鉅大LARGE | 點擊量：1185次 | 2020年03月10日
冬季續(xù)航焦慮 動力鋰電池低溫熱管理潛力巨大
百萬新車迎來冬季續(xù)航考驗，冬季路試續(xù)航下降24%。2018年全國完成新能源乘用車銷售100.8萬輛，同比上升89%;2019年1-二月完成銷售14.3萬輛，同比上升134%;但冬季道路試驗顯示8款車型的平均續(xù)航里程下降24%，測試包含的鈷酸鋰、三元鋰與磷酸鐵鋰均未出現(xiàn)明顯的抗低溫優(yōu)勢，低溫熱管理未來市場潛力巨大。
高溫熱管理已受重視，低溫熱管理技術路線更多。由于夏季的40多起電池自燃事件，眾多廠商已開始重視高溫熱管理，而低溫熱管理潛力則仍有待開發(fā)，僅有少數(shù)廠家為電池配備了電加熱系統(tǒng);冬季續(xù)航是整車廠商乘用體驗的核心指標，電池的低溫性能則是電池廠商的核心競爭力，每一次冬季低續(xù)航的陣痛都將促進廠商加速低溫熱管理的滲透，未來市場潛力巨大。
低溫下電化學反應不活躍是電池冬季電量降低的重要原因。環(huán)境溫度過低時，電解液黏度增大甚至部分凝固，使得鋰離子脫嵌運動受阻，電導率降低，最終引起了容量減少。低溫下使用鋰離子電池也易因鋰晶枝生長而對電池造成不可逆的容量損傷，并形成潛在危險。與NCA、磷酸鐵鋰比較，國內(nèi)重要的電池發(fā)展方向NCM811低溫性能相對較強，高鎳趨勢有助于減緩冬季低電量的現(xiàn)象。
研發(fā)低溫電池是解決冬季續(xù)航下降較為根本的方法，高效熱管理是當前最可行的冬季續(xù)航管理方案。目前低溫電池重要方向有電解液改性與全天候電池，混合型電解液可以綜合各類電解液優(yōu)勢增強鋰離子電池低溫性能，全天候電池技術被寶馬認可有機會引領市場。當前液冷熱管理技術滲透率相比于去年已獲得較大提升，可通過反向加熱冷卻液來便捷實現(xiàn)低溫熱管理，目前市場已有眾多車型實現(xiàn)了低溫加熱功能。
一、冬季電動汽車續(xù)航縮減多少?
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
–24%
百萬新車迎來冬季續(xù)航考驗，低溫熱管理大有可為。
2018年全年全國完成新能源乘用車銷售100.8萬輛，同比上升89%;2019年1-二月完成銷售14.3萬輛，同比上升134%。但新能源車在冬季，尤其在高寒的東北地區(qū)電動汽車實際續(xù)航里程已經(jīng)出現(xiàn)明顯下降，對用戶使用造成了嚴重影響。以幾款典型新能源汽車為例，一些冬季道路試驗顯示這些車型的平均續(xù)航里程下降24%，測試包含的鈷酸鋰、三元鋰與磷酸鐵鋰均未出現(xiàn)明顯的抗低溫優(yōu)勢。
由于去年夏季的40多起電池自燃事件，眾多廠商已開始重視高溫熱管理，而低溫熱管理潛力則仍有待開發(fā)，僅有少數(shù)廠家為電池配備了電加熱系統(tǒng)。冬季續(xù)航是整車廠商乘用體驗的核心指標，電池的低溫性能則是電池廠商的核心競爭力，我們認為每一次冬季低續(xù)航的陣痛都將促進廠商加速低溫熱管理的滲透，未來市場潛力巨大。
電池實驗表明溫度越低，電池可用容量越低。以松下NCR18650A為例，在電池實驗中-10℃下電池容量相比25℃將下降約20%，且平均電壓遠低于常溫下，電池對外做功能力明顯衰減。而以某磷酸鐵鋰離子電池為例，-15℃下電池內(nèi)阻是15℃下的4-5倍，表征電解液導電能力下降嚴重。
冬季車內(nèi)加熱設備的使用加大續(xù)航損耗。
目前PTC加熱器是電動汽車暖風空調(diào)的重要熱源，相比于電熱絲加熱能量轉(zhuǎn)化效率已從70%上升至98%，但將高品位的電能直接轉(zhuǎn)化為低品位的熱能，能量浪費依然巨大。蔚來汽車為ES8配備了前5.5kw后3.7kw等2個PTC加熱器，即在始終開啟的狀態(tài)下僅暖風空調(diào)每小時將消耗近50公里續(xù)航，假如再考慮電池本身的劣化，355公里的續(xù)航只能完成一半。
理論測算加熱功耗嚴重制約續(xù)航里程。以當前主流的300km配備35kwh電池的車型為例，可獲得加熱功耗與里程關系曲線，若要保證75%的續(xù)航保持率，車內(nèi)平均加熱功耗要控制于1-1.5kw。但電熱轉(zhuǎn)換效率最多為1，PTC加熱器的效率已非常接近，因此要尋找例如熱泵空調(diào)等轉(zhuǎn)化效率突破電熱瓶頸的技術。
二、鋰離子電池冬季電量減少的原因–低溫電化學反應不活躍
低溫下電化學反應不活躍是電池冬季續(xù)航降低的重要原因。鋰離子電池是一種典型的“搖椅電池”，其充電時，鋰離子從正極脫嵌穿越隔膜進入負極，使得負極呈富鋰狀態(tài)，正極呈貧鋰狀態(tài)，同時碳負極通過外電路獲得補償電荷，放電時則相反。環(huán)境溫度過低時，電解液黏度增大甚至部分凝固，使得鋰離子脫嵌運動受阻，電導率降低，最終引起了容量減少。
低溫下使用鋰離子電池易造成不可逆的容量損傷和潛在危險。鋰離子的溶解性在低溫時會顯著降低，易析出沉積形成鋰晶枝，生長到一定程度時有可能會刺穿隔膜造成電池短路，形成潛在安全風險。且此時電池負極動力學條件較差，固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)厚度會新增，將不可逆地持續(xù)阻礙離子流動，造成有效容量衰減。
各類正極材料的抗低溫能力均不相同，NCM811電池相對抗凍。研究發(fā)現(xiàn)在-20℃下電池的容量保持率均有下降，總體上NCM與NCA材料抗低溫性能相似，NCM811比NCA稍高，但兩者均明顯優(yōu)于磷酸鐵鋰離子電池。當前國內(nèi)的電池向NCM811發(fā)展的趨勢有助于減緩冬季低電量的現(xiàn)象，但仍要低溫熱管理來讓電池工作在最佳范圍。
三、低溫續(xù)航下方案–高效熱管理
耐低溫電池的研發(fā)是解決冬季續(xù)航下降較為根本的辦法，重要方向有改性電解液與全天候電池，但當前仍在實驗階段。
采用混合鋰鹽、溶劑與添加劑獲得綜合性能較強的低溫電解液是獲得低溫鋰離子電池的重要手段。電解液是電池抗低溫能力最重要的因素之一，當前研究表明將不同的鋰鹽、溶劑與添加劑這三種組分按特定比例混合可以達到綜合最優(yōu)的效果。例如在溶劑方面，傳統(tǒng)溶劑EC介電常數(shù)高、成膜性好，但因其熔點高、黏度大，而低熔點(-48℃)的PC溶劑可有效地避免電解液體系在低溫下發(fā)生凝固，調(diào)整兩者配比可降低體系粘度，獲得綜合兩者優(yōu)點的抗低溫溶劑。
全天候電池是未來電池的可選項。在2016年美國ECPower公司和賓夕法尼亞州立大學的華人團隊就已經(jīng)研發(fā)出可在低溫條件下使用的鋰離子電池，通過在內(nèi)部加入電熱鎳箔經(jīng)過電路設計實現(xiàn)低溫自動加熱，可在25秒內(nèi)將電池溫度從-20℃升至0℃并維持穩(wěn)定。這種全氣候電池為方形，添加成本每千瓦時少于1元，附加重量不超越1.5%，-20℃下的容量衰減僅為普通電池的一半。寶馬18年一月宣布與ECPower簽訂專利協(xié)議，極有可能將該項技術應用于未來的寶馬純電動汽車型。我們認為帶自加熱功能的全天候電池是未來的可選項之一，但可靠性、加熱耗電量與電路控制仍是要解決的問題。
高效熱管理是當前最可行的冬季續(xù)航管理方案
低溫下電池加熱系統(tǒng)的設計是一項復雜工程。若僅從最大續(xù)航角度考慮，電池加熱系統(tǒng)為保持電池在特定溫度下的自身能耗存在最優(yōu)解，但從電池安全角度，在0℃以下均要采取電池加熱系統(tǒng)以盡量延長電池壽命。此外采用電池加熱勢必要在電池組中填入保溫材料，但這與高溫熱管理的需求背道而馳，因此熱管理系統(tǒng)的設計要綜合考慮各類因素。
電池加熱系統(tǒng)有多種方案，液冷加熱系統(tǒng)可行性最高。目前電池加熱系統(tǒng)有PTC加熱、電熱膜加熱、相變加熱、冷卻液加熱、熱管加熱、交流加熱等多種實現(xiàn)方式。特斯拉2017年底在OTA系統(tǒng)中升級了電池預熱功能，其專利中顯示采取了多種加熱策略，可以在不同工作狀態(tài)、不同加熱媒介、不同熱量來源下進行全天候電池熱管理。但從其拆解圖看，重要的加熱方法還是使用PTC加熱冷卻液，這也是目前的最合邏輯的選擇，可以同時解決高低溫熱管理的矛盾，同時改造較為便利，僅要在高溫液冷熱管理基礎上新增熱源即可。
已有眾多車型裝備低溫熱管理系統(tǒng)，電池液冷加熱系統(tǒng)成主打賣點。目前大多數(shù)新能源汽車都已裝備電池加熱系統(tǒng)，但基于PTC的暖風加熱系統(tǒng)效率較低。除特斯拉以外，威馬EX5、傳祺GE3以及銷量前十的車型中裝備液冷系統(tǒng)的車型均裝備了基于電池冷卻液加熱系統(tǒng)，已經(jīng)成為重要的產(chǎn)品賣點，隨液冷系統(tǒng)滲透率的提升，冷卻液加熱功能也將持續(xù)滲透。
熱泵空調(diào)可在冬季高效節(jié)能。熱泵制熱時的實際COP可以達到2-4，即相同能耗下產(chǎn)生的熱量是PTC的2-4倍。目前國內(nèi)已有榮威Ei5與MARVELX裝備了熱泵空調(diào)系統(tǒng)，可保證冬季高效制熱。以續(xù)航300km帶電35kw的典型電動汽車型為例進行測算，PTC、熱泵空調(diào)以及兩者組合的方式所形成的3種方案中僅使用熱泵空調(diào)相比于僅使用PTC加熱可新增14%的續(xù)航里程，節(jié)能效應非常明顯。
