夏天逃不过烧，冬天续航打折？电动车“寿命短”的原因找到了
“孙子？”军事形势》:“故善战者，谋势而不责人，故能择人而用之。“意思是说，治军不严，教学不清，导致战败，是将军们的错。电池组里的每一个电芯都是给电动车补充能量的士兵。如何引导这些士兵防止他们“热量失控”、自燃，在极端天气下对他们“嘘寒问暖”，让他们获得更强的耐力，需要一个优秀的“将军”——热管理系统。
■夏天，如何遏制自燃凶手？
从2020年纯电动汽车的应用来看，部分车型搭载的三元锂电池系统能量密度高达180Wh/kg甚至190Wh/kg。如果车辆在热管理系统上不达标，这种高能量密度的电池很容易埋下安全隐患。
“工信部的这一标准无疑为新能源汽车领域的电池安全设置了新的门槛。”法雷奥中国首席技术官顾建民博士在与汽车之家交流时表示。但在他看来，这个标准有些“治标不治本”，因为电动车安全的终极目标不是五分钟预警，而是不断提高设计制造水平，最终达到单个电芯不失控，或者单个电芯失控后不引发火灾爆炸。
事实上，作为一种能量载体，自然界中并不存在完全安全的电池。每个电芯和电池系统在热失控过程中存在很大差异，并不是每个车企都有能力建造这五分钟的“生命墙”。简单的把压力转移到动力电池上是不合适的。电动车是否安全，还与车企本身的技术实力有关，电池热管理系统是重要环节。
为了防止电池自燃，热管理系统“将军”的首要职责是“控制温度”，防止下面的士兵(电池)因热失控而自燃。电池的习惯和人类差不多。它既不能忍受太热，也不喜欢太冷。最适宜的工作温度在10-30℃之间。当温度过高时，电池热管理系统通常有两种方式来冷却电池，即风冷和液冷。
“特斯拉采用液冷电池热管理系统”
风冷，一句话就是“随风而行”，技术简单，成本低(约1200元)，维护容易，但是很难做到热平衡，电池内部整体温度容易变化。在电动车发展初期，占优势的磷酸铁锂电池热稳定性好，散热要求相对较低，所以热管理系统不需要太复杂，可以采用风冷技术。早期的代表车型有日产聆风、北汽新能源EC、丰田普锐斯等。
但是，目前电池的能量密度越来越高。无论是主流的高镍三元电池，还是结构转型较大的磷酸铁锂电池，都对电池热管理系统提出了更高的要求。目前电池冷却系统正在从风冷向液冷倾斜。液冷主要是通过电池管中的液体来控制电池的温度，冷却效果好，可以使整个电池的温度达到平衡，但缺点也很明显。其技术难度大于风冷，成本高(3500元左右)，体积大。如果车厂热管理系统布局不好，整个电池的能量密度会下降。据统计，高尔夫GTE、蔚来ES6、比亚迪唐新能源、特斯拉Model 3等车型均采用液冷。据估计，液冷技术的市场渗透率已超过60%。
俗话说，一粒老鼠屎坏了一锅粥。如果一个电芯热失控，相邻电芯就会热失控，一个接一个蔓延。有什么办法可以早期预防？或者在发现某个电芯发热失控时，尽快“切断”它？
顾建民告诉汽车之家，“电池安全不是某个技术点的问题，而是整个系统的问题。电池热管理系统的根本作用是使电池工作在一定的适宜温度范围内，保持最佳的使用状态和效率，保证电池系统的性能和寿命，而不是在电池发热失控后就停止工作。”
之前的电动车自燃案例已经形象地说明，电动车一旦自燃，除非用大量的水来降温，否则单纯用一些小型干粉灭火器是无法遏制的。在大多数情况下，人们会看到它完全燃尽。“由此可见，电池热管理需要在设计初期介入，利用集成优化平台实现结构、热、疲劳、寿命的耦合，防止热失控。一旦发生热失控，需要立即监控并提前报警，让驾驶员有足够的时间逃到安全的地方。”顾建民说。
当然，对于最终目标，业界还在探索电池热管理的技术。据悉，美国Allcell技术公司开发了一种基于相变材料(一种可以在液态和固态之间切换的材料)的电池热失控隔离材料PCC。在针刺实验中，在4串18650电池的电池组中，当不使用PCC材料时，一个电芯热失控最终导致电池组中的20个电池热失控，而在使用PCC材料的电池组中，一个电芯热失控没有导致其他电池热失控。这种方法被认为是电池热管理最有潜力的发展方向，但目前仍处于实验室阶段。
■冬天，冰冻电池如何“续命”？
除了重新审视电动车的安全性，续航也是消费者购买电动车的一大焦虑。目前很多新车型都宣称自己的续航里程可以达到600km，甚至700km以上，但真正的实际效果如何呢？“电动车宣称的续航，实际使用打八折，空调打六折。”一位业内人士对此调侃道。因为电池既不加热也不耐寒，所以会消耗大量的电来保证电池工作在最合适的温度。
相对于夏天，极寒天气对电池是一种杀伤力。比如现在的一些手机，在寒冷的东北，如果不在手机背面贴上暖宝宝，几分钟就只剩下60%的电量，然后直接关机。手机变成“砖头”已经很惨了。这种情况如果换成行驶中的电动车，就像噩梦一样。
对于传统汽车来说，发动机本身会带走很多热量，冬天暖风耗电量很小。但对于电动汽车来说，没有发动机的热源，动力电池除了提供驱动汽车的能量，还会分一部分能量到暖风的功耗中，成本极高。因此，一套完整的电池热管理系统也需要在冬季这个关键时刻对电池进行预热，配合空调热管理系统，最大限度地延长电池寿命。
现阶段，在电动汽车的加热和空调大都市安装一个额外的PTC加热器作为补充。其工作原理类似于我们使用的“快速加热”，可以使管道中的冷却液快速升温，加热电池组。其结构简单，成本低，但功耗巨大。
以上还是保守算法，冬天用PTC方案加热对电池还是很大的负担。如果达不到加热效率，那么说电动车在冬天的续航时间会减半，一点也不夸张。
难道没有更好的方法来保持电池寿命的新鲜吗？答案是肯定的，新型热泵空调可以有效缓解电动车发热带来的续航问题。相比PTC的“电能转换热量”，热泵系统是“电能携带热量”，没有能量损失，制热效率更高效。根据Hanon的研究，在同样的环境下，热泵制热的制热效率是PTC的1.8-2.4倍，节能效果显著，可将制热造成的损失里程减少一半。
热泵空调有这样的优势，传统车企自然不会冷眼旁观，包括奥迪R8 e-tron、宝马i3、日产聆风、起亚Soul、捷豹I-PACE都采用了热泵系统。在国内，华宇三电是第一家实现热泵空调量产的零部件企业，其热泵空调搭载了SAIC乘用车旗下的荣威漫威X和Ei5电动车。
荣威漫威X热泵空调系统
但是热泵系统还处于发展初期，加载渗透率还不到10%。技术上还存在低温启动困难、成本高等问题。“在低温下(在-10℃到0℃之间)，法雷奥的热泵技术与传统的PTC加热技术相比，最多可以降低30%左右的能耗。但在极寒条件下(低于-10℃)，一般建议使用热泵和PTC***供热，这也是目前行业内的**。顾建民这样说。
最近的一个经典案例，特斯拉最近公布了一项关于热泵系统的新专利，预计将首先应用于Modle Y。该技术在设计上取消了传统的PTC，而是在热泵空调中集成了一个低压PTC(起辅助作用)，然后将电池系统、电力电子驱动系统和整车的系统回路集成在一起，建立模块化系统。“特斯拉的‘玩法’改变了软件和硬件的关系，也改变了车企内部不同系统设计的协作理念，而这种新的组织方式是传统车企短期内难以跟上的。”一位汽车电子工程师这样评价。
“来源:Y型车主手册”
■电动车热管理，国产厂商的新奶酪？
电动汽车的热管理系统与传统燃油汽车相比，增加了电动压缩机、电子膨胀阀、电池冷却器、PTC加热器等部件，因此系统集成度和复杂程度更高，成本从传统汽车的1.910元左右增加到电动汽车的5280-9920元(2020年预测数据)。对于零部件企业来说，电动汽车的热管理系统是一块新奶酪。
过去，在传统的汽车热管理领域，海外四大零部件巨头电装、哈能、法雷奥、马勒占据了全球汽车热管理市场54%的份额(2017数据)。正因为如此，这些企业在转战电动汽车热管理领域时得心应手，具有先发制人的优势。
法雷奥新能源汽车热力系统(包括热泵和电池热管理系统)示意图。
例如，法雷奥目前占据全球电池热管理系统15%的份额，为特斯拉Model 3等车型提供散热板，2019年赢得大众ID.3、标致e-208等电池热管理和热泵订单，* * *实现营收362亿元，占公司总营收的23.7%；电装2017年研发的新型热泵搭载在丰田普锐斯Prime PHEV上，工作范围可扩展至-10℃，比原版节能63%，车辆续航里程增加21%。马勒基于热泵开发了一种集成热管理系统，该系统可以将电动汽车在冬季的续航里程提高多达20%，目前正在原型车上进行测试。
这样电动车热管理的核心技术就被海外企业封锁了。不完全是，传统热管理巨头因为空调系统技术更新不足，可以顺利转化优势，但是电池热管理系统是一个完全新的领域，还没有企业能够设置技术壁垒。
国内的热管理公司，如银轮、三华智控、奥特佳、松芝等，近年来也在积极拓展电动汽车热管理领域。虽然国内企业有机会动电动汽车热管理的奶酪，但更多的是涉足热管理Tier2领域，与国际热管理巨头相比，在系统集成方面仍有短板。例如，尽管龙腾股份向特斯拉提供热管理组件，但它们仍需要通过Hanan American company进行集成。
从趋势上看，国内传统汽车热管理厂商从单一部件向系统集成拓展是必然的。例如，银轮在2020年3月与特斯拉签署协议，提供汽车热交换模块产品；公司热泵系统将于今年下半年批量供应江铃新能源；从2021开始，热交换总成产品将供应给吉利PMA纯电动平台。由此可见，新能源汽车带来的机遇可能会重新对热管理市场进行排名，国内厂商的竞争优势来自两点:贴近市场，成本低。未来需要从Tier2升级到Tier1，开发更精细的热管理系统，才能增强自己的话语权。
■写在最后:
如今新能源汽车新补贴政策延长，同时强调“技术指标稳定”，给了车企更长的缓冲期。希望车企不再一味追求“能量密度”，也不要因为降低成本而偷工减料，让消费者陷入续航减半、安全等多重焦虑。电动车要想“浪”，热管理首先要跟上。
对于未来新能源汽车热管理的发展，顾建民提出了两个趋势:一是智能热管理，未来热管理系统肯定会和智能座舱结合，给用户带来更舒适的体验，比如自动调节最合适的座舱环境温度；第二，支持快充和过充。充电难和充电慢是目前影响电动汽车用户体验的两大痛点。要缩短充电时间，比如特斯拉V3过充电桩需要快速带走热量，这也需要电池热管理系统的帮助。(文/汽车之家彭飞)