低温性能才是刀片电池的杀手锏

2023年7月底，懂车帝夏测成绩公布，在吐鲁番48℃高温下，比亚迪表现平平。续航达成率前十名只有汉EV(图片|配置|询价) 2023冠军版上榜了，而且达成率仅有70.7%，排在第10名垫底。而其他的纯电车型，包括比亚迪海豹，海鸥，元Plus等达成率在56.2%~64%不等，都与前十无缘。高温充电结果也是一样，除了海豹勉强成为前十里面唯一的磷酸铁锂车型之外，其余充电功率都比较差。

这个成绩跟2022年冬季测试的结果大相径庭，彼时比亚迪刀片电池的车型成绩十分亮眼：续航达成率共有三款车型入围前十，低温充电时间更是四款车型入围，而且汉续航达成率60%第一，海豹低温69分钟充电排名第一。那么刀片电池采用的磷酸铁锂体系，理论上低温放电保持率更差，为何能在冬测中遥遥领先，而在夏测中表现平平呢？这跟刀片电池的内阻有怎样的关系？目前各大车企引以为傲的低温自加热技术又在其中扮演了怎么样的角色？本文带您一起分析。

比亚迪纯电车型续航以及充电测试结果(数据来源懂车帝)

一、电池低温自加热技术

由于锂离子电池在低温下性能衰减严重，尤其是低温续航和低温充电，所以在低温下给电池加热的技术一直都是促进新能源汽车普及的重要研究方向。早在2016年，热管理领域的专家王朝阳院士在Nature发表了文章，该结构将具有一定阻值的薄镍片预埋入电池内部，以薄镍片为热元件从内部对电池加热（镍片的厚度在5~200µm可调）。薄镍片引出两个极耳，其中一个极耳连至电池负极，另一个极耳单独引出一极，称为激活极（activation terminal，ACT）。

当电池需要加热时，开关闭合，将激活极与正极连接，电流流经电池自身及薄镍片产生热量对电池加热。当电池达到预设温度时，开关断开，薄镍片被旁路，电池正常工作，最高加热速度超过60℃/min(远大于后面长安以及宁德时代的4℃/min). 更重要的是，通过增加镍片的数量到3片，电芯极片内部的温度差也可以很大程度上消除，这样避免了电芯放电时SOC以及倍率的不一致性，为后面的规模应用奠定了很好的基础。作者在文章中展示的电阻值为56mΩ左右，电芯的极片尺寸大约为152*75mm, 参考镍的电阻率是6.84*10-8Ω/cm, 镍片电阻按照R= ρL/3S来计算的话，其厚度确实在几十微米左右，也能允许空间在表面使用不导电的高分子进行隔离保护。

Nature,2016,529,515-518&JPS,2016,328,203-211

随后其团队靠着电池自加热的概念，先后创造了几个电池体系：一个是MFB=Maintenance Free Battery免管理电池，其核心理念是电池能量和安全不可兼得，通过材料表面包覆以及电解液的特殊设计，增大高比能电芯的内阻，相当于对电池进行了钝化，这样其安全性就会提高。在需要使用的时候把电池进行加热就可以降低内阻，正常使用（感觉固态电池可以参考这个思路）。

另一个是ACB=All Climate Battery全气候电池，可以低温时给电池加热使用，提高放电能量和综合效率，这个在2022年北京冬奥会上有相关技术的车辆运行使用（跟电池厂盟固利合作）。还有一个是FCB=Fast Charging Battery 快充电池, 就是将LFP或者高镍三元电芯加热到60℃以后进行快充。相关文章都发表在Nature/Science及其子刊上面了，影响因子很高，影响力也比较大。不过根据某行业前十电池厂研究院副院长的说法，这个镍片内加热技术无法产业化，只能手动植入镍片做电芯，而且把电芯温度加热到很高也担心热失控的风险，目前并没有得到主流车企的青睐。

除了这款自加热技术之外，目前主流车企主要通过电池脉冲放电进行低温加热的。比如长安就采取高频交流电通过锂电池组的方式进行加热，频率一般在10Hz到1kHz之间，1kHz是电芯测试交流内阻的频率范围，这个区间一般认为还没有发生电化学反应，对电芯性能没有影响。不过高频充放电池内阻较小，加热效果差；理论上频率越低，电芯的内阻越大，加热效果也越好。但是低频下脉冲充电容易产生材料颗粒破碎以及析锂等副作用，所以也不能太低。

长安深蓝SL03采用的微核高频脉冲加热技术，就是利用了锂离子电池在低温下电池内阻会升高，高频率正负切换大电流不发生析锂、不影响电池安全和寿命的特征，通过随机变频电驱动的IGBT开闭控制高频脉冲，产生快速正负切换的大电流和焦耳热，从而实现为电池快速均匀“自加热”的目的。车辆在-30℃的环境下，电池包最快每分钟升温4℃。懂车帝冬季测试中，这款车型（515纯电版）的低温充电表现是比较好的，完成时间为69min, 排名仅次于比亚迪海豹。而早在2018年宁德时报也申请了相关专利，通过在电池两端添加一个能产生振荡电流的装置，使电池内部产生大量热量，来给电池升温。该技术具有加热效率高、加热均匀的优点，可以同步加热所有电池，并将电池温度每分钟提高4℃，这与长安深蓝的技术异曲同工。

二、刀片电池低温性能

虽然比亚迪在2020年发布会上展示的刀片电池只有一种，在EV上使用的，其长宽高分别为960*13.5*90mm。不过在混合动力领域，比亚迪使用的刀片电池却是另外一种情况，采用的是内部串联的连接方式，所以这两种刀片电池的低温自加热技术是有区别的。

对于纯电动汽车采用的刀片电池，前面的文章已经分析过（参考刀片电池电阻有多大），其集流体内阻确实是偏大的。单个铝箔的电阻为6.71mΩ,而单个铜箔的电阻为7.98mΩ, 整个电芯由于是26个正极片组成，相当于26并，所以总的集流体电阻为(6.71+7.98)/26=0.57mΩ. 而如果同样容量的LFP电芯，如果采用宁德时代同侧出极耳的铝壳电芯，其集流体总电阻只有不到0.04 mΩ, 几乎可以忽略。此前主流的看法是这么大的集流体电阻对于电芯性能会有负面影响，所以通常都不会使用这么长的极片，如果改成蜂巢、国轩以及中航的L600短刀电池的话，集流体电阻可以降低为长刀片的1/4左右。

不过在低温情况下，这种认识可能会被扭转，因为低温下给电池加热升温是核心需求。前面王朝阳老师采用内置镍片加热的方式，需要在三十多片集流体上增加3个镍片左右，而比亚迪的这款刀片电池相当于每一个极片都作为电阻进行发热，对于汉EV早期采用的138Ah电芯，正负极片各有26个可以同时发热，其加热效果自然比其他常规电芯好了很多。尤其是在连续放电或者连续充电的情况下，累计的发热是很可观的。

我们已充电为例，比亚迪海豹冬测的平均充电功率接近70kW, 按照3.2V，150Ah，172串以及-15℃电池内阻1.5mΩ来计算（假设正极片层数还是26，其他电气件总电阻还是5mΩ），所需的充电电流为120A左右，单个刀片电芯集流体发热功率为P=I2R=8.21W，172串总的发热功率为1.4kW, 这会给电芯的铜铝箔进行加热。考虑到铜铝箔的比热容都是比较小的(铜390铝880 单位J/kg.℃)，而且在电芯中质量占比低，产生的温升是比较明显的(可能接近4℃/min)，对正负极活性材料的温度也有显著改善，所以低温充电时间很快，平均功率也比较高。

类似的情况出现在特斯拉德国版本的Model Y车型上，比亚迪的刀片电池在20~50%SOC区间都能维持170kW的充电功率（预计集流体总发热功率会超过3kW），从11%充到71%仅需15min。而宁德时代电阻更小的LFP电池只是在开始达到峰值功率后就一直下降，在电池SOC达到50%左右时，充电功率仅维持在110kW左右。可见刀片电池集流体内阻大的产热效应，不仅改善了低温充电体验，对于常温快充也能提高充电功率，缩短充电时间，实际上扭转了LFP材料低温性能较差的乾坤，再加上超高的体积利用率，进一步增强了LFP电池的竞争实力。

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图片源自皆电，原始数据来自德国某Model Y用户

而对于DM-i超级混动专用功率型刀片电池，采用的是电芯内部串联的方式，单电芯内阻并不大，尤其是集流体电阻比较小，发热很少。比亚迪的方案也是高频脉冲的方式对电芯加热，不过长安采用的是交流脉冲的方式，通过电驱进行调控。而比亚迪除了类似的控制方式外，还能在两组磷酸铁锂刀片电池组之间进行升压，互相放电进行加热。由于是直流放电，其电流会比较大，加热效果也相对好一些。所以比亚迪的DM-i超级混动车型在冬天下的表现也是相当出色的。

整体上，刀片电池的低温性能比普通铁锂电池要更优秀，对于EV纯电车型，这主要是因为其集流体电阻偏大带来了一定的加热效应，类似于王朝阳老师内置镍片加热的方式，只不过电阻还不到1mΩ，跟镍片的56mΩ小了很多。但是每个极片都能加热，其效果不容小觑。且从目前的实测结果来看，刀片电池低温下的续航以及充电表现都远超预期。不过虽然低温性能出众，电阻大高温发热却成了问题，所以比亚迪车型在夏测的表现让人大跌眼镜。不过话说回来，吐鲁番这种45℃以上的酷热天气毕竟是极端工况，普通消费者很难体验得到。而低温下的改善确是看得见，摸得着的，所以用菊厂某大嘴的话，刀片电池依然是“遥遥领先”。

小结：磷酸铁锂电池本征安全较好，且循环寿命较长，制约其规模应用的主要瓶颈一是能量密度低导致续航不足，二是低温性能差使续航在冬季更差。刀片电池的横空出世，非常巧妙地解决了这两个瓶颈：首先是体积成组效率提升使得车辆带电量增加，满足了长续航的需求；其次是电芯内阻大在低温放电时温升明显，相当于集成了自加热技术，从而显著改善了低温续航。

可以说刀片电池扭转了磷酸铁锂材料的本征缺陷，拓展了其应用的温度场景，这对于铁锂电池这两年在新能源汽车领域市占率的提升功不可没。虽然这样的设计会导致高温下续航和充电性能较差，但毕竟极限高温的应用场景有限，且电池在高温下活性较高，对于大部分用户而言并不是瓶颈。而对三元电池而言，低温和续航都不是大的瓶颈，做成刀片电池形态，比亚迪反馈在碰撞方面（尤其是挤压方面）还需要投入更多研究。也就是说，单体电芯的挤压不一定能通过，而且做成电池包以后的挤压和整车碰撞都不一定能通过，因为三元材料本征安全太差了。所以短期内依然不会有三元刀片电池，除非固态电池能取得较大突破。

文章来源：围锂时光

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