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冬季续航焦虑 动力电池低温热管理潜力巨大

国际新能源网  来源:新兴产业观察者  日期:2019-03-14
  百万新车迎来冬季续航考验,冬季路试续航下滑24%。2018年全国完成新能源乘用车销售100.8万辆,同比增长89%;2019年1-2月完成销售14.3万辆,同比增长134%;但冬季道路试验显示8款车型的平均续航里程下滑24%,测试包含的钴酸锂、三元锂与磷酸铁锂均未出现明显的抗低温优势,低温热管理未来市场潜力巨大。
 
  高温热管理已受重视,低温热管理技术路线更多。由于夏季的40多起电池自燃事件,众多厂商已开始重视高温热管理,而低温热管理潜力则仍有待开发,仅有少数厂家为电池配备了电加热系统;冬季续航是整车厂商乘用体验的核心指标,电池的低温性能则是电池厂商的核心竞争力,每一次冬季低续航的阵痛都将促进厂商加速低温热管理的渗透,未来市场潜力巨大。
 
  低温下电化学反应不活跃是电池冬季电量降低的主要原因。环境温度过低时,电解液黏度增大甚至部分凝固,使得锂离子脱嵌运动受阻,电导率降低,最终引起了容量减少。低温下使用锂电池也易因锂晶枝生长而对电池造成不可逆的容量损伤,并形成潜在危险。与NCA、磷酸铁锂比较,国内主要的电池发展方向NCM811低温性能相对较强,高镍趋势有助于减缓冬季低电量的现象。
 
  研发低温电池是解决冬季续航下降较为根本的方法,高效热管理是当前最可行的冬季续航管理方案。目前低温电池主要方向有电解液改性与全天候电池,混合型电解液可以综合各类电解液优势增强锂电池低温性能,全天候电池技术被宝马认可有机会引领市场。当前液冷热管理技术渗透率相比于去年已获得较大提升,可通过反向加热冷却液来便捷实现低温热管理,目前市场已有众多车型实现了低温加热功能。
 
  一、冬季电动车续航缩减多少?
 
  2018年全年全国完成新能源乘用车销售100.8万辆,同比增长89%;2019年1-2月完成销售14.3万辆,同比增长134%。但新能源车在冬季,尤其在高寒的东北地区电动汽车实际续航里程已经出现明显下降,对用户使用造成了严重影响。以几款典型新能源汽车为例,一些冬季道路试验显示这些车型的平均续航里程下滑24%,测试包含的钴酸锂、三元锂与磷酸铁锂均未出现明显的抗低温优势。
 
  由于去年夏季的40多起电池自燃事件,众多厂商已开始重视高温热管理,而低温热管理潜力则仍有待开发,仅有少数厂家为电池配备了电加热系统。冬季续航是整车厂商乘用体验的核心指标,电池的低温性能则是电池厂商的核心竞争力,我们认为每一次冬季低续航的阵痛都将促进厂商加速低温热管理的渗透,未来市场潜力巨大。
 
  电池实验表明温度越低,电池可用容量越低。以松下 NCR18650A为例,在电池实验中-10℃下电池容量相比25℃将下降约20%,且平均电压远低于常温下,电池对外做功能力明显衰减。而以某磷酸铁锂电池为例,-15℃下电池内阻是15℃下的4-5倍,表征电解液导电能力下降严重。
 
  冬季车内加热设备的使用加大续航损耗。
 
  目前PTC加热器是电动汽车暖风空调的主要热源,相比于电热丝加热能量转化效率已从70%上升至98%,但将高品位的电能直接转化为低品位的热能,能量浪费依然巨大。蔚来汽车为ES8配备了前5.5kw后3.7kw等2个PTC加热器,即在始终开启的状态下仅暖风空调每小时将消耗近50公里续航,如果再考虑电池本身的劣化,355公里的续航只能完成一半。
 
  理论测算加热功耗严重制约续航里程。以当前主流的300km配备35kwh电池的车型为例,可获得加热功耗与里程关系曲线,若要保证75%的续航保持率,车内平均加热功耗需要控制于1-1.5kw。但电热转换效率最多为1,PTC加热器的效率已非常接近,因此需要寻找例如热泵空调等转化效率突破电热瓶颈的技术。
 
  二、锂离子电池冬季电量减少的原因 – 低温电化学反应不活跃
 
  低温下电化学反应不活跃是电池冬季续航降低的主要原因。锂离子电池是一种典型的“摇椅电池”,其充电时,锂离子从正极脱嵌穿越隔膜进入负极,使得负极呈富锂状态,正极呈贫锂状态,同时碳负极通过外电路获得补偿电荷,放电时则相反。环境温度过低时,电解液黏度增大甚至部分凝固,使得锂离子脱嵌运动受阻,电导率降低,最终引起了容量减少。
 
  低温下使用锂电池易造成不可逆的容量损伤和潜在危险。锂离子的溶解性在低温时会显著降低,易析出沉积形成锂晶枝,生长到一定程度时有可能会刺穿隔膜造成电池短路,形成潜在安全风险。且此时电池负极动力学条件较差,固态电解质界面(SEI) 厚度会增加,将不可逆地持续阻碍离子流动,造成有效容量衰减。
 
  各类正极材料的抗低温能力均不相同,NCM811电池相对抗冻。研究发现在-20℃下电池的容量保持率均有下降,总体上NCM与NCA材料抗低温性能相似,NCM811比NCA稍高,但两者均明显优于磷酸铁锂电池。当前国内的电池向NCM811发展的趋势有助于减缓冬季低电量的现象,但仍需要低温热管理来让电池工作在最佳范围。
 
  三、低温续航下方案 – 高效热管理
 
  耐低温电池的研发是解决冬季续航下降较为根本的办法,主要方向有改性电解液与全天候电池,但当前仍在实验阶段。
 
  采用混合锂盐、溶剂与添加剂获得综合性能较强的低温电解液是获得低温锂电池的重要手段。电解液是电池抗低温能力最重要的因素之一,当前研究表明将不同的锂盐、溶剂与添加剂这三种组分按特定比例混合可以达到综合最优的效果。例如在溶剂方面,传统溶剂EC介电常数高、成膜性好,但因其熔点高、黏度大,而低熔点(-48℃)的PC溶剂可有效地避免电解液体系在低温下发生凝固,调整两者配比可降低体系粘度,获得综合两者优点的抗低温溶剂。
 
  全天候电池是未来电池的可选项。在2016年美国ECPower公司和宾夕法尼亚州立大学的华人团队就已经研发出可在低温条件下使用的锂离子电池,通过在内部加入电热镍箔经过电路设计实现低温自动加热,可在25秒内将电池温度从-20℃升至0℃并维持稳定。这种全气候电池为方形,添加成本每千瓦时少于1元,附加重量不超越1.5%,-20℃下的容量衰减仅为普通电池的一半。宝马18年1月宣布与ECPower签订专利协议,极有可能将该项技术应用于未来的宝马纯电动车型。我们认为带自加热功能的全天候电池是未来的可选项之一,但可靠性、加热耗电量与电路控制仍是需要解决的问题。
 
  低温下电池加热系统的设计是一项复杂工程。若仅从最大续航角度考虑,电池加热系统为保持电池在特定温度下的自身能耗存在最优解,但从电池安全角度,在0℃以下均需要采取电池加热系统以尽量延长电池寿命。此外采用电池加热势必需要在电池组中填入保温材料,但这与高温热管理的需求背道而驰,因此热管理系统的设计需要综合考虑各类因素。
 
  电池加热系统有多种方案,液冷加热系统可行性最高。目前电池加热系统有PTC加热、电热膜加热、相变加热、冷却液加热、热管加热、交流加热等多种实现方式。特斯拉2017年底在OTA系统中升级了电池预热功能,其专利中显示采取了多种加热策略,可以在不同工作状态、不同加热媒介、不同热量来源下进行全天候电池热管理。但从其拆解图看,主要的加热方法还是使用PTC加热冷却液,这也是目前的最合逻辑的选择,可以同时解决高低温热管理的矛盾,同时改造较为便利,仅需要在高温液冷热管理基础上增加热源即可。
 
  已有众多车型装备低温热管理系统,电池液冷加热系统成主打卖点。目前大多数新能源汽车都已装备电池加热系统,但基于PTC的暖风加热系统效率较低。除特斯拉以外,威马EX5、传祺GE3以及销量前十的车型中装备液冷系统的车型均装备了基于电池冷却液加热系统,已经成为重要的产品卖点,随液冷系统渗透率的提升,冷却液加热功能也将持续渗透。
 
  热泵空调可在冬季高效节能。热泵制热时的实际COP可以达到2-4,即相同能耗下产生的热量是PTC的2-4倍。目前国内已有荣威Ei5与MARVELX装备了热泵空调系统,可保证冬季高效制热。以续航300km带电35kw的典型电动车型为例进行测算,PTC、热泵空调以及两者组合的方式所形成的3种方案中仅使用热泵空调相比于仅使用PTC加热可增加14%的续航里程,节能效应非常明显。
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