百萬新車迎來冬季續(xù)航考驗(yàn)，冬季路試?yán)m(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(yàn)顯示8款車型的平均續(xù)航里程下降24%，測(cè)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(shì)，低溫?zé)峁芾砦磥硎袌?chǎng)潛力巨大。

高溫?zé)峁芾硪咽苤匾暎蜏責(zé)峁芾砑夹g(shù)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?zé)峁芾恚蜏責(zé)峁芾頋摿t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(yàn)的核心指標(biāo)，電池的低溫性能則是電池廠商的核心競(jìng)爭(zhēng)力，每一次冬季低續(xù)航的陣痛都將促進(jìn)廠商加速低溫?zé)峁芾淼臐B透，未來市場(chǎng)潛力巨大。

低溫下電化學(xué)反應(yīng)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(shí)，電解液黏度增大甚至部分凝固，使得鋰離子脫嵌運(yùn)動(dòng)受阻，電導(dǎo)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(duì)電池造成不可逆的容量損傷，并形成潛在危險(xiǎn)。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(duì)較強(qiáng)，高鎳趨勢(shì)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(dāng)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(shì)增強(qiáng)鋰離子電池低溫性能，全天候電池技術(shù)被寶馬認(rèn)可有機(jī)會(huì)引領(lǐng)市場(chǎng)。當(dāng)前液冷熱管理技術(shù)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(shí)現(xiàn)低溫?zé)峁芾恚壳笆袌?chǎng)已有眾多車型實(shí)現(xiàn)了低溫加熱功能。

一、冬季電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航縮減多少?

–24%

百萬新車迎來冬季續(xù)航考驗(yàn)，低溫?zé)峁芾泶笥锌蔀椤?/p>

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(dòng)汽車實(shí)際續(xù)航里程已經(jīng)出現(xiàn)明顯下降，對(duì)用戶使用造成了嚴(yán)重影響。以幾款典型新能源汽車為例，一些冬季道路試驗(yàn)顯示這些車型的平均續(xù)航里程下降24%，測(cè)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(shì)。

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?zé)峁芾恚蜏責(zé)峁芾頋摿t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(yàn)的核心指標(biāo)，電池的低溫性能則是電池廠商的核心競(jìng)爭(zhēng)力，我們認(rèn)為每一次冬季低續(xù)航的陣痛都將促進(jìn)廠商加速低溫?zé)峁芾淼臐B透，未來市場(chǎng)潛力巨大。

電池實(shí)驗(yàn)表明溫度越低，電池可用容量越低。以松下NCR18650A為例，在電池實(shí)驗(yàn)中-10℃下電池容量相比25℃將下降約20%，且平均電壓遠(yuǎn)低于常溫下，電池對(duì)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(dǎo)電能力下降嚴(yán)重。

冬季車內(nèi)加熱設(shè)備的使用加大續(xù)航損耗。

目前PTC加熱器是電動(dòng)汽車暖風(fēng)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(fèi)依然巨大。蔚來汽車為ES8配備了前5.5kw后3.7kw等2個(gè)PTC加熱器，即在始終開啟的狀態(tài)下僅暖風(fēng)空調(diào)每小時(shí)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(cè)算加熱功耗嚴(yán)重制約續(xù)航里程。以當(dāng)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(guān)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(shù)。

二、鋰離子電池冬季電量減少的原因–低溫電化學(xué)反應(yīng)不活躍

低溫下電化學(xué)反應(yīng)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(shí)，鋰離子從正極脫嵌穿越隔膜進(jìn)入負(fù)極，使得負(fù)極呈富鋰狀態(tài)，正極呈貧鋰狀態(tài)，同時(shí)碳負(fù)極通過外電路獲得補(bǔ)償電荷，放電時(shí)則相反。環(huán)境溫度過低時(shí)，電解液黏度增大甚至部分凝固，使得鋰離子脫嵌運(yùn)動(dòng)受阻，電導(dǎo)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(xiǎn)。鋰離子的溶解性在低溫時(shí)會(huì)顯著降低，易析出沉積形成鋰晶枝，生長到一定程度時(shí)有可能會(huì)刺穿隔膜造成電池短路，形成潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。且此時(shí)電池負(fù)極動(dòng)力學(xué)條件較差，固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)厚度會(huì)新增，將不可逆地持續(xù)阻礙離子流動(dòng)，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(duì)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(dāng)前國內(nèi)的電池向NCM811發(fā)展的趨勢(shì)有助于減緩冬季低電量的現(xiàn)象，但仍要低溫?zé)峁芾韥碜岆姵毓ぷ髟谧罴逊秶?/p>

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(dāng)前仍在實(shí)驗(yàn)階段。

采用混合鋰鹽、溶劑與添加劑獲得綜合性能較強(qiáng)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(dāng)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(dá)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(diǎn)高、黏度大，而低熔點(diǎn)(-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(diǎn)的抗低溫溶劑。

全天候電池是未來電池的可選項(xiàng)。在2016年美國ECPower公司和賓夕法尼亞州立大學(xué)的華人團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低溫自動(dòng)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(shí)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(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于未來的寶馬純電動(dòng)汽車型。我們認(rèn)為帶自加熱功能的全天候電池是未來的可選項(xiàng)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(dāng)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(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)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(shì)必要在電池組中填入保溫材料，但這與高溫?zé)峁芾淼男枨蟊车蓝Y，因此熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)方式。特斯拉2017年底在OTA系統(tǒng)中升級(jí)了電池預(yù)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(jìn)行全天候電池?zé)峁芾怼５珡钠洳鸾鈭D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(shí)解決高低溫?zé)峁芾淼拿埽瑫r(shí)改造較為便利，僅要在高溫液冷熱管理基礎(chǔ)上新增熱源即可。

已有眾多車型裝備低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)，電池液冷加熱系統(tǒng)成主打賣點(diǎn)。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(fēng)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(diǎn)，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(shí)的實(shí)際COP可以達(dá)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(dòng)汽車型為例進(jìn)行測(cè)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(yīng)非常明顯。