过去的冬天北方很多电动车变成“电动爹”。低温为何成新能源车“软肋”？是给电池穿棉衣？还是研发固态锂电池？还是研发超级快充？
撰文/记者 赵天宇 编辑/陈永杰
新媒体编辑/房永珍
采访专家：
胡道中（中国北方车辆研究所动力电池实验室主任）
张 强（清华大学化学工程系教授）
“我在-20°C的北京街头开‘电动爹’，趴窝了……”
在刚刚过去的冬天，与北方低温一起冰冻的，还有无数绿牌新能源汽车的心。在几十年不遇的寒潮天气当中，电动汽车动力电池较差的低温性能，再一次被放大，甚至到了无法挽救的地步，这让“电动爹”的戏称不胫而走，并开始在朋友圈内广泛流传。
电动汽车销量快速增长的背后，充电难和（冬天）行驶里程缩水已经成为许多车主面临的首要难题，如果说充电难的问题，随着政策和建设的提升有望缓解，那动力电池低温性能差、行驶里程缩水，就成为了不少车主心中挥之不去的阴影。
锂离子的“焦虑”与“无奈”
电动车为什么会被调侃为“电动爹”？在北方的寒冬里，满电的电动车，静置一晚能掉电一半；行驶起来以后，续航里程缩水三成甚至五成；天气太冷打开空调，电量随即呈现指数级的衰减，如同“伺候爹”一样，不得不频繁地进行一次又一次的充电。
低温之所以成为续航的致命杀手，从根源上分析，最主要的原因，还是出在电动汽车的动力核心电池上。
目前，纯电动汽车搭载的动力电池主要有两种，即三元锂电池和磷酸铁锂电池两种，实际上使用三元锂电池的乘用车数量更多。但不管是哪一种电池，锂离子都是重要的元素，它们的原理相似，都是以“摇椅式”电化学储能。
什么叫做“摇椅式”电化学储能？当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极，而在放电过程中，锂离子需要从负极到达正极。
▲锂电池工作原理 （图片来自网络）
整个过程当中，锂离子始终处于从正极→负极→正极的运动状态，就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就像运动员一样在摇椅上来回奔跑。
但是从负极到达正极需要穿过一层固体电解质界面膜（简称SEI膜）。在低温环境中，锂离子活性会变小，流动性会变差，这时穿过SEI膜就会变得困难，也就难以克服电解液传导的阻抗，最终导致电流变小，甚至停止工作。
这也就不难理解，为什么气温骤降时，电动车不仅掉电特别快，甚至连充电也很困难有人用慢充充电五六个小时，电量显示依然不到50%。
磷酸铁锂电池不是“救命稻草”
2020年年初，比亚迪高调发布了全新结构的磷酸铁锂电池刀片电池，让未来新能源电池的技术之争多了不少看点。除了高安全性以外，长续航也是其卖点之一。全新结构的磷酸铁锂电池会是冬季续航的“救命稻草”吗？实际情况也并非如此。
▲比亚迪推出的刀片电池 （图片来自网络）
中国北方车辆研究所动力电池实验室主任胡道中对记者分析，从数据和结构上来说，三元锂电池在低温性能方面，其实是优于磷酸铁锂电池的，因为磷酸铁锂电池采用的是八面体橄榄石结构，锂离子在迁移过程当中阻力更大。
“从实际表现上来看，三元锂电池和磷酸铁锂电池低温表现都不怎么样，因为这不仅和电池材料有关，还和电池包的矫正管理设计有关系。”胡道中表示，只是相比较于三元锂电池而言，磷酸铁锂电池目前的表现，只能用惨不忍睹来形容。
例如磷酸铁锂电池版本的特斯拉Model 3，有车主反映冬季续航直接缩水五成；再比如搭载刀片电池的比亚迪汉EV，尽管顶着超长续航的头衔，但实际续航与官方数据相比，最高缩水甚至达到7成。这让不少消费者大跌眼镜。
而实验数据也显示，磷酸铁锂电池在0℃环境下容量保持率约为60%-70%，零下10℃时衰减到40%-55%，零下20℃只剩下20%-40%。这与磷酸铁锂电池在实际使用当中的表现是基本一致的。
▲磷酸铁锂电池在低温环境下表现差劲 （图片来自网络）
但从另一个角度来看，磷酸铁锂电池造价相对较低，稳定性方面也优于三元锂电池。这显然是车企控制成本的不错选择，比如特斯拉Model 3，降价的重要原因之一，就是换装了成本更低的磷酸铁锂电池，虽然对外宣称续航里程更长，但实际上给冬季续航带来更大的挑战。
低温环境是重要影响
胡道中表示，从不同温度对于锂电池的影响来看，20℃左右是电动汽车最理想的工作温度，从5℃开始电动车能耗就开始上升，有观点认为零下5℃是重要的分界线，但零下5度也并非严格意义上的界限，温度越低，锂电池的活性就越差，续航缺陷也就越明显。
按照这样的计算标准，我国冬季黄河以北省份的新能源车主，都面临着车辆续航缩水的问题，且越往北就越明显。
▲温度越低，锂电池的活性就越差，续航缺陷也就越明显（图片来自网络）
当然，除了锂离子属性导致锂电池天然拖后腿以外，冬季续航衰减和车辆设计、驾驶习惯、额外加热设备都有关系，而低温环境对这些因素都会产生比较明显的影响。
科学地进行分析不难发现，新能源车的能耗主要分为三方面，一是行驶过程当中的阻力，二是来自“额外”的暖风和座椅加热等用电设备，三是能量回收效率高低。
首先是行驶过程当中的阻力，根据空气阻力公式：F=(1/2)CρSV2（C为空气阻力系数；ρ为空气密度；S物体迎风面积；V为物体与空气的相对运动速度），温度越低，空气密度ρ就越大，汽车行驶过程当中的阻力也就越大，消耗的能耗也就越多，电动车的续航也就降低了。
其次是车内的额外用电设备，以暖风和座椅加热为主，与普通燃油车相比，新能源车采用的是PTC加热片。这种加热片其实就是电加热，虽然升温快功效好，但消耗电量也相当高，这也是导致新能源车主“暖风恐惧”“穿羽绒服开电动车”的重要原因。
最后是电动汽车能量回收效率的问题，为了节约电量重复利用，不少新能源车都有制动回收功能，可以为车辆贡献10%-15%的续航里程。但在低温环境下，电池充电性能受到影响，为了保护电池，车辆会自动选择少回收制动能量，或者干脆不回收制动能量，无形中也压缩了续航里程。
由此可见，以目前的技术来看，电动车冬天续航衰减是业内普遍现象，也是新能源车的通病，找到解决问题的方法，依然需要从电池材料和充电技术方面“双管齐下”。
“三招”剑指电池软肋
在中国新能源车已经实现“弯道超车”取得先发优势的前提下，如果此时被绊倒在冬天续航这个“坎”上，让竞争对手迎头赶上，很可能痛失“先手”，浪费一副好牌。在续航焦虑成为行业突出痛点的当下，谁能能够通过创新研发技术突破，解决冬季续航的难题，谁就有可能成为新能源汽车领域，下一个十年，甚至更久远的领军者。
☛初级策略：给电池穿棉衣
难度系数：**
缺点：治标不治本
清华大学化学工程系教授张强认为，目前，电动车冬天续航衰减是新能源车的通病，因为锂电池“高温反应快，低温反应慢”是天然化学属性。
在现有技术条件下，许多车企通过加强电池的热管理来提高续航里程，也有车企通过电池加热、空调系统优化等方法来解决问题。
何为电池热管理？简而言之，就是给电池“保温”，和普通人穿棉衣或者使用小太阳取暖是同样道理。
▲在锂电池能量密度难以继续提高的情况下，加强电池热管理成为提升续航里程最为简单的方法，但效果依然是十分有限的（图片来自网络）
国产车企当中，比亚迪为电池组配上了电池温控系统保温；蔚来ES8给电池配备液冷系统，通过给电池包主动加热，来保证电池容量和避免损坏；威马的电动汽车都装配有温控系统，将电池的工作温度维持在10℃以上。
但业内人士认为，加强电池热管理其实是“治标不治本”的办法，因为能量是守恒的，这和冬天自发热内衣是一个道理。给电池加热不仅需要时间，还要消耗自身电量，电动车续航里程还是会有衰减；利用热泵空调给驾驶室加热的效率比电阻加热好，但对外界空气的依赖程度较高。
☛中级策略：改变电池材料
难度系数：***
缺点：产业化困难较大
“从目前锂电池的技术水平来看，能量密度几乎达到极限。”中国北方车辆研究所动力电池实验室主任胡道中表示，如果不改变电池材料的话，未来提高新能源车的续航里程，并不是一件容易的事情。
因此不少车企已经开始在电池材料上下功夫，例如近来蔚来汽车发布的ET7，最大的亮点就是能量密度高达360wh/kg的固态电池，续航里程可以达到1000公里。
无独有偶的是，广汽也高调发布了石墨烯电池，并对外宣称，8分钟可充满80%，NEDC标准续航里程可达1000公里。
但时隔不到一日，中科院院士欧阳明高就在某论坛上公开表示，“如果有人告诉你，这个车能跑1000公里，几分钟能充满电，还很安全，成本又很低。以目前的技术来讲，他一定是骗子！”
“院士打假”在业内引发了不小的震动，也再一次把固态电池推到了风口浪尖之上。
固态电池是指采用固态电解质的锂离子电池。胡道中表示，因为生产工艺复杂成本很高，全固态电池短期内还无法做到产业化。
▲全固态电池示意图（图片来自网络）
至于石墨烯电池，与新能源车的距离就更远了，不仅无法量产，甚至连实验室原理都没有完全搞清，用“噱头”来形容并不为过。
“如果有一天石墨烯电池真的产业化了，应该最早应用在手机而不是汽车上，毕竟3C产品的应用标准，比汽车要低得多，商业化变现也更容易一些。”中国汽车工业协会的副秘书长杜芳慈评价说。
☛高级策略：超级快充
难度系数：****
缺点：产业化不足，改造成本高
除了在电池材料上做文章以外，想要真正缓解里程焦虑，“内外兼修”依然不可缺少，而这里的“外”指的正是超级快充技术。
例如保时捷首款纯电跑车taycan的800V超级快充，4分钟即可充入100公里的行驶里程。假如这种技术能进行全面产业化，即使电池容量不增加，里程焦虑也将大大缓解。
▲保时捷首款纯电跑车taycan的800V超级快充，4分钟即可充入100公里的行驶里程（图片来自网络）
但真正落地大功率充电技术，需要车辆和充电柱双升级，目前国内常见电动汽车的电压平台多在400V左右，电机、电池、电控等相关系统的工作电压均在这个范围，所以达到保时捷800V的电压，需要车内硬件全面升级，对于车企来说，这是一笔不小的成本支出。
充电柱也需要升级，更换更大功率的功率模块、带有液冷系统的充电枪和线路来提升功率。
▲特斯拉自建的超级快充站（图片来自网络）
另外，采用新的燃料电池也可以缩短充电时间。比如，搭载氢能电池的汽车，从技术上来说，也能实现“加气五分钟，行驶一千里”的夙愿，但它的产业化道路依然有很多困难。
国家新能源汽车技术创新中心主任原诚寅认为，产业规模不够大、基础设施跟进较慢、商业模式不够成熟成为氢能汽车三大“拦路虎”。
清华大学车辆与运载学院教授宋健则表示，核心技术如果不能突破，未来几年氢能汽车很难有大的发展，日本、韩国目前就陷入了这个困境，消费者还是要理智看待这些新产品。
出品：科普中央厨房
监制：北京科技报 | 科学加客户端
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