新能源汽车电池为什么会衰减 怎么判断电池到底老化了多少
图片说明:示意图 图片来源:Public Domain(公有领域)
新能源汽车开了几年以后,车主经常会遇到一个问题:以前充满电能够跑很远,现在同样的充电量却跑不了那么多公里。冬天的时候,续航下降更加明显,有些车辆还会出现低温充电速度变慢的情况。很多人因此认为“电池衰减了”,但这里面其实包含两个不同的问题:一个是电池随着时间和使用发生的永久性容量损失,另一个是温度、驾驶方式和车辆控制策略造成的暂时性续航变化。
电池衰减本质上来自电池内部长期发生的电化学和结构变化。锂离子电池在充电和放电过程中,锂离子不断在正极和负极之间移动。随着使用时间增加,活性锂损失、界面膜变化、电极材料结构变化以及其他副反应都会逐渐减少可利用容量。同时,电池内阻也可能增加,使车辆在大功率加速、低温以及快充过程中受到更明显的限制。
因此,不能简单规定“充放电5000次以后电池就会明显衰减”。实际寿命取决于电芯化学体系、温度、充电功率、SOC区间、使用强度、热管理以及电池管理系统等多种因素。电池老化通常同时受到循环老化和日历老化影响。所谓日历老化,是指即使车辆没有频繁行驶,电池也会随着时间发生性能变化;循环老化则与充放电使用有关。两者在不同车辆上的占比并不相同。
电池化学体系也会影响衰减规律。当前新能源汽车常见的锂离子电池包括磷酸铁锂和不同类型的三元锂体系。不能简单说某一种电池永远比另一种“耐用30%或50%”,因为实际寿命不仅取决于正负极材料,还与电芯设计、SOC使用范围、温度控制、充电策略以及车辆制造商的管理策略有关。美国能源部的研究资料也显示,不同化学体系对于平均SOC、循环和日历老化的敏感程度并不相同。
混合动力汽车的情况也不能一概而论。早期混合动力车型大量使用镍氢电池,美国能源部资料指出,镍氢电池曾广泛应用于混合动力汽车;随着技术发展,锂离子电池也已经成为混合动力和插电式混合动力车型的重要选择。汽车上的12伏铅酸电池主要承担辅助电气系统负载,并不能与负责车辆驱动的高压动力电池混为一谈。
判断一辆新能源汽车的电池是否明显衰减,也不能只看仪表盘显示的续航里程。续航预测本身就是一个估算值,会受到近期能耗、环境温度、车速、暖风或空调使用以及驾驶方式影响。即使电池本身没有发生明显永久性容量损失,冬季高速行驶或者频繁使用暖风,也可能让车辆显示的续航明显下降。
低温尤其容易造成这种误解。温度降低后,锂离子电池内部的电化学反应速度下降,内阻增加,车辆可利用的功率和能量也可能受到限制。因此,同一辆车在夏季和冬季可能出现明显不同的续航表现。随着电池温度恢复,部分性能也会恢复。Geotab对新能源汽车电池健康度的说明就特别区分了温度造成的季节性变化与长期电池退化。
快充速度也不能简单用“电池健康度低于70%以后下降40%”这样的固定数字解释。新能源汽车的充电功率本来就不是恒定不变的。电池SOC、温度、电芯状态、充电桩能力以及车辆BMS策略都会影响充电功率。一般来说,电池接近较高SOC以后,充电功率往往会逐渐下降,这是充电控制策略的一部分,并不等于电池发生严重衰减。
温度同样如此。不能简单规定“超过35℃就一定降低充电功率”。不同车辆的电池热管理策略不同,BMS会根据电芯温度、充电电流、SOC以及其他运行条件动态调整功率。在低温环境下,车辆也可能限制充电功率,甚至需要先对电池进行预热。判断是否异常,应以具体车型的工作策略和故障信息为依据。
车主日常使用时,最值得关注的是避免让电池长期处在高温、高SOC等较为严苛的状态。对于许多新能源汽车,厂商会建议日常使用设置合理的充电上限,而不是每次都把电池充到最高状态。具体上限应按照车型说明书执行,因为不同电池体系和不同车型的推荐范围并不完全相同。对于需要长途出行的情况,则可以按照车辆允许的范围提高SOC,而不必机械地坚持某一个固定数字。
快充也不应该被简单理解成“伤电池”。现代新能源汽车的电池和热管理系统本来就是按照一定强度的快充场景设计的,问题在于长期高功率充电、极端温度和高SOC等因素叠加以后,可能增加电池老化压力。美国能源部的研究也在持续研究不同快充策略、温度和循环条件对电池寿命的影响。
如果车辆经常需要快充,也不意味着电池几年后一定会迅速报废。关键还是看车辆具体的电池管理策略和实际使用条件。现代电池管理系统会通过限制充放电功率、设置SOC缓冲区、控制温度等方式保护电芯。车主看到仪表盘显示的“100%”,也不意味着电芯一定处在物理意义上的绝对满电状态,制造商通常会保留一定的管理空间。
判断电池健康度时,专业检测比单纯看续航更加可靠。电池健康度通常以SOH,也就是State of Health表示。一个常见的思路,是把当前可用电池容量与车辆初始可用容量进行比较。Geotab对新能源汽车SOH的定义也是以当前可用容量与原始可用容量之间的关系进行估算。
不过,即使诊断设备显示出一个SOH百分比,也不能把这个数字理解成绝对精确的“电池剩余寿命”。不同厂商对于可用容量、缓冲区以及SOH算法的定义可能不同。有些车辆还会根据长期行驶和充电数据重新估算电池状态,因此短期内出现小幅波动并不一定意味着电池突然发生了物理损坏。
“电池健康度低于80%就必须更换”的说法同样过于简单。80%可以作为某些测试和质保条件中的参考节点,却不是所有汽车的统一报废标准。车辆是否需要维修或者更换电池,还要看实际续航、功率表现、电芯一致性、故障码、温度表现以及制造商的质保政策。
例如特斯拉目前在加拿大公布的车辆质保中,不同车型的动力电池和驱动单元一般提供8年保障,并设置最低70%的电池容量保持率,但具体里程上限因车型而不同。这说明70%可以出现在制造商的质保条件中,却不能反过来理解成“电池低于70%才算故障”或者“高于70%就一定没有问题”。
电池出现明显不均衡时,则需要进一步检查。动力电池不是一个简单的大号电池,而是由大量电芯、模组、连接系统、温度传感器和BMS组成。如果某个区域出现异常,可能造成整包性能受到限制。此时重点不是要求所有电芯电压必须“相差5%以内”,因为电芯电压的合理差异不能用一个适用于所有车辆的固定百分比判断,而应该按照具体车型、SOC和温度条件下的厂家诊断标准进行分析。
至于所谓“均衡充放电可以把已经衰减的电池容量恢复回来”,也需要区分情况。如果问题来自BMS估算偏差、SOC标定或者电芯之间的状态差异,重新进行规定条件下的充放电过程可能帮助系统重新估算可用容量,仪表显示甚至可能有所改善。但如果活性材料已经因为长期老化发生不可逆损失,这并不意味着通过一次均衡充放电就能把已经损失的物理容量重新变回来。
对于普通车主,最值得关注的并不是某个固定的“几年必衰减多少”,而是车辆长期表现是否出现异常变化。如果充满电后的实际可用续航持续下降,同时充电功率异常、车辆频繁限制动力、BMS出现故障码、电池温度表现异常,或者仪表出现动力电池相关警告,就应该进行专业检测。
如果车辆只是冬季续航下降,天气转暖后恢复,而且没有故障码、充电异常或动力限制,就不能仅凭这一点判断动力电池已经严重衰减。相反,如果车辆在正常温度下的可用续航长期下降,并且经过标准化条件测试后仍然明显低于原始水平,才更有必要进一步评估电池容量和健康状态。
新能源汽车动力电池会老化,这是锂离子电池长期使用无法完全避免的现象。但电池衰减并不是按照一个固定的年份、里程或者充电次数机械发生,也不存在一个适用于所有品牌和车型的统一寿命曲线。电池材料、制造质量、热管理、BMS策略和实际使用方式都会影响最终结果。
对车主来说,比记住“80%”“70%”或者“5000次循环”这些单一数字更重要的是理解电池状态背后的变化。正常使用、避免长期处于极端温度和不必要的高SOC状态、按照厂家建议进行充电,并在出现异常时及时进行诊断,比人为制定一套所有车辆通用的充电规则更加合理。电池出现衰减并不意味着车辆马上失去使用价值,只有在容量、功率、安全状态或可靠性已经明显影响车辆使用时,才需要根据检测结果考虑维修或者更换。
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