這不,前幾天一位網友聲稱,自己駕駛的比亞迪漢EV在經過多次冬季試驗後,發現充滿一次電後的實際續航僅有230公裡,遠遠低於官方宣傳的600公裡續航,幾乎縮水瞭三分之二,甚至還發生過剩餘續航突然斷崖式減少的情況。

(圖/新浪財經)

甚至有網友拿出當初比亞迪推出“刀片電池”時的官方PPT來調侃:“按照柱狀圖比例,百分比顯然是100%、70%、40%、40%,做PPT的人還是誠實的。”

事情在網絡上發酵一陣後,比亞迪給出的官方說法是“車主存在原地怠速用電並且開空調的情況”,導致實際續航大幅“縮水”。

無獨有偶,搭載著同樣磷酸鐵鋰電池的特斯拉Model 3標準續航升級版,以及搭載著磷酸鐵鋰的五菱宏光MINI EV也有車主遇到瞭類似的問題。

很顯然,所有的矛頭都指向同一個東西——磷酸鐵鋰電池,那麼這個去年被譽為將能擊潰三元鋰電池的“英雄”,怎麼突然不行瞭呢?

磷酸鐵鋰電池的原罪

LFP(磷酸鐵鋰電池)最早是由古迪納夫(2019年諾貝爾化學獎獲得者之一)發明的,於1996年德州大學代表古迪納夫實驗室向美國申請瞭專利(WO1997040541)。不過之前日本NTT公司曾派遣一位研究員岡田協助古迪納夫研究,後在2015年搶先在日本當地於1995年註冊瞭專利,後續各個地區為瞭保護本地利益,導致LFP專利幾乎形同虛設,很多國傢都有生產制造能力。

所以其實LFP的規模化量產和應用於電動車已經很長時間瞭,隻不過之前都是搭載於公共交通系統的車輛。

而LFP之所以突然被乘用車消費市場所關註,是源自於去年比亞迪與寧德時代的交鋒,也就是比亞迪公開瞭一段視頻,用針刺實驗證明瞭“刀片電池”(LFP的一種特殊封裝形式)遠比三元鋰電池要安全很多、比方型磷酸鐵鋰電池安全,從而引發瞭廣泛的社會討論和爭議。

(三元鋰電池針刺實驗,未說明哪種三元鋰電池)

(三元鋰電池針刺實驗,未說明哪種三元鋰電池)

(方型磷酸鐵鋰電池針刺實驗)

(方型磷酸鐵鋰電池針刺實驗)

(比亞迪“刀片電池”針刺實驗)

(比亞迪“刀片電池”針刺實驗)

的確,LFP相比於三元鋰電池有不少優點。

首先,磷酸鐵鋰的循環性能好,即循環壽命長。鋰電池電量衰退的原因有很多,但與正極材料相關的主要是充放電過程中正極材料結構“晶格塌陷”,造成結構破壞,從而使得一部分正極材料失活。

但磷酸鐵鋰化合物從分子結構上相較於鎳鈷錳化合物穩定很多,NCM分子是類似“千層餅”形狀,鋰離子從兩層之間流動,而LFP分子則是“橄欖石”形狀,鋰離子遊走於三維結構縫隙中。即LFP分子結構中即便鋰離子“離開”,剩下類似FePo4的結構也相對穩定,而NCM則相對不穩定。(三元鋰電池循環壽命在1500~2000次左右,磷酸鐵鋰則能到4000次左右)

(NCA雖然分子結構與NCM稍有不同,但是存在的問題與NCM差不多)

(NCA雖然分子結構與NCM稍有不同,但是存在的問題與NCM差不多)

雖然早期磷酸鐵鋰電池由於其結構原因,充放電效率較低(形象的說法就是由於結構穩定導致鋰離子活動自由度不高),但隨著包碳技術(法國世界級鋰電科學傢米歇爾·阿爾芒發明,並後來與古迪納夫一起申請瞭專利,MichelArmand),以及納米化材料工藝的技術,現在磷酸鐵鋰電池的充放電功率(即性能)不比三元鋰電池差。

其次,LFP安全性高。磷酸鐵鋰化合物本身的分解溫度在700~800度左右,遠高於三元鋰化合物的200~300度,所以理論安全性高很多;且三元鋰電池在發生“熱失控”時,會釋放氧氣,從而進一步加劇反應劇烈程度,而磷酸鐵鋰化合物中P-O鍵穩固,難以分解從而杜絕氧氣形成,避免連鎖效應。

但是,之所以磷酸鐵鋰一直沒能應用於乘用車市場,根本原因在於LFP有幾個“原罪”。

首先,LFP的能量密度較低。單電芯目前最頂端也就剛摸到三元鋰電池的一般水平。原因在於相比於三元鋰來說容量低(單位Ah),且電壓低(三元大多在4V以上,磷酸鐵鋰在3.4V左右),能量即是容量乘以電壓(單位Wh)。

其次,最要命的是低溫性能差。原因在於正極材料(磷酸鐵鋰化合物)本身為絕緣體,相比三元鋰電池電子導電率低,低溫下導電性更為差,致使電池內阻增大,受到極化影響大。即便在加瞭納米碳導電劑改良後,雖然有所緩解,但仍未能解決低溫的電壓降低導致的可用容量降低的問題。

(LFP在不同溫度的放電情況)

(LFP在不同溫度的放電情況)

換句話說,盡管目前的電池技術使得LFP的電池的低溫表顯有所提升,但是仍然因為低溫導致大幅降低可用容量。

最後,測量電量(SoC,State of Charge)較難,由於磷酸鐵鋰電池的電壓在放電時前半段非常穩定,到低電量時會突然掉電壓,所以如果BMS(電池管理系統)做的不好,很可能剩餘電量出現突然斷崖式變化。由此導致的問題不僅僅是使用端的不方便,更多的是如果無法很好檢測電芯數據,則更加無法良好的管理充放電策略,從而使得電池壽命減少甚至發生鋰枝晶現象導致短路。

所以LFP擁有相比於三元鋰電池安全性更高、循環壽命更長、高溫環境下性能更好、造價低的優點,使得非常適合公交車、市政車輛等純電動車型。並且由於公交車體積龐大,並不在乎磷酸鐵鋰電池的低能量密度,可以利用裝載體積龐大的電池包,並且公交車行駛盧路線相對固定且不會很長,所以續航數的波動影響也不大。

但是對於乘用車而言,磷酸鐵鋰電池的這些缺點是“不可接受”的,所以長久以來都沒有應用於乘用車。

不過,比亞迪通過改善LFP電池材料和“刀片電池”的電池包結構,提升瞭單電芯和電池包的能量密度,擺脫瞭“短續航”的詬病。但是關於其他LFP天生的缺點,尤其是LFP冬季續航表現時,比亞迪給出的解決辦法卻多少有些含糊:“材料的性能有所提升、配合熱管理系統的加熱,已經解決瞭該問題。”

LFP材料的性能提升大概率沒什麼疑問,但是熱管理系統的好壞就值得商榷瞭。

電池不背全部鍋

目前所有量產純電動車中,采用的鋰電池無外乎NCA(鎳鈷鋁三元鋰電池)、NCM(鎳鈷錳三元鋰電池)、LFP(磷酸鐵鋰電池)這三種,但無論是哪種鋰電池,其實都會受到低溫的影響,隻不過相比於三元鋰電池,LFP天生受影響程度較大罷瞭。

因為目前大部分鋰電池,不僅正極材料會產生影響,低溫也會影響負極材料和電解液,低溫會導致電解液粘稠致使鋰電池內阻增加,以及負極材料極化嚴重致使鋰離子沉積、鍍膜現象等,導致可用容量下降,放電速率下降(性能)。

也就是說在不加任何外部輔助設備情況下,原生狀態下任何鋰電池都會隨著低溫降低可用容量,即減少續航。

所以各傢廠商都會在電池包結構中加入熱管理系統。

低氣溫下,利用空調系統的制熱系統,通過消耗電能對電池進行升溫,一方面恢復電池充放電性能,另一方面防止低溫對電池造成不可逆的傷害。

恰恰問題就在這,低氣溫下,除瞭電池需要加熱之外,車內的乘員同樣也需要熱風系統,而這就是進一步縮短續航裡程的元兇。

目前國內大部分純電動車的制熱系統都是PTC加熱,能效比為1,以3000W的功率考慮,那麼滿功率開啟熱風一個小時,即消耗3kWh電量,這對於百公裡僅需不到20kWh的純電動車而言,無疑是“奢侈消費”。

當然也有一些純電動車,例如日產Leaf、現代Kona、特斯拉Model Y等車型采用瞭熱泵系統,0度以上能效比為3左右,基本能節省2/3左右的加熱能耗,不過就是當溫度將至零下20度以下時,熱泵能效比也就降至1瞭,與PTC並無差距。

不過各傢的熱管理系統存在諸多差異(PTC制熱與熱泵制熱系統區別,熱管理合理性和效率等),最終導致的節省程度不同。

比如利用電機、電路板等多個熱源進行統一管理,一方面給該需要降溫的部分降溫,另一方面將熱量有效利用起來,傳送給需要加熱的電池或者駕駛艙。所以低溫對能耗的影響,其本質上還是熱管理系統的技術先進程度的高低。

(比如Model Y采用的“章魚八通閥”就是將多個部分的熱管理高度集成化,以實現極高的熱量管理效率)

(比如Model Y采用的“章魚八通閥”就是將多個部分的熱管理高度集成化,以實現極高的熱量管理效率)

註:低溫度下,純電動車在剛啟動時,由於電池需要加熱、電機和電路板也還未產熱,所以導致該階段耗電量會很高,行駛一段後才會恢復正常電耗。例如同事的Model 3冬季短路途行駛的電耗甚至高於120km巡航的電耗。所以在EPA標準中,剛啟動階段的行駛工況電耗,會乘以0.33的權重計入。

電動車能耗之所以對制熱系統如此敏感,是因為相比於燃油車來說,電動車所攜帶的能量著實有些少的可憐。一升汽油攜帶的能量相當於8.9kW·h,一輛普通的燃油車油箱大小約為60升左右,換算成電力約為534KW·h,而目前市場上純電動車搭載的電池包一般在30kW·h到100kW·h之間,對比之下,燃油車攜帶的能源大概是純電動車的5~18倍之間。

與此同時,燃油車使用能源的綜合效率可能僅有20-30%左右,而電動車則有80%左右。即燃油車加熱采用的是浪費掉的發動機熱能,並不怎麼影響油耗,倒是電動車的加熱系統是實打實來自“用於行駛

”的能源。由此導致瞭開啟空調後,會對續航產生巨大影響。

舉個例子,根據AAA測試報告結果顯示,零下7度開暖風的續航情況,2018款寶馬i3續航下降46%,2018款雪佛蘭Bolt續航下降47%,2018日產凌風下降32%,2017款Model S續航下降38%;零下7度不開暖風情況下,四款車續航下降則分別為14%、10.4%、10.8%、11.1%。

註:上述四款車型中日產凌風和寶馬i3搭載瞭熱泵系統,其他兩款均為PTC加熱;另外上述四款均為三元鋰電池。

足矣可見除瞭溫度對電池本身性能影響外,熱管理系統對續航影響程度之大。

也就意味著,低溫情況下純電動車的續航表現,電池化學材料本身的影響是一方面,整車的熱管理系統的能效比是更重要的一方面。所以在目前電池技術的限制下,車輛在冬季的實際續航“縮水”情況除瞭看電池不同外,重點還要看各傢在熱管理系統中下的功夫。

因為無論采用什麼電池,隻要熱管理能夠將電池迅速恢復最佳工作溫度,那麼電池的表現是差距不大的。所以從技術角度上說,如果熱管理系統做到足夠好,無論是三元鋰電池還是磷酸鐵鋰電池,都能保證差不多的低溫續航表現,不同車型之間的差距就在熱管理系統上。

迷茫無助的消費者

其實廠商都知道磷酸鐵鋰電池的低溫性能不佳,但就連馬斯克也明確說瞭,之後基礎款車型都會采用LFP電池,原因就是成本低。

成本降低就能使得售價更低,間接使得產品性價比提升,直接結果就是銷量的增長。11月份新能源車輛銷量前四名中,除瞭Model 3有磷酸鐵鋰和NCA兩種版本之外,其他三個都是搭載的磷酸鐵鋰電池。

這不,就連小鵬G3的磷酸鐵鋰版本也通過瞭工信部認證,即將推出市場。

但問題是,廣大消費者並非個個都是電動車專傢,他們不明白不同電池、不同熱管理系統對續航的影響程度,也不會懂為什麼“標稱續航”與實際續航之間存在不小的差距。

甚至哪怕在溫度非常合適的情況下,消費者購買的電動車續航也與宣傳續航之間也存著差距。

宣傳續航數是根據不同地區的法律法規要求來測試的結果,即稍微細心的人會發現,完全相同的一款車型,在不同地區的續航各不相同。

由於不同標準中對測量電動車續航的嚴格程度不同,所以測試結果各不相同。以續航數值來看,NEDC>WLTP>EPA。換算方式為NEDC續航數乘以0.7差不多為EPA續航數,WLTP續航乘以0.9差不多為EPA續航(估算值,並不絕對準確)。不過即便是最為嚴苛的EPA續航數,其實也會與實際續航裡程有差距。

註:中國采用的是NEDC標準(New European Driving Cycle,新歐洲駕駛循環),歐洲采用的是WLTP(Worldwide Harmonised Light Vehicles Test Procedure,歐洲提出的輕型車測試循環)標準,而美國則采用的是EPA(Environmental Protection Agency,美國環境保護總署)標準。

可謂是“宣傳僅為參考,一切以實際為準”。

如果僅僅是宣傳續航和實際續航不符也就罷瞭,其實表顯續航中也有“古怪”。

首先,如果廠商懶省事,就直接將NEDC測試結果設定為最大值,或者添加WLTP續航數為備選項,然後根據測量剩餘電量百分比,對表顯續航裡程進行變化。所以用戶感知到的就是實際走的裡程,明顯小於表顯減少的裡程數。在這種模式下,每次充滿電,表顯裡程數都會基本保持一致。

註:其中比較特別的隻有特斯拉,采用的EPA續航測試結果為表顯值,所以很多車主拿到車後表顯裡程就與中國官網上宣傳的數據相差很多。

其次,稍微用心的廠商,表顯裡程並非為固定值,會根據近期車輛使用情況,計算一個相對平均值,對表顯續航進行調整。比如近期一直激烈駕駛,充滿電後表顯續航就會少於一直平穩駕駛。這樣做的好處是讓用戶更加直觀感知以自己駕駛習慣還能行駛多少裡程。但由於用戶並不瞭解這個原因,就會導致讓用戶產生電池衰減或者續航“縮水”的錯覺。

除瞭專傢或者以這些信息為生的汽車編輯,大多數普通消費者很難瞭解或者理解上述這些信息。

由此導致的最大問題就是,車主對實際續航的認知就如同“薛定諤的貓”,“量子態”的實際續航讓用戶完全捉摸不透自己的真正自由活動范圍能有多大。

更別說在冬天低氣溫下,“縮水”的續航不僅會讓用戶活動范圍減小,還會連帶產生充電排隊等諸多更多的麻煩。

以限牌城市北京為例,全北京純電動汽車保有量在40多萬量左右,而目前全北京充電樁(快充、慢充)統計數量僅為20萬個,即便拋去一部分“換電”的出租車,仍有大量運營車輛每天都需要充電,這就會直接導致充電樁不夠用。

當然,無論從駕駛體驗和使用成本角度,還是從國傢能源戰略角度,純電動車是大趨勢這無可厚非。但是不完善的測試標準、廠商的技術差異、充電設施的數量不足,都在真真切切地“冰凍”著電動車主的內心。

如果你身處南方城市,那麼恭喜你,你隻需要考慮低溫性能之外的“麻煩”就行瞭;而如果你身處北方城市且在限牌城市,那麼很不幸,在購買電動車之前,請認認真真的做點功課,不然你就有可能是充電樁旁邊那個最靚的“軍大衣哥”。

Source: m.cnbeta.com