【taycan电池热管理】用一句话阅读电动汽车冬季低温性能衰减和续航收缩背后的东西。

句子指南，字数3537:

引言

1、冬季低温对锂离子电池有什么影响？

2、锂电池低温性能衰减问题如何解决？

3、电动车所有者冬季汽车指南。

摘要

正文：

引言

电池技术是电动汽车的三大核心技术之一，是制约电动汽车快速发展的关键因素。电池是纯电动汽车的动力源，其性能优劣直接影响电动汽车的整体性能。目前，铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、锂聚合物电池、超级电容器都在电动车中使用。锂离子电池与其他种类的电池相比具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低、无内存、无污染等优点，成为电动汽车最理想的动力源。

锂离子电池对外部环境温度的变化很敏感，一般锂离子电池的最佳工作温度范围为20 ~ 30，一般在0 ~ 45以内比较舒适，过高或过低的温度会对电池的充放电性能、容量特性和循环寿命产生一定影响。蓄电池温度低于0时，充电锂或放电功率会下降，循环寿命容易缩短，如果不受功率控制，可能会面临热失控的安全问题。因此，锂离子电池在低温环境应用中存在诸多问题，也限制了锂离子电池的规模应用。特别是低温环境下，电动汽车锂离子电池性能下降导致的续航收缩，使得很多电动汽车用户可以谈论冬季颜色变化。

那么为什么锂离子电池低温性能衰减和里程收缩的原因是什么呢？

1、冬季低温对锂离子电池有什么影响？

首先，目前市面上的电动汽车中常用的锂离子蓄电池主要有磷酸铁锂和三元两种。这两种电池都属于锂离子电池，主要区别是电化学成分体系的差异。用户电动汽车的结构也基本相似，主要包括阴极材料、阴极材料和电解质。

芯结构

从表象使用的角度来看，冬季低温环境下电池的性能如何变化，特别是在充电、放电性能方面？我们以18650三元电池为例。

(1)填充容量取决于温度

可以看出，随着环境温度的降低，恒流充电容量大大减少，恒压充电容量增加，但需要很长时间。环境温度达到-20时，充电容量仅为常温充电容量的51.68%，在-25环境下充电时，瞬间达到电池的充电截止电压，电池无法有效充电，将严重影响电动汽车的正常使用。目前电动汽车一般采取的充电策略是短时间内用大电流恒流充电，电池温度上升后用小电流充电，从而增加电池的有效充电容量。

在 1C充电倍率下，充电容量取决于温度

(2)根据温度的放电容量

电池的有效放电容量随着环境温度的降低而大幅减少。-20的放电容量已经减少了34.14%左右，-30时电池不再有效放电。电池放电过程中，电池的温度明显提高，电池的放电性能提高，但在低温下放电时，要保证电池的充足电力。在低于一定温度的环境下，电池不会放电，因此在低温下必须对电池采取加热措施。

根据环境温度，1C倍率放电容量变化

(3)低温导致锂离子电池充放电性能下降的原因

从深度机制来看，锂离子电池低温性能下降的主要原因是：随着环境温度的降低，电池的耐电阻越来越大，Li的迁移和插入变得困难，充电放电性能也越来越差。电池内部电阻增大的原因大致可以概括为三个。

低温下电解质的粘度增加，电解质的电导率降低。

电解质/电极界面膜阻抗和电荷转移阻抗增加。锂离子在活性物质体中迁移率降低。这导致低温下电极极化加剧，充放电容量减少。

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不同环境温度下内阻与荷电状态的关系曲线

2、如何解决锂电池低温性能衰减的问题？

（1）通过物理升温缓解锂离子电池的低温性能衰减

低温既然对锂离子电池影响这么大，那么提高温度似乎就能解决这个问题了。事实也如此，当前主流缓解锂离子电池低温性能的方式就是在锂离子电池充、放电过程中给电池加热，提高电池的温度，从而提升电池在低温环境下的性能。当前主流的动电池低温解决方案包括两种：

• 通过电池内部设计PTC热敏电阻加热片，在温度较低时启动给电池加热；
• 通过热泵系统，通过使用电机等用电器产生的热量给电池进行加热；

保时捷Taycan热管理系统 图片引用自网络

（2）通过改善锂离子电池的材料、结构提升其低温性能

低温环境除了最直接的温度因素之外，锂离子电池的材料、结构也是很重要的影响因素。因此，除了改善锂离子电池使用环境的温度之外，也可以通过改善锂离子电池的材料、结构来提升其低温性能。

• 首先，正极材料

正极材料是制造锂离子电池关键材料之一，其性能直接影响电池的各项指标， 而材料的结构对锂离子电池的低温性能具有重要的影响。磷酸铁锂电池的正极材料为LiFePO4，三元电池的正极材料为镍钴锰基LiNixCoyMn1-x-yO2，相对来说，三元电池的正极材料比磷酸铁锂电池的正极材料低温性能更好一些，这也是为什么冬季，搭载磷酸铁锂电池的电动汽车续航缩水更严重的深层次原因之一。

改善正极材料在低温下离子扩散性能的主流方式有：

a) 采用导电性优异的材料对活性物质本体进行表面包覆的方法提升正极材料界面的电导率，降低界面阻抗，同时减少正极材料和电解液的副反应，稳定材料结构；

b) 通 过Mn、Al、Cr、Mg、F 等元素对材料本体进行体相掺杂，增加材料的层间距来提高 Li+ 在本体中的扩散速率，降低 Li+ 的扩散阻抗，进而提升电池的低温性能；

c）降低材料粒径，缩短 Li+ 迁移路径。

LFP/C 在不同温度下的 CV（A）和 EIS（B）曲线图

• 其次，负极材料

锂离子在碳负极材料中的扩散动力学条件变差是限制锂离子电池低温性能的主要原因，因此在充电的过程中负极的电化学极化明显加剧，很容易导致负极表面析出金属锂。目前主要通过负极表面处理（表面氧化和氟化）、表面包覆（碳包覆和金属包覆）、掺杂增大层间距、控制颗粒大小等途径进行低温性能的优化。

不同倍率充电(A)及搁置 20 h 后(B)负极物相变化对比

• 最后，电解液

电解液作为锂离子电池 的重要组成 部分，不仅决定了 Li+ 在液相中的迁移速率， 同时还参与SEI 膜形成， 对 SEI 膜性能起着关键性的作用。 低温下电解液的黏度增大， 电导率降低，SEI 膜阻抗增大，与正负极材料间的相容性变差，极大恶化了电池的能量密度、循环性能等。

目前， 通过电解液改善低温性能有以下两种途径：

a）通过优化溶剂组成，使用新型电解质盐等途径来提高电解液的低温电导率；

b）使用新型添加剂改善 SEI 膜的性质，使其有利于 Li+ 在低温下传导。

3、电动汽车车主冬季用车指南

言归正传，相信通过以上的介绍各位对于电动汽车锂离子电池冬季低温性能缩水这事儿有了更深入的了解。同时也不可避免的带来一点失落就是：电动汽车锂离子电池低温性能衰减是个必然的现象，这是电化学结构特性所决定的，不以人为的意志而改变。唯一能让电动汽车用户略感安慰的可能就是不同的车型所搭载的电池保温、加热系统的性能如何，以及不同的车型的能耗差异了。

那么既定事实还有救吗？电动汽车车主在冬季用车可以有哪些注意事项呢？

（1）尽量在ECO（节能）模式下使用车辆。冬季低温状态下可用能量变少，能省一点是一点；

（2）尽量开启制动能量回收模式。通常会有弱、中、强三档，建议使用最强模式；

（3）远途提前规划好行车路线，预留余量。目前电动汽车品牌众多，续航缩水程度不一，根据自己的情况提前规划好路线，预留好余量，避免中途趴窝；

（4）空调温度别调太高，多穿点更保暖。纯电动汽车的空调多为PTC热敏电阻加热空调，都是通过锂离子电池取电，空调温度越高，耗电越大；

（5）停车后能充电就充电。冬季充电相对夏季更为频繁一些，不要怕麻烦，偷懒一时爽，行车两行泪；

（6）停车尽量停地下车库。相对来说地下车库温度比地上高一些，对电池性能影响也小一些；

（7）低温充电时能用慢充尽量用慢充。锂离子电池低温快充可能会导致负极锂金属析出和沉淀，沉积的金属锂易与电解液发生不可逆反应消耗大量的电解液，同时使 SEI 膜厚度进一步增加，导致电池负极表面膜的阻抗进一步增大，电池极化再次增强，最终将会极大破坏电池的低温性能、 循环寿命及安全性能；

（8）车里常备点保温衣物。如不慎真的半路趴窝了，等待救援的过程中不至于冻太惨；

（9）条件允许的话，建议买混动车。

总结

任何事物的发展都有两面性。我们在享受其便利性的同时也必然会面临着额外带来的副作用。好与坏通常都不是绝对的， 前提条件不一样，最终产生的结果势必会有很大的差别。不管是磷酸铁锂锂离子电池还是三元锂离子电池，都是当前电动汽车储能最理想的选择（至于磷酸铁锂和三元哪个更适合电动汽车，可扫描下方二维码关注并查阅相关回答）。站在开发者的角度，仍然需要不断探索和提高对于当前电池的设计、防护以及性能的改善。而站在电动汽车用户的角度，选择和适应会有个过程，在这个过程中关注@工科男老王，了解更多电动汽车知识，更有利于提高生活的幸福指数哟。

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部分参考文献：

1、顾月茹, 赵卫民, 苏长虎,等. 锂离子电池低温性能改善研究进展[J]. 电化学, 2018, 24(05):488-496.
2、梁欣. 电动汽车锂离子电池低温性能研究.
3、冯祥明, 赵光金. 磷酸铁锂动力电池低温性能研究[C]// 第九届河南省汽车工程技术学术研讨会. 2012.
4、吴胜杰, 龙曦, 姜洋,等. 车用锂离子蓄电池低温性能研究[C]// 2020中国汽车工程学会年会论文集(2). 2020.