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中汽研冬季续航测试 让电池之争进入白热化阶段
时间:2022-01-03 12:49:10

在新能源汽车技术日渐完善的情况下,我国新能源汽车市场在过去的一年里又迎来了一轮大爆发。截止到今年11月份,我国新能源汽车零售渗透率已经达到了20.8%。这也就意味着我国平均每卖出5辆车,就有一辆是新能源汽车,相比起去年5.8%的市场渗透率有着大幅提升。显然,新能源汽车已经进一步得到了中国消费者的认可。

新能源汽车之所以会逐渐得到消费者的认可,政策扶持是一部分原因,纯电动汽车在续航能力方面的提升让消费者没有了后顾之忧也是一部分原因。目前纯电动汽车续航能力普遍能够达到500-700km,蔚来、广汽埃安以及智己汽车等车企还将在今年对1000km续航大关发起冲击。

即便是新能源汽车已经能够像1000km续航能力发起冲击,车企宣称的续航能力已经远超传统燃油车,但是它依然有着不容忽视的短板。例如,冬季的严寒就会毫不留情地扯下纯电动车在续航能力上的遮羞布。

低温续驶测评打脸三元锂

随着冬天的到来,不少媒体趁着严寒的气温对天性怕冷的纯电动汽车做了严苛的冬季续航测试。其中,字节跳动旗下的汽车媒体平台在一周前一口气发布了40款电动车的冬测续航成绩。该测试标准十分严苛,测试地点位于内蒙古自治区呼伦贝尔市的牙克石市,彼时牙克石的气温低至-20℃。

懂车帝虽然最大限度考验出了纯电动汽车在极端气温下的续航能力,但是我国北方地区的气温大多在-15℃以下。因此,懂车帝的冬测结果虽然颇具看点,却与我国实际的用车场景略有偏颇。

12月24日,中汽研(CCRT)发布了在我国汽车市场上销售的6款纯电动汽车的续驶里程测评结果。尽管中汽研测试的车型没有懂车帝那么全面,但基本都是市场上的热销车型,对有意购买新能源汽车的消费者有一定的参考价值。

该测试分别在常温23℃以及低温-7℃进行测试,这种测试既可以验证官方续航里程与实际续航里程存在的差别,同时也能够验证这几款新能源汽车在低温情况下的衰减程度,更加符合我国新能源汽车用户的用车场景。

参与本次测评的车型包括了特斯拉Model 3、蔚来EC6运动版、比亚迪汉EV、小鹏P7、宝马iX3以及哪吒U Pro 500。从测试结果上来看,这六款车型在常温续驶里程测试中都有着较好的表现,但是它们的低温续驶里程却是一言难尽。

其中,比亚迪汉EV的冬季续航表现最为优异,与中汽联在常温下实测的629km续航里程相比,它在低温下的续航里程为435km,下降率为30.9%。哪吒U Pro的表现最差,与常温下测试得出的550km续航里程相比,它在低温下的续航里程仅有232km,下降率高达42.4%。

值得一提的是,在本次测试中低温续航表现优异的车型基本都搭载了磷酸铁锂电池。要知道,由于化学成分的不同,冬季续航能力一直都是磷酸铁锂电池被人诟病的地方,它与三元锂电池的冬季性能差距甚至无法弥补。

然而,本次测试却是原本在冬季续航能力方面占优的三元锂电池表现得令人大跌眼镜。那么搭载磷酸铁锂电池的纯电动汽车又是如何在这场测试中逆势翻盘的呢?想要分析清楚这个问题,我们首先需要了解一下在低温会对纯电动汽车续航能力造成哪些影响。

影响电车低温续驶里程的因素

影响纯电动汽车低温续驶里程的因素主要包括三点,其一、空调功耗;其二,电池衰减;其三,机械损失。

1、热泵空调给电车叠加了一重BUFF

在空调功耗方面,由于纯电动汽车没有传统燃油车发动机这样的发热源,因此它无法通过导入发动机热量来解决车内的供暖问题。为了解决供暖问题,目前纯电动汽车主要采取的是PTC以及热泵空调这两种技术方案,只不过这两种技术方案各有利弊。

其中,PTC技术的工作原理与我们以前烧水用的“热得快”类似,它优势在于成本低廉,但是极其耗电。

通常来说,纯电动汽车在市区行驶时的功率数值大概在3kW左右,当气温下降到0℃以下时,通过PTC加热技术制热的需求功率就会大于城市工况需求功率;气温下降到-20℃时,空调制热需求功率将会超过6kW。这也就意味着,纯电动汽车在0℃以下时,通过PTC供暖比驱动车轮行驶的驱动电机更加耗电。

热泵空调的制热效率是PTC技术的2.5倍以上,使用热泵空调的纯电动汽车能耗比使用PTC技术要低30-40%。然而,热泵空调成本高,一个热泵空调的成本高达上千元,并不适合定位较低的车型。

事实上中汽研低温续驶里程测试的结果也验证了热泵空调的重要性。在参与测试的六款车当中,表现最为优异的比亚迪汉EV和特斯拉Model 3虽然搭载的是磷酸铁锂电池,但是它们都不惜成本地配备了价格昂贵的热泵空调。

表现最差的哪吒U Pro 500以及小鹏P7则配备的是价格低廉,但极其耗电的PTC加热技术。其中,哪吒U Pro 500主要是受到了价格限制,而小鹏P7作为小鹏汽车旗下最为走量的旗舰轿车,它则是因为推出时间较早,因此配置显得有些落后。

在小雷看来,热泵空调是特斯拉Model 3与比亚迪 汉EV在这次冬季续航能力测试中的制胜关键。尽管热泵空调并非磷酸铁锂电池车型专属,但是小雷也并不认为它们借此取胜存在投机取巧的嫌疑。相反,它们不惜血本地装配热泵空调正是它们的良心之举。

如同上面所言,热泵空调并非磷酸铁锂电池车型专属配置,特斯拉Model 3与比亚迪 汉EV在装备了热泵空调之后,皆在冬季续航能力上取得了质的突破。除了进一步优化空调技术之外,在电池本身下功夫也尤为重要。

2、电池加热是门技术活

我国有个成语叫做“雪上加霜”。在小雷看来,这个词用在纯电动汽车的冬季续航能力上恰到好处。纯电动汽车的供暖问题就像是新能源汽车上面的“霜”,但是纯电动汽车更为严峻的问题并非只是“霜”,还有“雪”本身,而动力电池怕冷就是纯电动汽车的“雪”。

在低温环境下会对纯电动汽车动力电池性能造成影响的因素主要有以下三个:

其一,电池容量。由于动力电池的电解液是液体,而液体在低温环境下会变得黏稠,甚至凝固。黏稠的电解液会导致电池内阻升高,效率下降,电池容量也会随之下降得更快。这和我们在清水中游泳要比在浆糊中游泳要更加省力是一个道理。

其二,电池在低温情况下存在析锂的风险,析锂就像是电池内部长刺,有可能会破坏电池结构,造成电池内部短路。为了降低这样的风险,电池管理系统通常会限制电池的最大允许充、放电功率。毕竟相比起充电与续航能力,安全永远都应该被摆在第一位。

然而,正是因为电池管理系统会在低温环境下限制动力电池的放电功率,这就会导致车辆的动力性变差。这样的情况很容易让纯电动汽车用户产生一种车辆随时可能会没电的错觉,加剧他们的续航焦虑。

其三,单体电池电芯的差异会拉低电池包的整体性能。由于电池包本身会遵循木桶效应,而目前纯电动汽车的热管理方案无法影响电池包中所有单体电池均匀性,因此温度最低的单体电池会决定电池组的整体性能。

例如,在电池包当中的大多数单体电池温度都在10℃左右,但是有一颗没能被热管理系统“温暖”的单体电池温度只有0℃,那么这一颗温度低的单体电池就如同“一粒老鼠屎,坏了一锅粥”。

如果说热泵空调解决的是人怕冷的问题,那么电池热管理系统就是专门为了解决电池怕冷的问题而存在。然而,电池怕冷的问题却并非加钱上热泵空调就能解决那么简单。

给动力电池供暖的技术方案主要有外部加热和内部加热两种。其中,内部加热相比起外部加热更快,效率也更高,但风险也更高。事实上新能源汽车领域一直都有一个犹如噩梦的词汇——热失控。

由此可见,动力电池并非不能自己发热,只不过想要将电池的发热量控制在一个可控的温度下却是一项极具挑战性和危险性的技术。因此,内部加热并没有成为目前电池热管理系统的主流技术。

想要缓解电池怕冷的问题,目前主流的解决方案就是研发一套优秀的电池热管理系统,通过外部热量对动力电池进行加热,而这样的方案到目前为止也并非尽善尽美。外部加热的控制逻辑相对复杂,加热的时机将直接影响电池可用的容量。

在电池电量还有80%的时候加热与30%的时候加热产生的效果截然不同,在什么气温下启动对于不同地区的用户来说也截然不同。例如,0摄氏度下启动加热,那么北方纯电动汽车的加热机制就会被频繁启动,而南方纯电动汽车的加热机制可能永远也不会启动。

在这方面,特斯拉做得比较出色,它发挥了自身的垂直整合优势,充分利用了电机废热来为电池进行加热。要知道,尽管纯电动汽车没有发动机这样的高热量发热源,但是高性能电机同样也能产生一定的热量。

除了冬季供暖以及电池怕冷这两项纯电动汽车独有劣势之外,汽车本身在冬季的机械损失同样是纯电动汽车需要优化的方向。

3、油车比电车机械损失更严重,但电车机械损失更紧迫

所谓机械损失,就是机械部件带来的能量损失。事实上相比起机械结构已经被大幅简化的纯电动汽车,传统燃油车的机械损失更为严重。

在内燃机领域有一个至关重要的技术参数叫做“热效率”。目前即便是已经将热效率做到了登峰造极的比亚迪骁云发动机,它的热效率也仅有43%左右。这也就意味着内燃机在将化学能转化为动能时就已经损失了超过50%的能量,真正从曲轴专递到车轮上的能量就更是少得可怜了。

此外,汽车在低温环境下还会有更多的机械损失。其中,轮胎在低温环境下会变得更硬,并且胎压也会降低,这将增加汽车的滚动阻力。为了解决这方面的问题,新能源车企往往会选用低滚阻轮胎,而车主则可以在低温天气下适当地提高汽车胎压。

其次,动力电池的电解液会在低温环境下增加内阻,汽车机械部件之间油液的黏稠度自然也会随着气温变化而变化。气温越低,油液就越黏稠,最终加剧传动损失,这和小雷在上文中举的“游泳”的例子是一个道理。

再次,-7℃的空气密度是25℃环境空气密度的1.12倍。要知道,汽车车速低于60km/h时,空气阻力对汽车能耗的影响并不大,但是随着速度增加,空气阻力就会迅速上升。当车速到达120km/h时,汽车将会有60%的能耗是用于抵御空气阻力,这也是最近几年新能源车企愈发看重风阻系数的主要原因。

然而,传统燃油车却对机械损失并不过于看重,因为机械损失影响的只是一辆车的油耗、动力,但是想要将这些机械部件做得更加优秀则需要花费不计其数的时间、精力。

对于车企而言,些许的机械损失可以成为技术优化方向,但是并非研发的重点方向。传统燃油车没油之后随便找家加油站都能够及时进行补能,但是纯电动汽车的机械损失能够带来的直接感受就是续航焦虑。因此,尽管传统燃油车的机械损耗远比纯电动汽车要严重得多,但是纯电动汽车的机械损失仍然要比传统燃油车更为紧迫。

电池派系之争远没到终点

如果单从电芯技术上来看,目前主流的磷酸铁锂电池并没有得到太多变革性提升。在小雷看来,它们之所以能够逆袭,是因为龟兔赛跑,勤能补拙。

要知道,能量密度一直以来都是三元锂电池引以为傲的长处,而安全与成本则是它讳莫如深的痛点。因此,车企与电池供应商近几年都更加倾向于死磕三元锂电池的安全短板。

事实上中汽研从2017年到2021年一共对34款纯电动汽车进行了测试。测试结果显示,纯电动汽车的续航能力在近5年内有着明显提升。在小雷看来,纯电动汽车的续航能力在近几年之所以能有这样的提升,三元锂电池功不可没。

事实确实如此,如今的纯电动汽车续航能力已经基本跨越了450km,主流的纯电动汽车续航能力甚至已经达到了568km,今年车企甚至已经开始向1000km续航大关发起挑战。

然而,近5年以来,纯电动汽车的低温续驶里程下降率仍然在35%以上,而本次测试出来的6款车型的平均低温续驶里程下降率更是高达39%。由此可见,相比起常温下的续航里程,低温续驶里程仍然是纯电动汽车难以根治的痛点问题。

低温续驶能力对于在能量密度和耐寒性均占优势的三元锂电池而言尚有余地,但是对于磷酸铁锂电池而言却足以让不少北方的消费者对它打退堂鼓。

小雷认为,正是因为磷酸铁锂电池的冬季续航能力羸弱,才导致了车企和动力电池供应商更加倾向于补足它在这方面的短板。这和小雷在上文所说,三元锂电池供应商知道自己的短板是安全,因此它们在升级产品时往往会更加侧重于补齐安全短板是一个道理。

要知道,为了提升产品力,任何一家企业在升级产品时都会优先补足自家产品在木桶效应当中的短板,而补全冬季续航方面的短板对于一家新能源车企而言更是至关重要。

例如,比亚迪为汉EV配备了竞品车型小鹏P7所不具备的热泵空调,因此它在空调系统方面补足了磷酸铁锂电池带来的技术短板。相比起比亚迪汉EV,特斯拉Model 3则做的更加全面,它不但配备了热泵空调,还在电池热管理系统上另外下了功夫,因此它也能够在一众三元锂电池车型当中傲视群雄。

其实小雷对比亚迪、特斯拉能够补足磷酸铁锂电池车型在低温条件下的短板并不感到意外。让小雷始料未及的是,它们竟然能够将原来的不足之处做成自己的长处,完成犹如龟兔赛跑般的逆袭。

当然,从目前来看,无论是安全性之于三元锂电池,还是冬季续航能力之于磷酸铁锂电池,动力电池厂商都并没有从化学角度上根治它们存在的问题。搭载磷酸铁锂电池的比亚迪汉EV、特斯拉Model 3之所以能够在中汽研的低温续航测试中取胜,靠的只是“旁门左道”,这些“旁门左道”能够用在磷酸铁锂电池车型上,同样也能够用在三元锂电池车型上。

在小雷看来,如今的磷酸铁锂电池车型只是趁着三元锂电池车型打盹小胜一场。等到三元锂电池反应过来之时,磷酸铁锂电池车型在冬季续航能力上的优势随即便会被反超。

由此可见,磷酸铁锂电池与三元锂电池这场龟兔赛跑还远远没有到达终点。未来是磷酸铁锂电池主宰新能源汽车市场,还是三元锂电池主宰新能源汽车市场,还要看动力电池厂商与新能源车企如何各显神通。

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