穿不起大鹅 别买电动车

2022年01月07日 10:01 次阅读 稿源:虎嗅网 条评论

每年冬天,都是电动车主们怀念油车的时候。前段时间,蔚来创始人李斌在采访中表示:“完全不理解,怎么现在还有人买油车?油车除了能闻点汽油味,别的还有什么好?”此番言论引来不少网友的质问:“我想不通为啥买电动车”。

出品 | 虎嗅汽车组

作者 | 王笑渔

在北京只有绿牌指标的刘先生,就后悔买了纯电动车。他告诉虎嗅:“我的车充满312公里的续航,在一天一夜的时间维度里(包含白天行驶和夜间停放掉电),连100公里都跑不到。必须每天都充电,每天找桩真心怀疑人生,有选择我肯定不买纯电”。

冬季续航打五折,早已是车主心里默认的事实。

懂车帝最近做了一次测试显示,让市面上41款新能源汽车,在外温-20℃、车内空调设为24℃的条件下跑续航,结果只有蔚来EC6(官方续航里程为615km)、小鹏P7(实测续航为316.2km)两款车型续航里程能突破300公里,NEDC续航达成率分别为54.78%、47.19%。

中汽中心也对6款热门车型做了续航测试,低温续驶里程平均下降率为39%。同时,部分车型在常温和低温条件下表显续航里程的估计准确度也存在很大差异,后者平均估计准确度仅为66%。

续航短、掉电快更是北方电动车主的常态

通常来说,决定一台纯电动车续航里程的因素主要有三大类:1、电池容量;2、电耗;3、外部因素(驾驶习惯、行驶工况等)。而对于一个普通的电动车车主来说,解决冬季续航焦虑的方法并不多:你要么换车/换电池,要么就更频繁地去充电,或者就少开空调、减少电耗。

“冬天电车再不开空调,那真是个冷棺材”,刘先生告诉虎嗅。难道,除了穿着大鹅绒服开电车,就真拿“冬季续航焦虑”没办法了吗?

一、冬季续航短,都是电池太娇贵

锂电池,它生来娇贵。

既受不了太热,也不喜欢太冷,最适宜的工作温度在15-40℃之间————广东省的冬季、夏季温度之差,大概也就是这么个范围。在2020年,广东省卖出新能源汽车155,878辆,与之形成鲜明对比的是,2020年东北三省卖出的新能源汽车总和为9,943辆,占比仅为全国销量的0.92%。

东北的低温寒冬条件,虽然不会对车辆的动力输出造成较大影响,但电池的容量会下降,而且充电过程对温度范围的要求更为严苛。更重要的是,锂电池在0℃以下充电容易产生析锂现象,引起不可逆的损伤和安全问题——长期以往,还可能会诱发短路、自燃。

磷酸铁锂(LiFePO4)电池内部的放电过程(图源:Materials insights into low-temperature performances of lithium-ion batteries)

锂电池之所以娇贵,还得从电池材料构成说起。

业内主流的动力电池路线有两种:三元锂和磷酸铁锂。它们的正极材料一般为三元(NCM/NCA)、磷酸铁锂(LFP),而负极为石墨(Graphite)。充电时,锂离子从正极晶格出来,穿过电解液隔膜到负极,嵌入石墨层间。而放电的过程,是从石墨负极层间里出来,再回到正极晶格。

别看这一颗小小的电池,这可是一个复杂的电化学系统,其中包括了固体材料:正极材料、负极材料,纤维隔膜等;以及液体材料:有机电解液(包含锂盐,溶剂及其他添加剂)等。

无论是材料,还是反应过程,都会受到低温的影响——固体材料的“热胀冷缩”、液体材料在低温下黏度增大甚至凝固、带电粒子的传质过程和电化学反应的速度降低。

举个例子,在低温下,电解液变粘稠,这时候负责放电的锂离子就难以穿过,那么放电效果就会“大打折扣”,而同时锂离子的活性也会降低,自己“懒得动”。最终出现的结果就是,实际行驶里程与车企标定的续航里程完全不符。

在不同的温度下,城市和高速公路驾驶的续航航范围(作为为UDDS-Urban Dynamometer Driving Schedule城市道路循环工况、右图为SFTP US06-激烈驾驶工况)

此外,不同的正极材料,在低温下的表现也有差别。

NatureEnergy上的一篇文章,比较了磷酸铁锂刀片电池(LFP blade battery)、方壳三元锂电池(NMC622 VDA battery)组成的40kWh电池组的电动车,在不同温度下的续航里程表现。

高温下,两者在城市道路循环工况和激烈驾驶工况的续航里程大致相同,磷酸铁锂的续航稍稍高出三元锂电池。但温度下降至冰点以后,续航里程都出现了骤降,尤其是磷酸铁锂。

在UDDS城市道路循环工况下,温度降至-10°C时,LFP电池的车续航里程下降到了158km,在-20°C时续航航里程下降到39km相比之下,使用NMC622电池的车在-10°C条件下行驶里程为228公里,在-20°C下行驶里程为157公里。

在US06激烈驾驶工况下,温度对续航里程的影响更为显著。在0°C时,LFP电池的续航里程仅为NMC622电池续航里程的58%,在-10°C时,这一比例进一步下降至30%。

“磷酸铁锂电池在0°C环境下容量保持率约60-70%,零下10°C时衰减到40-55%,零下20°C只剩下20-40%,而三元锂电池在-20°C条件下依然能够保持正常电池容量约70%-80%,冬季对于搭载磷酸铁锂电池车型来说无疑是‘雪上加霜’。”一位动力电池业内人士表示。

二、冬季掉电快,是为了“供”着电池

如果你的车是磷酸铁锂电池,比如像“国产神车”宏光MINI EV这种。那么每到寒冷的冬天,你的可用的续航里程不仅更低,而且开起来也会相当耗电。

电动车和燃油车一样,在冬季的能耗都会比夏季要高。在低温下,燃油车的发动机热效率会下降,从而导致喷油量增加,或者开暖气启动压缩器等等原因也会导致油耗增加。但油车的好处是,燃油车的发动机产生的余热可以用于车舱内供暖,总整体能源使用效率上做到提升。

况且,燃油车可以轻松地找到周边的加油站,但电动车并不是随时都可以完成能源补给。所以,电动车更需要注重车辆的能源使用效率——说句人话,就是省电。

能耗,通常来说分为两种计算方式,“里程能耗”和“时间能耗”。里程能耗不解释,开得越远、越快消耗越大;时间能耗就是,不管你跑了多少里程,单位时间内的能耗都是固定的。比如你虽然只开了10公里,但堵了10个小时,开着空调电一会就掉光了。

而纯电动车的冬季能耗,除了驱动电机这项最基本的能耗之外,电池热管理以及采暖的消耗(乘员采暖、玻璃除霜、电池加热、电池保温等)占到了整车能量消耗的一半以上,达到54%——具体分为两大类能耗:电池制热、车内制暖。

前文说过,电池对工作温度要求严苛。

在低温条件下,电动车都会需要利用空调系统的制热能力,来消耗电能为电池进行升温:一方面,这样做是为了恢复电池充放电性能;另一方面,是为了防止低温对电池造成不可逆的伤害(比如前面说过的在0℃以下充电容易产生析锂现象)。

之前很多老款纯电动车上的制热系统,都是PTC加热。PTC,又叫正温度系数热敏电阻,顾名思义就是随着温度的升高电阻也在升高,所以可以实现恒温发热。因为PTC成本低、结构简单、出热快、受外界环境影响小,因此从入门车到高端车都普遍在使用。

PTC有一个致命问题,因为它极其费电,从而直接影响车辆续航。

随着外界温度降低,PTC的电阻值随之减小,电流通过电阻产生热量,其制热能效比最大值不超过1,也就是说1kW电量最多可产生1kW热量。假如你冬季行驶时打开暖风,全程至少消耗三分之一电量,功率越大耗能越大,时间越久耗能越大。

PTC和热泵的能耗对比(图源:Torben Fischer-Comparison of the consumption of a conventional PTC heating element and a heat pump system at an ambient temperature of 0°C )

一边给电池加热,一边给车舱内供暖,能耗也就直线飙升,续航也就蹭蹭蹭往下掉。

据SAE International的测试显示,在0℃时,采用PTC加热方式时的续航里程为无制热的45.2%,而热泵制热则为62.2%。在-10℃时,用PTC加热的续航里程为无制热的45.2%,热泵则为62.2%。

在零下十度和零度的环境下,无制热、PTC加热、热泵的行驶里程差异,来源:SAE International

什么是热泵?

热泵顾名思义就是,把外界的低温热量“泵”到相对⾼温的乘客舱⾥。热泵空调的原理,其实就是利⽤了我们在中学学过的蒸发吸热,液化放热的热⼒学原理(忘记的朋友,去翻中学课文),再利⽤低沸点的制冷剂将环境中的热量带⼊到乘客舱中。

与PTC加热不同,PTC是实实在在的能量的产生过程,能效比大约在0.95,需损耗非常多的电能;而而热泵制热方案是以冷媒为介质的热传递的过程,是能量的搬运,最高能效比可以达到2,也就意味着同样的热量需求,热泵制热方案相比于传统的非热泵制热方案,电能损耗仅为一半。

但热泵系统,仅仅是解决燃眉之急,并不是终极方案。

比亚迪海豚的集成热管理系统

热泵系统之所以不常⻅,就是因为⼀个字“贵”。热泵比PTC要复杂得多,涉及六通阀、八通阀等这种对设计和制造能力要求较为严苛的零部件,因为做不到的话反而会产生多余的噪音影响驾驶体验。

相比较传统热管理产品,新能源热管理系统这套三电系统冷却和热泵空调等设备,足足将单车配套价值量提升了3倍。比如,在大众ID.4的CO2热泵选配包价格为9000元。而特斯拉、比亚迪等品牌的部分车型目前都是以标配的形式存在。

要说复杂性,热泵中的“集成阀”必须榜上有名。因为,它可以直接影响了一个热泵系统能完成多少种工作模式,以比亚迪的e平台 3.0热泵系统为例,它具有11种工作模式:单电池加热模式、单乘员舱采暖模式、乘员舱采暖+电池加热模式等等。

以搭载热泵直冷直热技术的比亚迪海豚为例,在室外气温近-10℃的沈阳进行续航测试(测试条件:24度自动空调、标准模式动力回收、ECO模式、无座椅加热、车载两人),结果显示:实际行驶里程242km,表显续航掉了347Km,续航达成率将近70%。

比亚迪的热管理集成模块长这个样子,可以管它叫“六通阀”,因为有六个可以切换连通方向的阀

很多国内消费者接触到热泵的概念,应该是从国产特斯拉Model 3开始。在那套热泵系统中,特斯拉的工程师们,设计了一个可以电控切换水路循环流向的超级旁通阀门——八通阀,还别出心裁的在这个部件上画了一个八爪鱼。

他们将传统的热泵空调和车辆的电池系统、动力系统通过八通阀进行了打通,彻底压榨了不同系统的余热,同时进行了融合,产生了多达12种工作模式。

八爪鱼

对于这一精妙的设计,热心的知乎网友@cw5586就分析道:特斯拉的创新是把电池的冷暖系统和驾驶舱的冷暖空调结合起来了(用两个换热器实现),直接利用驾驶舱冷暖空调的大换热器解决电池的冷暖能源供给,优点有两个:

一是特别紧凑(用八通阀和两个换热器取代其它车厂用的直接发热元件和散热水箱),用两个小换热器把热量导给驾驶舱空调解决;

二是效率高,空调不管制热还是制冷都能实现相当于电能3.5倍的输出,相当于提高电池热管理效率3.5倍,同时还可以利用电池的热量(例如冬天行车电池发热就导向驾驶舱可以节约一点空调消耗的电),而其它厂家的分离系统电池加热是直接加热,效率比特斯拉差3.5倍,行车过程中电池发热无法利用只有直接用散热器消耗掉。

但需要注意的是,热泵系统也分“段位”。在极低温情况下,有些热泵系统可能会“罢工”。

比如,在东北这种冬天零下十几度的环境中,车外温度较低的同时,空气中含有较多水分。这种极端条件下,空气中的水分会在车外表面结霜,结霜后导致换热装置很难再从外界环境有效地吸收热量,导致热泵空调无法继续工作,一般热泵系统在-10℃甚至更低的时候,就直接“歇菜”了。

到了-10℃,甚至更低的温度时,你仍然需要靠PTC加热来维持温度。以特斯拉之前公布专利来看,特斯拉Model Y配备的一个低压的PTC,会在电池温度在-10~10℃这个区间辅助热泵空调混合工作。

当然,也有一些比较极端的办法,像北汽新能源的出租车会加装柴暖,以及像威马EX5-Z上有一个柴暖系统——在车身右后侧开了一个加油口,用于加注柴油,再通过柴暖系统对电池包和空调进行加热。以此,来减少电耗。这种方法虽然抗冻,但与电动车的环保理念天然相斥。

总而言之,这些“暖宝宝”方案都只是过渡方案,谈不上完美。但解决温饱还是够了。

三、在东北,锂电池没有未来

那,有没有相对“完美的”方案呢?氢燃料电池和固态电池,了解一下。

今年10月,140辆丰田氢燃料电池车MIRAI在大连通关入境。此次入境的MIRAI氢能源电池车是由日本丰田公司制造的氢能源电池汽车,续航850公里,该批车辆将在北京冬奥会期间提供运输服务。

锂电池在2021年风光无限,但到关键时刻却上不了台面。

2022年北京冬奥会与冬残奥会比赛期间,延庆、张家口将投入700余辆氢燃料电池公交车,为赛事提供交通服务保障。而这种由北汽福田欧辉客车生产的11米48座高一级氢燃料电池客车,车辆配备80KW氢燃料电池发动机,8个氢气瓶组,续航能力达500公里以上。

相较于娇贵的“锂电池”,低温环境对于氢燃料电池的使用影响较低。

燃料电池目前主要是有两种路线,一种是金属双极板,另一种是石墨双极板。其中,金属双极板的热容小,更容易实现低温启动。比如,骥翀氢能在去年就发布了一款MH170金属板燃料电池电堆,号称可以在-39℃完成冷启动。骥翀氢能创始人、董事长付宇则表示:“它可以在中国广大的北方,甚至是俄罗斯、中亚等极寒地区应用。”

中国科学院院士、中国电动汽车百人会副理事长欧阳明高认为,我国西部、北部等可再生能源丰富、纯电动车渗透率较低的区域,或将成为氢燃料电池车的发展空间。

“长城以北、西部和西北部基本上是冬季温度低、能源基地多,可再生能源的集中度高,具有氢能生产和利用的场景,非常适合氢能全产业链发展。今后5到10年,氢能市场的突破口或者适合于市场化场景,就是在可再生能源氢的富余区域,尽量在当地就近利用。”欧阳明高表示。

除了氢燃料电池之外,全固态电池也是一种更接近现实的“理想方案”。

“固态电池充放电对温度的要求较少。”一位关注固态电池领域的投资人告诉虎嗅。“现在,固态电池一部分用在航天领域,外太空的温差可比汽车上大多了”。

Kentaro YOSHIDA and Keizo HARADA在“All-Solid-State Lithium Batteries with Wide Operating Temperature RangeMitsuyasu”文章中,对基于硫化物全固态电池做了几项测试,其中在低温耐受性测试方面结果如下:

电池在低温-40℃规定的充放电(The test conditions were a constant current of 0.02mA, charged to 0.02mAh, and discharged to 3.0V)、循环(试验条件为恒流0.02mA,充至0.02 mAh,放电至3.0V)条件下。

可以发现——低温对于这种硫化物全固态电池的容量影响,是非常小的。

“因为目前的硫化物固态电池,在高温下的容量性能表现与常温下没有太大区别。而在零下四十度的低温环境下充放电,电池容量受到的影响也在5%以内。在充放电倍率上,一般的液态电池到0度以后充电的速度就会显著下降,这一点在硫化物固态电池上是几乎没有影响的。”上述人士告诉虎嗅。

在氢燃料电池和全固态电池未量产上车之前,东北老铁们还是再享受一下燃油车带来的快乐吧。

写在最后

最后,对于广大北方的纯电动车车主们和意向车主们,我们有五个小建议:

1、建议优先选择三元锂电池车型;

2、建议优先选择大电池容量车型;

3、建议出远门前提前规划好充电补能点;

4、建议优先选择有热泵空调的车型,即便是需要花钱选配;

5、如果上述四点都无法满足,那建议您在车中常备一件鹅绒服。少开空调,降低能耗。

马上就开始春运了,希望电动车主们提前规划好充电路线,以免出现在充电站过年的尴尬处境。

参考资料:

[1] Meyer, J.J., Lustbader, J., Agathocleous, N., Vespa, A. et al., “Range Extension OPPOrtunities While Heating a Battery Electric Vehicle,” SAE Technical Paper.

[2] A materials perspective on Li-ion batteries at extreme temperatures,NATURE ENERGY.

[3] Temperature effffect and thermal impact in lithium-ion batteries: A review,Progress in Natural Science.

[4] Xiao-Guang Yang, Teng Liu and Chao-Yang Wang ,Thermally modulated lithium iron phosphate batteries for mass-market electric vehicles,NATURE ENERGY.

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