現(xiàn)代電動(dòng)汽車電池壽命分析

電池衰減(即電池儲(chǔ)能能力逐漸下降)的擔(dān)憂阻礙了潛在電動(dòng)汽車買家的購買意愿，并影響了二手車價(jià)格和車隊(duì)部署策略。

首批上路的電動(dòng)汽車隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)了明顯的續(xù)航里程衰減。然而，近期來自實(shí)際駕駛模式的數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)代電池的性能保持時(shí)間遠(yuǎn)超許多駕駛員的預(yù)期。這些電池壽命的延長部分歸功于新型電池化學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。電池到電池包(CTP或C2P)架構(gòu)¹和更先進(jìn)的熱管理技術(shù)也為改善電池性能做出了貢獻(xiàn)(圖1)。

圖1：電動(dòng)汽車底盤中的電池包安裝方式。(來源：Geotab¹)

來自網(wǎng)聯(lián)車輛陣列的數(shù)據(jù)顯示，在正常運(yùn)行情況下，電池平均每年衰減2%至3%。按此速度計(jì)算，許多電動(dòng)汽車電池在十年后仍能保持其額定容量的70%，這超出了大多數(shù)駕駛員和車隊(duì)管理人員的預(yù)期。

令人驚訝的是，同樣的數(shù)據(jù)揭示了一個(gè)引人注目的結(jié)果：電池壽命受車輛充電、運(yùn)行和熱管理方式的影響，遠(yuǎn)大于其使用年限。因此，駕駛員、車隊(duì)運(yùn)營商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)必須了解驅(qū)動(dòng)電池老化的物理和化學(xué)過程。

電池化學(xué)成分比較

目前大多數(shù)電動(dòng)汽車都使用鋰離子電池，其化學(xué)成分和技術(shù)在過去二十年中取得了快速發(fā)展。這些進(jìn)步包括創(chuàng)新的電極材料和電解液成分，從而提高了電池的質(zhì)量能量密度和體積能量密度。

與此同時(shí)，富鎳的鎳錳鈷(NMC)、鎳鈷鋁(NCA)以及日益普及的磷酸鐵鋰(LFP)技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。這反映了NMC和NCA的高能量密度與LFP更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和循環(huán)壽命之間的權(quán)衡。

在鎳基電池中，增加鎳含量可以通過增加充放電過程中鋰離子的交換數(shù)量來提高電池的能量密度。然而，這需要錳或鈷的結(jié)構(gòu)支撐來防止晶格永久性坍塌。

相比之下，盡管能量密度較低，但LFP電池因其更穩(wěn)定的特性而被廣泛應(yīng)用。磷酸鹽的加入使電池更加穩(wěn)定，這得益于其堅(jiān)固的分子結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，四個(gè)氧原子通過強(qiáng)共價(jià)鍵(多聚陰離子PO₄^3-)與一個(gè)磷原子牢固結(jié)合，從而形成穩(wěn)定的晶格。由于氧原子被更牢固地固定，不易釋放，即使在過度機(jī)械應(yīng)力和過熱的情況下，這種化學(xué)體系也具有更強(qiáng)的抗燃性。

電池管理系統(tǒng)(BMS)和熱管理

BMS實(shí)時(shí)監(jiān)測電池的充電狀態(tài)和電芯健康狀況，主動(dòng)限制過高的電壓和溫度，均衡各個(gè)電芯的電壓，并在必要時(shí)降低充電速率。

專門定制的熱管理策略，通常采用液冷技術(shù)(已應(yīng)用于中高端電動(dòng)汽車)，能夠減緩溫度相關(guān)的衰減，從而延長現(xiàn)代電池的使用壽命。

同樣重要的是，改進(jìn)的電池包密封性增強(qiáng)了電池的抗振機(jī)械性能，并實(shí)現(xiàn)了與CTP的無縫集成，從而延長了電池的使用壽命。由于所有這些因素，據(jù)報(bào)道，在實(shí)際駕駛條件下，電池的使用壽命可達(dá)20萬英里甚至更長。

加速電池衰減的現(xiàn)象

盡管現(xiàn)代電池的性能優(yōu)于早期基準(zhǔn)，但其壽命仍受制于控制其儲(chǔ)能能力和功率輸出的基本電化學(xué)和熱力學(xué)定律。

每次鋰離子電池充放電時(shí)，石墨負(fù)極上都會(huì)形成一層薄薄的鈍化層——固體電解質(zhì)界面(SEI)。這是因?yàn)樵谪?fù)極電位下，電解質(zhì)的熱力學(xué)不穩(wěn)定(意味著它們不處于最低能量狀態(tài))，會(huì)分解成不溶性產(chǎn)物并最終積累。隨著時(shí)間的推移，形成的鈍化層會(huì)增厚，消耗一部分鋰，從而降低電池的運(yùn)行容量。

另一個(gè)需要考慮的因素是，當(dāng)電池處于高倍率充電或低溫狀態(tài)時(shí)，鋰傾向于沉積在負(fù)極上，而不是嵌入石墨層內(nèi)。這種情況不僅會(huì)降低電池容量，還會(huì)導(dǎo)致內(nèi)阻增加，從而增加安全隱患。

在長時(shí)間循環(huán)過程中，富鎳正極的結(jié)構(gòu)逐漸受損會(huì)降低離子遷移率，導(dǎo)致能量密度下降。與此同時(shí)，高溫高電壓會(huì)加速液態(tài)電解質(zhì)的分解，釋放出氣體和電阻性副產(chǎn)物。此外，反復(fù)充放電循環(huán)引起的膨脹和收縮應(yīng)力會(huì)促進(jìn)電極中微裂紋的形成，從而降低電池內(nèi)部的導(dǎo)電性。

電池衰減的真實(shí)數(shù)據(jù)

全球互聯(lián)車輛和資產(chǎn)管理解決方案提供商Geotab于1月份發(fā)布的最新真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)一步印證了電池壽命更為樂觀的前景。

Geotab是一家總部位于加拿大、業(yè)務(wù)遍及全球的公司，其商業(yè)模式以大規(guī)模車輛遙測和數(shù)據(jù)分析為核心，服務(wù)于不同市場的車隊(duì)。通過處理來自數(shù)百萬輛汽車的數(shù)十億個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，Geotab的模型能夠提取真實(shí)的電動(dòng)汽車實(shí)際性能特征，從而提供比受控標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)室測試更為準(zhǔn)確的廣泛經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

該公司利用來自21款車型、超過22,700輛電動(dòng)汽車的綜合遠(yuǎn)程信息處理數(shù)據(jù)，對(duì)其最新的電動(dòng)汽車電池健康狀況進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示電池平均每年衰減約2.3%——雖然比其2024年的預(yù)測值略有上升，但仍符合長期使用壽命的預(yù)期。2023年的數(shù)據(jù)顯示，11款車型的平均電池年衰減率僅為1.8%，這一改善歸功于技術(shù)進(jìn)步。假設(shè)衰減率為2.3%(線性衰減)，預(yù)計(jì)八年后，平均電池容量(健康狀態(tài))將保持約81.6%。

這并不意味著電池質(zhì)量嚴(yán)重下降，衰減率回升至2.3%實(shí)際上反映了車輛樣本結(jié)構(gòu)的變化以及電動(dòng)汽車使用方式的改變。

盡管該數(shù)據(jù)集的推導(dǎo)并非完全遵循嚴(yán)格的科學(xué)規(guī)則(主要基于車隊(duì)使用模式)，但它仍然真實(shí)地反映了當(dāng)今電動(dòng)汽車電池的老化情況。電池衰減率的變化并非表明電池本身質(zhì)量系統(tǒng)性惡化，而是反映了電動(dòng)汽車使用頻率增加導(dǎo)致的快充使用習(xí)慣的改變。

主要因素?zé)o疑是充電功率。過度依賴100kW以上高功率直流快充(DCFC)的用戶，其電池年衰減率(3%)更快，約為使用低功率交流和直流充電器充電車輛的兩倍。顯然，直流快充系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生更多熱量，進(jìn)而引發(fā)電化學(xué)應(yīng)力過程?？斐鋵?duì)于長途旅行至關(guān)重要，但交替使用低功率充電有助于延長電池壽命。

按DCFC使用頻率和功率劃分的健康狀態(tài)(SoH)

圖2顯示了Geotab的研究結(jié)果。彩色線條代表：

1. 低頻→DCFC使用率低于12%
2. 高頻低功率→DCFC使用率高于12%，100kW以上低于40%
3. 高頻高功率→DCFC使用率高于12%，100kW以上高于40%

圖2：電池衰減與使用頻率和充電功率的關(guān)系。(來源：Geotab¹)

其他因素，例如氣候和高使用頻率，似乎影響較小。在較熱地區(qū)(車輛行駛溫度超過25℃的日子占比超過35%)運(yùn)行的電動(dòng)汽車，其電池?fù)p耗比在溫帶氣候地區(qū)運(yùn)行的電動(dòng)汽車高出約0.4%。然而，更高的日行駛里程僅導(dǎo)致電池?fù)p耗略有增加。從車隊(duì)角度來看，資產(chǎn)利用率的提高通常會(huì)抵消這一因素的影響。

數(shù)據(jù)也對(duì)“必須嚴(yán)格限制每日充電量”的觀點(diǎn)提出了挑戰(zhàn)。加速損耗主要在車輛長時(shí)間處于極高或極低的充電狀態(tài)(SoC)時(shí)才會(huì)顯現(xiàn)，這表明長期的充電習(xí)慣比偶爾的100%或接近空載充電更為重要。

“即使車輛充電速度更快、使用頻率更高，電動(dòng)汽車電池的健康狀況依然良好。” Geotab公司可持續(xù)出行高級(jí)經(jīng)理Charlotte Argue在隨報(bào)告發(fā)布的聲明中表示，“如今，充電行為對(duì)電池老化速度的影響更大，這為運(yùn)營商提供了通過智能充電策略管理長期風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)會(huì)。”

最終思考

Geotab的研究可能改變?nèi)藗儗?duì)電池衰減的傳統(tǒng)看法，將其從不可避免的事件轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢酝ㄟ^智能充電策略進(jìn)行管理的更可預(yù)測的過程。

得益于化學(xué)、BMS和熱管理技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代電池的使用壽命更長，甚至可以超過車輛的使用壽命。然而，這一結(jié)論需要謹(jǐn)慎對(duì)待，因?yàn)楹侠淼某潆娏?xí)慣有助于最大限度地提高電池性能，從而提升其價(jià)值。目前尚不清楚這些證據(jù)是否會(huì)吸引猶豫不決的潛在電動(dòng)汽車買家，但這些見解無疑填補(bǔ)了當(dāng)今瞬息萬變的市場環(huán)境中的信息空白。

參考文獻(xiàn)

¹ Cell to Pack – Battery Design

² https://www.geotab.com/blog/ev-battery-health/

(原文刊登于EE Times姊妹網(wǎng)站Power Electronics News，參考鏈接：An Analysis of the Longevity of Modern EV Batteries，由Franklin Zhao編譯。)

本文為《電子工程專輯》2026年7月刊雜志文章，版權(quán)所有，禁止轉(zhuǎn)載。免費(fèi)雜志訂閱申請(qǐng)點(diǎn)擊這里。