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怕自燃也怕衰减?技术解读OTA“锁电”

2021年08月28日 07:39:01
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来源:汽车之家

[汽车之家 技术] 近年来,中国的电动车市场可谓是日新月异,市场上高续航里程、极快加速和快充的电动车层出不穷。但与此同时,耸人听闻的电池自燃起火视频也时常引爆网络。在这个背景下,一些“无良”车企巧借进店保养的机会悄悄“升级”了车辆的电池管理软件,改变车的电池工作特性。细心的车主事后会发现续航里程出现巨大的缩水。这其中到底蕴含着怎样的逻辑?本文通过对锂电池的特性介绍,为大家梳理这其中的技术逻辑。

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娇贵的锂离子电池的四个“受不了”

①次次用到底受不了

  在很多“上个时代”的人印象中,用手机就该用到彻底没电。然后再充满。否则电池会有“记忆效应”,电量越用越少。这其实是错误的概念。因为早年间的镍镉电池或镍氢电池有这个问题。现在电动车中常见的锂离子电池并不存在这个问题。

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锂离子电池的寿命,即可充电次数,不是一个定量,而是和放电深度有关。可充电次数 x放电深度=总充电周期完成次数。总充电周期完成次数越高,代表电池的寿命越高。所以如果有机会充电,车企是鼓励消费者尽量充电的。但如果管不了车主们充电,就只能限制车的用电。“无良”车企因此直接通过升级软件将电量下限“锁定”到一个比较高的值,比如10%,即可简单粗暴地通过降低放电深度来延长电池寿命。

②充太多或充太快受不了

  就像人既不能饿着又不能撑着,锂离子电池的过充(overcharge)也会带来问题。它会导致正极活性物质结构的不可逆变化及电解液的分解。同时过充还会产生大量气体,放出大量的热(见下图红线右边的峰),极其容易发生爆炸,有安全隐患。因此要避免对电池产生过充。因此从保证安全的角度,车企会通过软件升级“锁定”一个电池充电的上限,比如90%,削减了可用容量。

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另外,锂离子电池还受不了狼吞虎咽――大的充电和放电电流都会导致锂离子的快速移动,过大的充电电流让锂离子快速脱离晶格,会对结构稳定性造成冲击,想要快速嵌入阳极,扩散速率跟不上,则会出现锂单质在阳极表面沉积;过大的放电电流会让大量锂离子短时间通过SEI膜,可能造成膜层结构的大规模破损。所以过大的电流会让电池快速老化。

③过热或过冷环境受不了

  我们生活的地球并不都是四季如春,冬天的严寒和夏天热浪对人的威胁同样会波及到锂电池。低温时,电解质移动的相当慢,从而影响锂离子在正负极之间的转移活性,导致电池充放电性能下降。充电过程中,负极的电化学极化明显加剧,析出的金属锂容易形成锂枝晶,穿破隔膜并导致正负极短路。

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  过热的环境会让正极材料发生分解,无论是磷酸铁锂还是三元锂(比如锰酸锂),而其中磷酸铁锂比锰酸锂稍好一些,但分解现象仍在。溶解现象会造成材料结构的变化和晶格的破坏,一方面导致高电压区充电容量的减少,另一方面造成活性物质间接触阻抗增大,锂离子迁移速率降低,最终导致电池失效。这里说的高温通常在60℃以上。考虑到电池在运行期间会放热,这个温度在夏天是比较容易出现的。

④长时间满电、无电受不了

不是每个电动车车主每天都开自己的车,遇到出差、旅游或疫情封城可能就不会动车。此时长期维持过高或过低的电量状态的锂电池也会“折寿”。长期处于无电量或低电量状态时,锂电池内部的电子移动所受到的阻力会增加,导致电池容量减小。而当电池一直处于满电状态,大量锂离子插入负极石墨,处于不稳定载体上,锂离子更容易脱落游离在电解液中,使电池容量降低。

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锂电池最好是处于电量的中间状态,电池寿命最长。通常情况下,维持10%-90%的电量有利于保护电池。

“骗人”的电量显示

就像速度表其实永远会显示比车速快的值,我们在车内看到的电量(SOC)也不是实际的SOC,而是已经被核算为可用的电量部分。换句话说,即使到0%,电池依旧是有电的。

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近年来特斯拉等车企已经培养了一大批消费者去习惯于用OTA更新的方式“升级”自己的车。因此车企也开始习惯于“悄悄地”用这种方式来改善电动车电池的管理策略。车从一个售出即完成的硬件产品变成了一个需要在整个使用周期不断维护完善的动态的软件产品。因此,无论是否接受,OTA升级改变已售出车的特性这件事是一个目前汽车业的大趋势。

不过这并不是意味着用户应该听任车企的操纵,让自己的车被改动。OTA升级的规则需要被规范,而在电量变少这件事上,特斯拉就有一个先例,并在今年得到了败诉的判决。通过这个案例我们可以大致看到这个领域内法律推崇的界限在哪里,这也给中国的类似新的案例一些启发。

败诉:OTA升级后里程骤降的特斯拉Model S和Model X

  2019年,特斯拉通过OTA升级软件,为当时正在服役的Model S和Model X提供了“能够延长电池寿命”的软件补丁。而用户发现的现象是减少了续航里程。原告David Rasmussen发现自己的2014款Model S 85在OTA之后损失了8千瓦时可用电量,特斯拉称这是正常的损耗。

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  这个软件升级之前,一台特斯拉Model S(参数|询价)在香港发生火灾,特斯拉认为需要为Model S和X改进充电和热管理的设定,进而起到保护电池、延长寿命的目的。

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  2021年7月29日,特斯拉在美国的集体诉讼中初步达成和解,将对1743台特斯拉Model S的车主每人赔偿625美元罚款,并被要求提供电池诊断和提示,在质保期内按需提供电池维修服务。本案特斯拉合计赔款150万美元,其中包括41万的原告方律师费。

高镍锂电池的流行和隐忧:镍钴锰811和镍钴铝

  此次锁定电量事件中的主角广汽丰田iA5、广汽埃安AION LX和威马EX5都不约而同的采用的是宁德时代公司生产的811电池芯。所谓811,指的是正极材料配方为镍钴锰(NCM)三元材料的锂离子电池,其中镍钴锰三个元素的占比8:1:1。该配方在近年来的电动车电池技术中颇为流行。而另一个流行的配方是特斯拉-松下采用的镍钴铝(NCA)。我国电动车补贴是鼓励高里程电动车的,这二者都具有能量密度相对高的特点,也正因如此,二者在中国的电动车市场近年来取得了较大的市场占有率。

  但随之而来的两种配方的缺点也十分明显――他们更容易出现热失控。

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  从上图可以看出,随着镍元素的增长,发热量激增的温度越来越低,换句话说,热失控风险越来越提前。

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上图将镍钴铝NCA也纳入了对比,它展现了比镍钴锰811更高的电量和更差的稳定性。不能只见贼吃肉,不见贼挨揍。这两种电池拿的补贴多,着的火也多,车企为了保证电池寿命、降低安全风险,也更倾向于在此类电池的充放电SOC范围上做更多的限制,即“电量锁定”。从这个角度看,广汽埃安等公司的此类行为也就不难理解了。

结论:理性用车,合理维权

在这个时代的中国,有电动车开是幸福的。中国作为最大的电动汽车消费国和生产国,已经激活了市场。产品选择多,价格低,技术领先,消费者已经享受到了世界级的先进电动车产品。但很显然,现有的产品依旧还没到完全成熟的阶段。因此我们本着科学理性的态度,在了解锂电池的局限性后,以更合理的方式用车,减少出事的风险。同时出了事也别急,有特斯拉的判例在先,用合理手段维权也是车主的应有权利。(本文作者:特约撰稿人罗新雨 编辑:杨鹏)

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