谁掀开了电动车的遮羞布

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今年北方的冬天格外冷,尤其对于一些电动车车主而言。

伴随着电动车销量逐渐升高,市场接受度不断增加,电动车车主们刚刚准备摘掉被嘲笑的“电动爹帽子”,又被凛冬的寒冷给“扶正”了一些。

这不,前几天一位网友声称,自己驾驶的比亚迪汉EV在经过多次冬季试验后,发现充满一次电后的实际续航仅有230公里,远远低于官方宣传的600公里续航,几乎缩水了三分之二,甚至还发生过剩余续航突然断崖式减少的情况。

(图/新浪财经)

甚至有网友拿出当初比亚迪推出“刀片电池”时的官方PPT来调侃:“按照柱状图比例,百分比显然是100%、70%、40%、40%,做PPT的人还是诚实的。”

事情在网络上发酵一阵后,比亚迪给出的官方说法是“车主存在原地怠速用电并且开空调的情况”,导致实际续航大幅“缩水”。

无独有偶,搭载着同样磷酸铁锂电池的特斯拉Model 3标准续航升级版,以及搭载着磷酸铁锂的五菱宏光MINI EV也有车主遇到了类似的问题。

很显然,所有的矛头都指向同一个东西——磷酸铁锂电池,那么这个去年被誉为将能击溃三元锂电池的“英雄”,怎么突然不行了呢?

磷酸铁锂电池的原罪

LFP(磷酸铁锂电池)最早是由古迪纳夫(2019年诺贝尔化学奖获得者之一)发明的,于1996年德州大学代表古迪纳夫实验室向美国申请了专利(WO1997040541)。不过之前日本NTT公司曾派遣一位研究员冈田协助古迪纳夫研究,后在2015年抢先在日本当地于1995年注册了专利,后续各个地区为了保护本地利益,导致LFP专利几乎形同虚设,很多国家都有生产制造能力。

所以其实LFP的规模化量产和应用于电动车已经很长时间了,只不过之前都是搭载于公共交通系统的车辆。

而LFP之所以突然被乘用车消费市场所关注,是源自于去年比亚迪与宁德时代的交锋,也就是比亚迪公开了一段视频,用针刺实验证明了“刀片电池”(LFP的一种特殊封装形式)远比三元锂电池要安全很多、比方型磷酸铁锂电池安全,从而引发了广泛的社会讨论和争议。

(三元锂电池针刺实验,未说明哪种三元锂电池)

(方型磷酸铁锂电池针刺实验)

(比亚迪“刀片电池”针刺实验)

的确,LFP相比于三元锂电池有不少优点。

首先,磷酸铁锂的循环性能好,即循环寿命长。锂电池电量衰退的原因有很多,但与正极材料相关的主要是充放电过程中正极材料结构“晶格塌陷”,造成结构破坏,从而使得一部分正极材料失活。

但磷酸铁锂化合物从分子结构上相较于镍钴锰化合物稳定很多,NCM分子是类似“千层饼”形状,锂离子从两层之间流动,而LFP分子则是“橄榄石”形状,锂离子游走于三维结构缝隙中。即LFP分子结构中即便锂离子“离开”,剩下类似FePo4的结构也相对稳定,而NCM则相对不稳定。(三元锂电池循环寿命在1500~2000次左右,磷酸铁锂则能到4000次左右)

(NCA虽然分子结构与NCM稍有不同,但是存在的问题与NCM差不多)

虽然早期磷酸铁锂电池由于其结构原因,充放电效率较低(形象的说法就是由于结构稳定导致锂离子活动自由度不高),但随着包碳技术(法国世界级锂电科学家米歇尔·阿尔芒发明,并后来与古迪纳夫一起申请了专利,MichelArmand),以及纳米化材料工艺的技术,现在磷酸铁锂电池的充放电功率(即性能)不比三元锂电池差。

其次,LFP安全性高。磷酸铁锂化合物本身的分解温度在700~800度左右,远高于三元锂化合物的200~300度,所以理论安全性高很多;且三元锂电池在发生“热失控”时,会释放氧气,从而进一步加剧反应剧烈程度,而磷酸铁锂化合物中P-O键稳固,难以分解从而杜绝氧气形成,避免连锁效应。

但是,之所以磷酸铁锂一直没能应用于乘用车市场,根本原因在于LFP有几个“原罪”。

首先,LFP的能量密度较低。单电芯目前最顶端也就刚摸到三元锂电池的一般水平。原因在于相比于三元锂来说容量低(单位Ah),且电压低(三元大多在4V以上,磷酸铁锂在3.4V左右),能量即是容量乘以电压(单位Wh)。

其次,最要命的是低温性能差。原因在于正极材料(磷酸铁锂化合物)本身为绝缘体,相比三元锂电池电子导电率低,低温下导电性更为差,致使电池内阻增大,受到极化影响大。即便在加了纳米碳导电剂改良后,虽然有所缓解,但仍未能解决低温的电压降低导致的可用容量降低的问题。

(LFP在不同温度的放电情况)

换句话说,尽管目前的电池技术使得LFP的电池的低温表显有所提升,但是仍然因为低温导致大幅降低可用容量。

最后,测量电量(SoC,State of Charge)较难,由于磷酸铁锂电池的电压在放电时前半段非常稳定,到低电量时会突然掉电压,所以如果BMS(电池管理系统)做的不好,很可能剩余电量出现突然断崖式变化。由此导致的问题不仅仅是使用端的不方便,更多的是如果无法很好检测电芯数据,则更加无法良好的管理充放电策略,从而使得电池寿命减少甚至发生锂枝晶现象导致短路。

所以LFP拥有相比于三元锂电池安全性更高、循环寿命更长、高温环境下性能更好、造价低的优点,使得非常适合公交车、市政车辆等纯电动车型。并且由于公交车体积庞大,并不在乎磷酸铁锂电池的低能量密度,可以利用装载体积庞大的电池包,并且公交车行驶卢路线相对固定且不会很长,所以续航数的波动影响也不大。

但是对于乘用车而言,磷酸铁锂电池的这些缺点是“不可接受”的,所以长久以来都没有应用于乘用车。

不过,比亚迪通过改善LFP电池材料和“刀片电池”的电池包结构,提升了单电芯和电池包的能量密度,摆脱了“短续航”的诟病。但是关于其他LFP天生的缺点,尤其是LFP冬季续航表现时,比亚迪给出的解决办法却多少有些含糊:“材料的性能有所提升、配合热管理系统的加热,已经解决了该问题。”

LFP材料的性能提升大概率没什么疑问,但是热管理系统的好坏就值得商榷了。

电池不背全部锅

目前所有量产纯电动车中,采用的锂电池无外乎NCA(镍钴铝三元锂电池)、NCM(镍钴锰三元锂电池)、LFP(磷酸铁锂电池)这三种,但无论是哪种锂电池,其实都会受到低温的影响,只不过相比于三元锂电池,LFP天生受影响程度较大罢了。

因为目前大部分锂电池,不仅正极材料会产生影响,低温也会影响负极材料和电解液,低温会导致电解液粘稠致使锂电池内阻增加,以及负极材料极化严重致使锂离子沉积、镀膜现象等,导致可用容量下降,放电速率下降(性能)。

也就是说在不加任何外部辅助设备情况下,原生状态下任何锂电池都会随着低温降低可用容量,即减少续航。

所以各家厂商都会在电池包结构中加入热管理系统。

低气温下,利用空调系统的制热系统,通过消耗电能对电池进行升温,一方面恢复电池充放电性能,另一方面防止低温对电池造成不可逆的伤害。

恰恰问题就在这,低气温下,除了电池需要加热之外,车内的乘员同样也需要热风系统,而这就是进一步缩短续航里程的元凶。

目前国内大部分纯电动车的制热系统都是PTC加热,能效比为1,以3000W的功率考虑,那么满功率开启热风一个小时,即消耗3kWh电量,这对于百公里仅需不到20kWh的纯电动车而言,无疑是“奢侈消费”。

当然也有一些纯电动车,例如日产Leaf、现代Kona、特斯拉Model Y等车型采用了热泵系统,0度以上能效比为3左右,基本能节省2/3左右的加热能耗,不过就是当温度将至零下20度以下时,热泵能效比也就降至1了,与PTC并无差距。

不过各家的热管理系统存在诸多差异(PTC制热与热泵制热系统区别,热管理合理性和效率等),最终导致的节省程度不同。

比如利用电机、电路板等多个热源进行统一管理,一方面给该需要降温的部分降温,另一方面将热量有效利用起来,传送给需要加热的电池或者驾驶舱。所以低温对能耗的影响,其本质上还是热管理系统的技术先进程度的高低。

(比如Model Y采用的“章鱼八通阀”就是将多个部分的热管理高度集成化,以实现极高的热量管理效率)

注:低温度下,纯电动车在刚启动时,由于电池需要加热、电机和电路板也还未产热,所以导致该阶段耗电量会很高,行驶一段后才会恢复正常电耗。例如同事的Model 3冬季短路途行驶的电耗甚至高于120km巡航的电耗。所以在EPA标准中,刚启动阶段的行驶工况电耗,会乘以0.33的权重计入。

电动车能耗之所以对制热系统如此敏感,是因为相比于燃油车来说,电动车所携带的能量着实有些少的可怜。一升汽油携带的能量相当于8.9kW·h,一辆普通的燃油车油箱大小约为60升左右,换算成电力约为534kW·h,而目前市场上纯电动车搭载的电池包一般在30kW·h到100kW·h之间,对比之下,燃油车携带的能源大概是纯电动车的5~18倍之间。

与此同时,燃油车使用能源的综合效率可能仅有20-30%左右,而电动车则有80%左右。即燃油车加热采用的是浪费掉的发动机热能,并不怎么影响油耗,倒是电动车的加热系统是实打实来自“用于行驶
”的能源。由此导致了开启空调后,会对续航产生巨大影响。

举个例子,根据AAA测试报告结果显示,零下7度开暖风的续航情况,2018款宝马i3续航下降46%,2018款雪佛兰Bolt续航下降47%,2018日产凌风下降32%,2017款Model S续航下降38%;零下7度不开暖风情况下,四款车续航下降则分别为14%、10.4%、10.8%、11.1%。

注:上述四款车型中日产凌风和宝马i3搭载了热泵系统,其他两款均为PTC加热;另外上述四款均为三元锂电池。

足矣可见除了温度对电池本身性能影响外,热管理系统对续航影响程度之大。

也就意味着,低温情况下纯电动车的续航表现,电池化学材料本身的影响是一方面,整车的热管理系统的能效比是更重要的一方面。所以在目前电池技术的限制下,车辆在冬季的实际续航“缩水”情况除了看电池不同外,重点还要看各家在热管理系统中下的功夫。

因为无论采用什么电池,只要热管理能够将电池迅速恢复最佳工作温度,那么电池的表现是差距不大的。所以从技术角度上说,如果热管理系统做到足够好,无论是三元锂电池还是磷酸铁锂电池,都能保证差不多的低温续航表现,不同车型之间的差距就在热管理系统上。

迷茫无助的消费者

其实厂商都知道磷酸铁锂电池的低温性能不佳,但就连马斯克也明确说了,之后基础款车型都会采用LFP电池,原因就是成本低。

成本降低就能使得售价更低,间接使得产品性价比提升,直接结果就是销量的增长。11月份新能源车辆销量前四名中,除了Model 3有磷酸铁锂和NCA两种版本之外,其他三个都是搭载的磷酸铁锂电池。

这不,就连小鹏G3的磷酸铁锂版本也通过了工信部认证,即将推出市场。

但问题是,广大消费者并非个个都是电动车专家,他们不明白不同电池、不同热管理系统对续航的影响程度,也不会懂为什么“标称续航”与实际续航之间存在不小的差距。

甚至哪怕在温度非常合适的情况下,消费者购买的电动车续航也与宣传续航之间也存着差距。

宣传续航数是根据不同地区的法律法规要求来测试的结果,即稍微细心的人会发现,完全相同的一款车型,在不同地区的续航各不相同。

由于不同标准中对测量电动车续航的严格程度不同,所以测试结果各不相同。以续航数值来看,NEDC>WLTP>EPA。换算方式为NEDC续航数乘以0.7差不多为EPA续航数,WLTP续航乘以0.9差不多为EPA续航(估算值,并不绝对准确)。不过即便是最为严苛的EPA续航数,其实也会与实际续航里程有差距。

注:中国采用的是NEDC标准(New European Driving Cycle,新欧洲驾驶循环),欧洲采用的是WLTP(Worldwide Harmonised Light Vehicles Test Procedure,欧洲提出的轻型车测试循环)标准,而美国则采用的是EPA(Environmental Protection Agency,美国环境保护总署)标准。

可谓是“宣传仅为参考,一切以实际为准”。

如果仅仅是宣传续航和实际续航不符也就罢了,其实表显续航中也有“古怪”。

首先,如果厂商懒省事,就直接将NEDC测试结果设定为最大值,或者添加WLTP续航数为备选项,然后根据测量剩余电量百分比,对表显续航里程进行变化。所以用户感知到的就是实际走的里程,明显小于表显减少的里程数。在这种模式下,每次充满电,表显里程数都会基本保持一致。

注:其中比较特别的只有特斯拉,采用的EPA续航测试结果为表显值,所以很多车主拿到车后表显里程就与中国官网上宣传的数据相差很多。

其次,稍微用心的厂商,表显里程并非为固定值,会根据近期车辆使用情况,计算一个相对平均值,对表显续航进行调整。比如近期一直激烈驾驶,充满电后表显续航就会少于一直平稳驾驶。这样做的好处是让用户更加直观感知以自己驾驶习惯还能行驶多少里程。但由于用户并不了解这个原因,就会导致让用户产生电池衰减或者续航“缩水”的错觉。

除了专家或者以这些信息为生的汽车编辑,大多数普通消费者很难了解或者理解上述这些信息。

由此导致的最大问题就是,车主对实际续航的认知就如同“薛定谔的猫”,“量子态”的实际续航让用户完全捉摸不透自己的真正自由活动范围能有多大。

更别说在冬天低气温下,“缩水”的续航不仅会让用户活动范围减小,还会连带产生充电排队等诸多更多的麻烦。

以限牌城市北京为例,全北京纯电动汽车保有量在40多万量左右,而目前全北京充电桩(快充、慢充)统计数量仅为20万个,即便抛去一部分“换电”的出租车,仍有大量运营车辆每天都需要充电,这就会直接导致充电桩不够用。

当然,无论从驾驶体验和使用成本角度,还是从国家能源战略角度,纯电动车是大趋势这无可厚非。但是不完善的测试标准、厂商的技术差异、充电设施的数量不足,都在真真切切地“冰冻”着电动车主的内心。

如果你身处南方城市,那么恭喜你,你只需要考虑低温性能之外的“麻烦”就行了;而如果你身处北方城市且在限牌城市,那么很不幸,在购买电动车之前,请认认真真的做点功课,不然你就有可能是充电桩旁边那个最靓的“军大衣哥”。

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谁掀开了电动车的遮羞布
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