冬季续航直接减半!电动汽车为啥这么怕冷?

受电池技术所限,电动汽车的续航里程普遍都不长,但如果标称续航里程真实靠谱的话,车主们养成了固定的驾驶习惯与充电节奏,日常使用时虽然充电要费些时间,但也不会有太大问题。然而事与愿违,电动汽车的续航里程通常并不那么靠谱,尤其是在冬季气温下降之后,续航里程会直线下降。

电动汽车的冬季能耗为什么会很高?

2018年冬季来临了,很多车主又在吐槽并晒出电动汽车飙升的能耗数据了,那么为什么电动汽车在低温下能耗会很高呢?原因来自多个方面:

  1. 冬季空气密度大,风阻增加;(影响较小,跑高速时的影响会略大一些)
  2. 冬季胎压下降,轮胎阻力增加;(影响较小,补气后无影响)
  3. 锂离子电池低温下活性低,内阻增加,放电时会有额外损耗;(影响中等)
  4. 低温下不能大功率充电,因此动能回收功能将受限甚至禁用;(影响中等)
  5. 为防止电池低温下充放电性能损失过大,电池主动加热系统会开始工作。(影响中等)
  6. 冬季开热风,电加热能耗很高;(影响很大)

其中第一条和第二条,燃油车也同样受影响,但影响较小基本可以忽略。而三四五六条就是电动汽车的独有特性了,尤其是三四五条都与电池有关,接下来就为大家详细分析其中的原理。

锂离子电池在低温下的性能表现

锂离子电池的化学结构决定了它的性能对温度非常敏感,化学反应的激烈程度与温度息息相关,温度太高了反应太激烈容易失控,温度太低了反应太慢性能受限。具体来说,低温下锂离子电池的表现如下:

1.放电容量

以目前的主流三元锂电池为例,低温下的放电容量如下图,磷酸铁锂的话损耗会更大一些。

冬季续航直接减半!电动汽车为啥这么怕冷?

放电容量损失的原因主要就是电解液在低温下变得更加粘稠,离子运动活性降低,内阻增大,-20°C时电池内阻是25°C时的7-10倍之多。

具体在电动汽车的能耗与续航上面,损耗会略小于上图的数据。因为低温下较大的内阻把损失的能量都变成了热量,所以电池温度会缓慢回升,这样电动车在驾驶的后半程能耗会逐步下降。

大致上可以理解为,当气温降至零下时,对能耗的影响约为10%以上,续航也同比缩水。

2.充/放电功率

低温下电池容量的损失其实不算太大,但输出功率的损失就很明显了:

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首先解释一个名词,上图中的C值就是电池的充放电倍率,充放电倍率=充放电电流/额定容量。例如:额定容量为100Ah的电池用100A放电时,其放电倍率为1C。换一种说法会更容易理解,就是一块电池最快可以在1小时内充满/放空就是1C,充电倍率的C值高代表充电速度快,放电倍率的C值高代表电池的功率大。

所以,气温一旦降至零下,电池的放电功率会直接减半,如果电池的功率没有设计余量的话(即远超电机功率),那么电动车冬季的加速性能会损失惨重。

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上图为特斯拉Model X的功率表,其中虚线表示不可用,可以看到加速功率损失约3成(电池放电功率受限),动能回收几乎没有了(电池充电功率受限)。特斯拉的性能车型P100D在开启狂暴模式时需要先加热电池,就是为了最大化电池的放电功率。

电池充放电功率受限,直接影响加速性能和充电速度,但对于能耗与续航也有影响,因为有动能回收。电动车在减速时可以通过电动机来发电,回充到电池保存起来,如果动能回收可以全功率工作的话,根据驾驶习惯的不同,续航可以延长15-20%。但如果低温下动能回收受限的话,那就只能回收少部分功率给车内电子设备供电(包括取暖),而绝大多数动能只能用刹车片浪费掉。所以,低温时电动车因为动能回收不可用会导致能耗升高约10%以上,续航同比缩水。

低温下限制动能回收就是为了避免电池大功率充电,所以此时去充电桩充电的话,您会发现充电速度会非常慢,直流快充桩的速度可能还不如家用交流慢充桩快,从最快几十kW上百kW降至个位数。充电时必须先把电池加热至0°C以上功率才能恢复至10+kW,10°C以上才会保证30+kW快充的速度,以前1个小时充到80%电量还可以接受的话,那么冬季动辄2小时以上就让人很崩溃了。

3.电池寿命

与很多人的常识相反,低温下锂离子电池的理论寿命反而会延长,电池最怕的是高温而不是低温。这里强调一下寿命指的是循环寿命,而不是电池充满电后的续航,续航缩水问题在第1条已经讲清楚了。

由于低温时电池在BMS系统的严格保护下充放电功率和可用电量均会受到限制,而且内部化学反应活性降低,可用锂离子的日常消耗会下降,所以使用寿命会延长。即使考虑到冬季需要更频繁的充电,当总放电电量相同时,低温下电池的容量损失也更少,使用寿命更长。

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4.电池加热

低温下电池内阻增大并且动能回收受限导致续航双重缩水,那么加热电池可以将损失的续航补回来吗?由于加热电池时的能耗非常大,此消彼长,所以电池加热还真不一定能延长续航。

现在大多数电动汽车都支持电池加热功能,加热的主要目的是防止动力性能下降太明显、动能回收受限、充电速度变慢等导致使用体验变差的问题,而不是为了延长电池寿命,也不一定能延长续航。

如果是10公里以内短途出行,那么电池刚刚被加热就到达目的地了,加热电池消耗的能量没能通过后期的动能回收补回来,所以电池加热反而会提高能耗。更长的出行距离才会发挥出电池加热的优势。所以电池加热对于能耗与续航里程的影响因人而异,也不好估算。

由于电池加热很费电,所以有些电动汽车品牌选择了加装燃油加热系统的方式来专门加热电池,从而延长续航,也不失为一个投机取巧的方案。

真正的电老虎——空调热风

前面提到的低温对电动车能耗的影响,最多也就百分之十几,全加在一起也就百分之三十四,而真正像黑洞一样吸取能量的则是空调热风,想要在冬季把电动车加热至和燃油车一样温暖的程度,那你就得做好能耗翻倍、续航腰斩的心理准备。

燃油车的空调热风大家都知道,用的是给发动机降温的水循环回路,这些本就是内燃机工作时产生的废热,它平时都要被浪费在空气中,而在冬季它正好可以被利用起来用风扇把热风吹到车厢内,燃油车在冬季要做的,仅仅是额外供应鼓风机的能量而已,所以油耗增加并不明显。

热效率最高的内燃机也就40%左右,60%都以热能的形式浪费掉,想想看汽车在冬季行驶时发动机有一半的能量都可以用来加热车厢,这是多么奢侈的行为?电动汽车要是用一半的电池能量加热车厢,那续航可就不止是减半了。

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贴片式PTC加热片,一般用来加热电池组

电动汽车的电动机、电池组、逆变器等工作效率都很高,产生的废热较少难以收集利用,所以电动汽车的空调热风只能用自身制热的方式提供。目前使用最广的方案是PTC热敏陶瓷元件加热,把电能转换为热能,说白了就类似于电阻丝,但是一种安全高效容易控制的电阻丝。当然给电池加热也是用PTC。

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特斯拉官方给出延长续航的手段是:别开空调,空调最耗电

为了降低热风的能耗,有的电动汽车品牌会使用带制热功能的空调系统或者提供选装方案,也就是通常所说的“热泵”,原理就是反向空调,通过压缩机给车外制冷、车内散热,与空调在夏季制冷时的方向相反。热泵在环境温度不太低时(0°C左右)的能效确实远高于PTC,可节能一半左右,但当气温降至-10°C甚至更低温度下,热泵效率会明显下降,另外制热功率也可能不足。因此热泵有局限性,适合冬季不太寒冷的南方地区选装。

理想智造ONE如何解决冬季里程衰减问题

通过前文的介绍可以知道,冬季的低温环境对纯电动汽车有着牵一发而动全身的负面影响,任何纯电动车都无法避免冬季里程衰减问题,只是衰减程度有高有低,毕竟能量是守恒的,加热车舱与电池都需要消耗能量,能量从哪儿来呢?

作为增程式电动车,理想智造ONE的增程器是1.2T涡轮增压发动机带动发电机,为驱动电机和电池组提供电能。那么发动机的废热就可以充分利用起来,为空调和电池组加热了。

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理想智造ONE的热管理系统

我们和法雷奥公司合作,为理想智造ONE打造了一套极为先进的热管理系统,采用了贯穿增程发电系统、电池组、空调系统的水循环架构,在低温环境下可充分利用增程器热量为电池和空调加热,高温环境下也能通过压缩机来给电池和空调降温。通过智能的控制各个系统水循环阀门的开合,在低温环境下充分利用废热来给座舱和电池加热,在高温下给动力系统散热并给座舱降温,确保它们都能工作在最佳状态下或处于舒适的温度区间。

理想智造ONE在启动增程器且热机完成后,加热座舱和电池都无需消耗额外的能量,所以冬季的性能衰减很少,续航衰减也很少。不过,当理想智造ONE的电池满电时启动增程器也会有一定的浪费,所以我们设定为满电时空调先使用PTC电加热,这样理想智造ONE在冬季时还是会有一些损失,里程衰减幅度如下:

冬季续航直接减半!电动汽车为啥这么怕冷?

上图中传统电动车冬季里程衰减的数据其实很保守,只要空调稍微开高一些,或者电动车晚上停在户外冻一晚上,在-10°C时的里程衰减都会超过50%。

而理想智造ONE则通过先进的热管理系统一劳永逸的解决了电动车在低温下存在的所有问题,加热电池可以恢复容量、可以保证动能回收始终高效可用、可以保证动力性能不衰减、可以保证最快的充电速度、空调可以随心所欲的往高了开。

冬季续航直接减半!电动汽车为啥这么怕冷?

 

那么在更低温度下,比如-30°C以下理想智造ONE会不会有里程和性能衰减呢?在今年冬季最寒冷的时候,我们将开着理想智造ONE到东北的黑河和牙克石,在极寒之地进行增程器及热管理系统的耐久测试,感兴趣的朋友们可以持续关注我们的官方微博和微信,期待理想智造ONE的表现吧。

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