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為什麽磷酸鐵鋰電池比三元鋰電池在低溫下效能表現更差?有什麽辦法可以解決這一問題嗎?

2020-12-17汽車

磷酸鐵鋰電池冬季表現不佳實際上是 由其本征特性決定的 , 這也是為什麽筆者雖然看好磷酸鐵鋰在這幾年份額可以不斷回升,但是 堅決不認同其會徹底打垮三元的主要原因

主要原因有:

  1. 磷酸鐵鋰材料 本征的低電導率特性 + 相應的本征低低溫特性 。 (純)磷酸鐵鋰材料常溫下電導率能低於三元材料起碼4個數量級。雖然眾所周知磷酸鐵鋰可以透過碳包覆實作良好的常溫效能,但是這一改性並不能很好的同樣在低溫下使得磷酸鐵鋰依然效能出色 ——所以到了冬天,三元材料因為其電導率的優勢,本征上就比磷酸鐵鋰效能更出色。
  2. 磷酸鐵鋰材料 充放電曲線非常平, BMS 難以管理所以只好留更大的裕量/限制其出力 。雖然目前一般的電池管理系統BMS的容量標定是靠安時積分來實作的,但是它也需要在充放電初/末段再依靠開路電壓OCV-容量曲線來進行校準。但是此時問題就來了:磷酸鐵鋰的曲線非常平,中間這一大塊的很寬的容量範圍對應的都是3.2V 左右的平台,很難校明白現在對的是30/50/70%SOC?,所以我們的BMS 工程師只能無奈的多留裕量來應對可能到來的極端工況(限制工作視窗),而這又會使得磷酸鐵鋰可用的能量/功率範圍進一步縮窄……
典型磷酸鐵鋰放電曲線:平導致不同SOC對應的電壓差不多,低溫下效能明顯降低

那,怎麽解決呢?

劉博的個人觀點:能緩解,想根除恐怕不容易。方法有:

  1. 磷酸鐵鋰材料 本征的改性 :無非就是納米化(縮短擴散路徑),最佳化的碳包覆(讓導電網絡效果更好),摻雜(造成一些空位促進離子擴散之類,但是說實話機理有爭議),表面形成改性離子導體層等(比如焦磷酸鋰之類 ,但是似乎機理也有爭議)。這些改性方法當然不是不可以,不過似乎和做功率型磷酸鐵鋰也差不多……
  2. 磷酸鐵鋰用在 電池等級的工藝最佳化 :極片塗的薄點啦,導電劑用的好點啦,電解液用更扛低溫的體系啦……當然功率和能量密度常常是對翹翹板,難的不是把一個效能做上去而是把兩者同時做上去……
  3. 熱泵 !電芯組成電池系統,肯定需要熱管理,之前的電加熱1度電換1度熱來加熱電池肯定太耗能量了,像某斯拉的熱管理水平就不錯,熱泵可以做到以1度電的能量消耗帶來3~4度電(大概啊,數據我不太準)的加熱能力,這是一個公認的方向。熱管理很重要,低溫熱管理則對磷酸鐵鋰比三元更關鍵。
  4. 電池管理系統BMS最佳化 。剛才也說了磷酸鐵鋰因為這條平的曲線,做BMS是非常費勁的,也就給我們親愛的BMS 工程師們帶來了更多工作上的挑戰 ,這塊怎麽辦呢?無非還是要多多的關愛他們,給他們創造良好的不鬧心的工作條件來緩解/解決問題【逃】

題外話:近來特斯拉磷酸鐵鋰版續航縮水+特斯拉希望車主們定期頻繁充滿電的新聞不知道大家看見沒有。縮水的理由如上所示,而官方希望車主們每一/二周充滿一次就是希望可以不斷為電池管理系統輸入數據,可以為OCV-容量曲線增加更多的可用的參考點/值,從而幫助系統不斷的叠代升級完善演算法,讓SOC荷電狀態的估計更為準確。

怎麽說呢,磷酸鐵鋰(尤其是冬季)的BMS這玩意是不太好做, 但是這麽急吼吼的讓磷酸鐵鋰版上市並且讓使用者幹著工程師們原本該幹的活。

這樣好嗎?

這樣不好。

PS: 感謝同事Chen. DONG 給予的專業意見參考建議~