电动车“短命”？罪魁祸首可不只是电池

目前，全国各地夏季来临，电动车也随着天气变热逐渐“躁动”起来。自2020年5月起，新能源汽车国家监管平台共发现79起安全事故。在已查明起火车辆状态中，58%的车辆起火源于电池问题，19%的车辆起火源于碰撞问题。这让人们不得不重新审视新能源汽车的质量和安全问题。为何新能源汽车老是自燃？背后所有的“罪”都得让电池来背吗？

《孙子•兵势》：“故善战者，求之于势，不责之于人，故能择人而任势。”意思是治军不严、教导不明而致败局，这都是将领的过错。电池包中的每个电芯都是为电动汽车增加能量的小兵，如何统领这些小兵，不让他们“热失控”而自燃，并能在极端天气下对他们“嘘寒问暖”，让其获得更强的续航能力，背后需要一名出色的“将领”——热管理系统。

■夏天，如何遏制自燃这一凶手？

从2020年纯电动车型申报情况来看，有部分车型所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就很容易埋下安全隐患。

“工信部的这一标准无疑设置了新能源汽车领域电池安全性的一个新门槛。”法雷奥中国首席技术官顾剑民博士在与汽车之家沟通时表示。但在他看来，这项标准有些“治标不治本”，因为电动汽车安全的最终目标不是5分钟预警，而是不断提升设计和制造水平，最终达到单个电芯不失控，或者是单个电芯失控后不会引起整个电池包起火爆炸。

事实上，作为能量载体，本质完全安全的电池是没有的。每种电芯和电池系统在热失控的过程中存在很大差异，不是每一家车企都有能力筑起这5分钟的“生命墙”。单单把压力转嫁到动力电池上并不合适，电动车是否安全也与车企自身的技术实力有关，电池热管理系统则是重要的一个环节。

为防止电池自燃，热管理系统这一“将领”的首要职责就是“控温”，不让底下的小兵（电芯）因热失控而自燃。电池的习性与人相似，既受不了太热，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给电池降温，即风冷和液冷。

『特斯拉采用液冷式电池热管理系统』

风冷，一句话解释即“走路带风”，其技术简单、成本低（约为1200元）且便于维护，但它很难达到散热均衡，电池内部的整个温度很容易产生差异。在电动车发展初期，由于占主导的磷酸铁锂电池热稳定性较好，对散热要求相对较低，因此热管理系统无需太复杂，使用风冷技术即可，早期代表车型有日产聆风、北汽新能源EC、丰田普锐斯等。

然而，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，还是对结构大改造的磷酸铁锂电池，都对电池热管理系统提出了更高的要求，当前电池散热系统正由风冷向液冷倾斜。液冷主要通过电池管道内的液体来控制电池的温度，降温效果较好，使整个电池的温度达到均衡，但缺点也很明显，其技术难度要大于风冷，成本高（约为3500元），以及体积大，如果车厂在热管理系统设计上布局不佳，整个电池的能量密度就会下降。据统计，高尔夫GTE、蔚来ES6、比亚迪唐新能源、特斯拉Model 3等车型都采用了液冷方式，预计液冷技术的市场渗透率已超60%。

俗话说，一颗老鼠屎坏了一锅粥。如果说某个电池单体发生了热失控，相邻单体电池也会相继热失控并蔓延。有什么办法可以早期预防？或者在发现一个电池单体热失控时就尽早“掐断”它？

顾剑民告诉汽车之家，“电池安全不是某个技术点的问题，而是整个系统问题。电池热管理系统的根本作用是让电池工作在一定的适宜温度范围内，维持最佳的使用状态和效率，用来保证电池系统的性能和寿命，而不是在电芯热失控后再阻止。”

此前有关电动汽车自燃的案例都活生生地表明，电动汽车一旦自燃，除非用大量的水降温，单单用一些小型干粉灭火器根本无法遏制，大部分情况是眼睁睁地看着它全部烧光为止。“可见，电池热管理需要在设计早期就干预，利用一个集成的优化平台来实现结构、热量、疲劳和寿命等耦合来防止热失控。一旦发生热失控要马上能监测出并提前报警，让驾驶员有足够时间逃离至安全地方。”顾剑民说道。

当然，为了终极目标，业内在电池热管理技术上仍不断探索。据悉，美国Allcell Technology公司曾开发出一款基于相变材料（可以在液态和固态之间切换的一种材料）的电池热失控隔离材料PCC。在针刺实验中，一个由18650电池组成的4并10串的电池组，在没有使用PCC材料时，一个电芯热失控最终引发了电池组中20个电芯发生热失控，而采用PCC材料的电池组中，一个电芯热失控并未引发其它电池组热失控。该方法被认为是最有潜力的电池热管理发展方向，但目前仍处于实验室阶段。

■冬天，被冻的电池如何“续命”？

除了重新审视电动汽车的安全，续航也是消费者购买电动汽车的一大焦虑问题。目前有不少新车型在申报时称其续航能达到600km，甚至700km以上，但真正的实际效果如何？“电动车申报的续航，实际使用打个8折，开空调再打个6折。”一位业内人士对此调侃道。由于电池不受热，也不耐寒，要保证电池在最适应的温度下工作，就要耗损许多电量。

相比夏季，极寒天气下更是对电池是一种杀伤力。比如现在的一些手机，在寒冷的大东北，如果不在手机背后贴暖宝宝，没几分钟就只剩下60%的电量，再一会直接给你关机了。手机变“砖头”已经苦不堪言，如这种情况换成在行驶的电动汽车上，俨然就是一场噩梦。

对于传统汽车来说，发动机本身会携带大量热量，冬天暖风动力消耗很少，但对于电动汽车来说，少了发动机这一热源，动力电池除了要给驱动汽车提供能量，还要再分出一部分精力在暖风耗电上，损耗极大。因此，一套完整的电池热管理系统还需要在冬季这一关键时刻，为电池预热，并协同空调热管理系统，让电池发挥出最大的续航能力。

现阶段，电动汽车的暖风空调大都会额外安装一个PTC加热器作为补充。它的工作原理和我们使用的“热得快”相似，能使管道里的冷却液迅速升温，给电池包供暖，其构造简单、成本低廉，但它的电能消耗巨大。

以上还是保守的算法，冬季使用PTC方案采暖对电池仍是极大负担。如果加热效率达不上，电动汽车冬季续航减半也绝不是很夸张的说法。

难道就没有一个更好的方法能给续航“保鲜”吗？答案是有的，新的热泵空调能有效缓释电动车采暖带来的续航问题。相比PTC的“电能转化热量”，热泵系统是“电能搬运热量”，没有能量损失，制热效率更加高效。据Hanon研究，相同的环境下，热泵采暖的制热效率是PTC的1.8-2.4倍，且节能效果显著，能将取暖造成的损失里程减少至一半。

热泵空调有这样的优势，传统车企们自然不会冷眼旁观，包括奥迪R8 e-tron、宝马i3、日产聆风、起亚Soul以及捷豹I-PACE等已采用热泵系统。在国内，华域三电是最先实现热泵空调量产的零部件企业，其热泵空调配套了上汽乘用车旗下的荣威Marvel X和Ei5两款电动车。

『荣威Marvel X热泵空调系统』

然而，热泵系统仍处于发展阶段初期，装载渗透率仍不足10%，技术上还存在低温启动难、成本高等问题。“在低温情况下（-10℃至0℃区间），相比传统的PTC加热技术，法雷奥的热泵技术可以将能耗最大降低30%左右，但是在极寒情况下（低于-10℃），一般建议用热泵和PTC共同来提供热量，这也是目前行业内的共识。”顾剑民对此表示。

最近有个经典案例，特斯拉不久前宣布了一项关于热泵系统的新专利，预计将首先应用于Model Y。该技术在设计中取消了传统PTC，而是将一个低压PTC（起辅助作用）集成在热泵空调里，再结合电池系统、功率电子驱动系统和整车的系统回路整合在一起，建立了一套模块化系统。“特斯拉的这一‘打法’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同概念，而这种新的组织方式短期内传统车企很难跟上。”一位汽车电子工程师对此评论。

『来源：Model Y车主手册』

■电动车热管理，国内厂商的新奶酪？

与传统燃油车相比，电动汽车的热管理系统新增了电动压缩机、电子膨胀阀、电池冷却器、PTC加热器等部件，系统集成度及复杂度更高，成本由传统车的1910元左右上升至电动车的5280-9920元（2020年预测数据）。对于零部件企业而言，电动车热管理系统是一块新奶酪。

追溯过去，在传统的汽车热管理领域中，海外零部件巨头电装、翰昂、法雷奥、马勒四家企业合计占据全球汽车热管理市场54%的份额（2017年数据）。正因为此，这些企业在切换至电动车热管理领域得心应手，有先发制人的优势。

『法雷奥新能源汽车热系统（包括热泵和电池热管理系统）示意图』

如法雷奥目前占据全球电池热管理系统15%的份额，为诸如特斯拉Model 3等车型提供冷却板，并在2019年拿下大众ID.3、标致e-208等电池热管理及热泵订单，共实现营收362亿元，占公司总营收23.7%；电装在2017年研发的新型热泵搭载于丰田普锐斯Prime PHEV上，工作范围可扩展至-10℃，比原先版本节能63%，使得车辆的续航里程提高21%；马勒以热泵为基础，开发了一套集成式热管理系统可提升电动车冬季续航里程最高达20%，目前正在样车测试中。

这样来看，电动汽车热管理这一核心技术又被海外企业掐住了“命门”？不完全是，空调系统因为技术更新较少，传统热管理巨头能把自己的优势顺利平移，但电池热管理系统是一个完全新生的领域，还没有企业能够搭起技术壁垒。

国内热管理企业如银轮股份、三花智控、奥特佳、松芝股份等近年也在积极拓展电动车热管理领域。虽说国内企业有机会动了电动车热管理这一奶酪，但它们更多是切入热管理Tier2领域，在系统集成能力上与国际热管理巨头相比仍有欠缺，如腾龙股份虽然向特斯拉提供热管理零部件，但中间还需要通过翰昂美国公司进行集成。

从趋势上看，国内传统汽车热管理厂商从单个部件向系统集成化拓展已成必然，如银轮股份在2020年3月与特斯拉签署协议，为其提供汽车换热模块产品；公司热泵系统将于今年下半年批量供货于江铃新能源；2021年开始将向吉利PMA纯电动平台配套热交换总成产品。可见，新能源汽车所带来的机遇有可能将热管理市场的座次重新排位，而国内厂商的竞争优势来源于两点：贴近市场和低成本，未来还需要由Tier2上升到Tier1，绑定整车厂开发更精细的热管理系统，以提升自己的话语权。

■写在最后：

如今，新能源汽车补贴新政延长，同时还强调了“技术指标稳定”，这都给了车企更长的缓冲期。希望车企不再盲目追求“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、安全等多重焦虑中。电动汽车想要“浪”，热管理得先跟上。

对于未来新能源汽车热管理的发展，顾剑民提出了两点趋势：一是智能化热管理，热管理系统未来一定会结合智能座舱，为用户带来更舒适的体验，如自动调节最适宜的座舱环境温度；二是支持快充和超充，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，缩短充电时间，比如以特斯拉V3超充桩，需要迅速带走热量，这也需要电池热管理系统来协助完成。