发热，所以在非极端低温环境中，工作了数十分钟后的电池，可以依靠自身发热来维持温和舒适的“体温”。可是，冷车启动状态下的动力电池，根本无法依靠自身发热来抵抗外界寒冬，这时候我们就要给电池设计保温措施。

　　当然，我国国土面积实在太大，天气预报三分钟都报不完的那种，这就给动力电池保温策略给出了不同的要求，也让我们形成了“南铁锂/北三元”的电池技术路线格局。上图那张图便是磷酸铁锂的电压曲线图，标称电压只有3.2V（其他动力锂电池是3.7V），且铁锂非常怕冷。

　　大家可以看看下方的一月平均气温分布图，我国东北、华北、高原地带毫无疑问是0℃以下低温，中原地带能维持在0℃左右，五岭以南一路向高。

　　在秦岭淮河线以北的用户，冬季使用磷酸铁锂配方的电动车要遭罪了，Model 3磷酸铁锂版的车主们应该最有发言权，与三元锂版的冬季续航差距有点大。

　　秦岭淮河以北一年仅一熟的地域，冬季气温分分钟往零下摄氏度走，电池包工作自产热不足以维持正常工作温度，车企基本都会用以下6种方案来解决低温难题：

　　简单来说就是电芯、模组、电池包三个层面的壳体本身，以及配套的隔热保温装置。

　　保温材料必须考虑很多因素，比如必须是热的不良导体，必须阻燃，必须绝缘，最好防水防尘还耐受高温低温，材料成本也不能太高，最好重量也要轻巧一些……

　　一般电池包内部会放气凝胶来隔热，而气凝胶这玩意就比较有趣了，它是世界上密度最低的固体（低至0.003g/cm2），里头绝大部分都是气体，基本能隔绝热传导，美国宇航局在90年代就爱上这种新材料。Lyriq那个奥特能平台也宣传过自家气凝胶隔热材料可以挡住600℃热浪冲击。

　　云母也是不错的隔热材料，岚图此前发布的“云母电池”就用了“云母+气凝胶”的方案来隔热。

　　另一种材质叫“德耐隆”（Telite），是一种改性发泡材料，同样是用来隔热保温的，属于比较新型的材料。

　　在这几种材料的包裹下，电芯自产热量就能让电池维持在比较舒适的问题进行充放电。

　　虽然被动保温材质是比较“古老”的方式，但这是动力电池必有的配置，再简陋的新能源也会有一定的保温材质包裹。除此之外，工程师们还研发了后文我即将提到电阻/液体/外置热源系统不工作时，但这些主动式保温系统并非长时间工作的，当温度充足时自然会断开供能，此时电池包内部依然需要依靠被动保温材料来控温。

　　“热得快”用过吧？就是这玩意。

　　不过传统“热得快”非常低成本，没任何防护装置，相当于拿在小学生手上的RPG火箭发射器。动力电池用的电阻加热系统一般有两种，常用的叫PTC热敏电阻（Positive Temperature Coefficient），是一种电阻随温升而激增的半导体电阻（下图）。

　　另一种是加热膜，有金属的或者硅基的，现在还有把导电粒子加入高分子有机材料里面做加热膜的。这些薄膜会贴在电芯附近，加热效果比PTC更加均匀，体积也比较小（只有2mm这么薄）。

　　还有一种使用“帕尔贴效应”（Peltier effect）的加热装置，热效率更高，但暂时还没量产。

　　之前有读者问过，耗电来给电池加热，续航不就更低了吗？

　　问得挺好。前文我们说过电池在超低温下的充放电性能会降低50%甚至更多，如果我只用5-10%的电量去加热电池，让它恢复30%电量，是不是赚了呢？就是这么个简单道理，而且加热系统不需要一直工作的，等温度差不多了，下半场留给电池工作的自产热来维持体温。

　　之前我拍过MEB平台的温控装置，下图加热部分使用PTC热敏电阻（红框，一大一小）和可供选装的热泵（蓝框），冷却部分使用R744空调压缩机装置（蓝框，同一个）。

　　为什么PTC加热装置有两个呢？大的那个在车厢内，给车内供暖；小的那个在前舱内，给电池供热。两个装置独立之后，可以按需加热，耗能会更低。

　　因为有PTC的存在，即使在-10℃低温环境下，1小时也可让ID.产品充入近80%电量。

　　此前文章我们聊过液体冷却方案，液体可以带走热量（液体冷却），也可以带来热量（液体加热），因此可以在液冷方案动力电池基础上改为冷热两种温控系统。

　　液体加热方案其实是“PTC+液体循环系统”的结合（相当于一台电热水器），通过PTC加热包内液体，进而通过液体循环把热量输送到每一颗电芯上面去。

　　相比单纯的PTC加热方案，“PTC+液体循环系统”的加热更加均匀，可以更好地保证电芯的一致性，延缓容量减少的速度，降低热失控的概率，提升循环寿命。

　　未来，可能还会有浸入式的液体加热方案量产，热传递效率会更高。

　　说得有点文绉绉，其实就是利用一台内燃机，通过燃烧石化燃料产生热量为电池包加热。

　　比较典型的例子就是威马EX5可供加装的“极地电加热系统”，实则是一台小型的单缸活塞式内燃机，采用燃效更高的柴油燃料，在-30℃以下的极端低温温环境中非常管用。

　　这套系统的工作流程也是挺简单的，容量为6L的小油箱装了柴油，柴油燃烧之后的热量用来加热电池液体回路中的液态介质，液态介质加热电池。如果每天启动之后需要加热大约1小时，6L柴油大约够用1个月多。

　　外置热源加热系统的优势是不需要耗费电池本身的电量来加热电池，缺点是造价比较高，不能拆卸，非冬季不使用这套系统时还得一直挂着它走，削减续航里程。

　　脉冲自加热系统是最近才量产的，比亚迪和长安都在研发这种技术，其中比亚迪将电池模组一对一编排，用电池组1对电池组2充电，然后迅速用电池组2对电池组1充电，快速左右横跳。

　　因为电芯在低温状态下的内阻很大，所以脉冲充电会产生热量，而且这些热量就在电芯内部，不会有传递损耗。

　　长安的脉冲自加热系统是如何的，暂时没有资料。

　　热泵最近几年在新能源车领域已经开始流行起来了，它是利用液体-气体的相变来换热的。下图是 @论科技 画的图。

　　外内是一个蒸发器，让气体液化放热；车外是一个冷凝器，让液体气化进行吸热；泵是拿来压缩气体用的。

　　我在电池冷却文章里面聊过相变传热方式的高效率，这里就不多说了。这里要说的是，基于全球环保需要，各国逐步禁用R134a作为汽车空调 制冷剂，主要替代制冷剂为R1234yf 或CO2（R744），CO2在标准大气压下的沸点比R134a和R1234yf更低，因此在寒冷天气下制热效率更高，而且CO2制冷剂最为环保，完全无毒，后续使用无需回收。

　　热泵的效率远高于PTC加热，但热泵的功率不高，此前笔者就看到过MEB平台的拆解，讲师说极度低温情况下，热泵空调与PTC会一起工作，等温升充足之后就停掉费电的PTC。

　　这节的最后补充两句：隔热与保温是两个有较强相关性的独立项目，隔热是安全方面的必须，隔热性能越强越好；但保温不是越强越好，高纬度用户当然希望电池保温性能拉到满，但低纬度用户的电池若是保温太强了，散热装置的性能和成本也要随之上升，不然在夏季就无法顺利排热。

　　低温充电时，电池内部活性物质很慵懒，一般来说只能涓流充电，这时候进行大电流充电是很危险的，电控做得不好的新能源车在北方冬季快充时可能有风险。

　　但新能源车的电量很珍贵，车辆静置状态下肯定不会一直启动加热装置来维持电池体温，若突然想出行或者突然接入电网充电，冷车启动的电池就会遇到超低温故障问题，轻则电量大减，重则无法启动或者产生锂枝晶削减循环寿命。

　　目前中高端新能源车会配备电池预加热功能，在你APP预约使用车辆的时间之前一点点，先打开电池加热装置为其升温，甚至可以提前打开车舱内暖气。

　　毫无疑问，露天停车场的气温是远远低于地库内部气温的。因此，如果你是纯电动车车主，可以选择露天和地库，请优先选择地库（地库停车费过高的情况除外）。

　　因为冬季低温，充电速度不仅很慢，而且电池在超低温下进行充电很容易造成损伤。在地库下方，不仅气温较高，充电速度能够提升，电池安全性也得到保障。

　　冬季融雪会浸湿充电装备，在自己不熟悉的公共充电桩上操作，不妨戴一双塑料绝缘手套（或者可以套在御寒手套外面的超大码绝缘手套），一方面不会弄脏自己的手或者棉手套，一方面可以做到防触电。中国的公共设施保养情况堪忧，有关部门管理或者盈利机构管理也不力，因此充电桩的日常使用损伤还是挺严重的，就怕绝缘不到位。

　　此外，冬季充电普遍偏慢，而很多公共充电桩都使用了“一桩多线”充电车位。由于“一桩多线”会分走一部分功率，因此充电时，不妨挑一个两根充电枪都闲置的桩位去充电，这样子的话充电时间可以缩短一些。

　　电芯出厂的时候就会有一致性的差别，后期会通过电控来平衡。

　　冷却系统与加热系统同样会给电芯带来后期的一致性问题，无论是气体、液体、固体传热，一条热传递通道里面肯定有最热的点和最冷的点，这两个点上面的电芯就会有完全不同的老化速度，过热/过冷的电芯会老化得特别快，容量掉得更快，后期还会有电压不足的问题。

　　新能源车都安装有动力电池，其中BEV纯电动车的动力电池最大，没有其他动力系统，因而最怕冬季低温，需要消耗自身电量来保温。

　　PHEV插电混动车（中型电池）、REEV增程式混动车（小型/中型电池）、HEV非插电混动车（小型电池）均搭载内燃机，不需过多考虑冬季低温。

　　FCV氢燃料电池车也需要保温，因为动力系统装在了一块小型动力电池作为能量中枢，因此也有保温的难题。

　　低温放电与低温充电一样伤电池，而那些装载了电加热系统或外置热源的纯电动车也不能幸免，因为冷车启动的时候，加热系统还没有进入状态，电池内部的温度依然很低，此时切勿大脚“电门”放飞自我并贸然表示“连冷启动都不畅顺的汽油车在冬天都是渣渣”。

　　此外，因为冬天行车，车内外都需要取暖，外后视镜加热、后窗加热丝、空调暖风、座椅加热等等部件会耗费不少电能，这时候还暴力驾驶，电量消耗速度会远超你想象。

　　有不少人用上电动车之后，就不顾任何前提调校死劲给周遭的人案例电车，这并不唯物辩证。

　　电动车的优缺点都太明显了，以至于需要使用场景特别吻合的人群，才特别适合买电动车，比如年均行驶里程特别长、拥车时间不低于3年、充电条件良好、不晕电车等等。此外，维度中等的用户，使用电车的乐趣会大大增加，夏天不用开足空调，冬天不用开足暖气，续航不至于那么捉襟见肘。

（文：黄恒乐）