正负极|一到冬天就吃瘪，-25℃下电车还能动得了吗？电解质|材料|问题|反应|电车

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以下是文字稿 ▼
各位是否有过这样的疑问，为什么美队在海底冻了 70 年还能被复活呢？

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诶你还别说，这事儿还真有官方解释。

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?血清使得美队的身体机能达到了人类顶峰，所以低温环境下血液并没有被冻住，而是依靠体内的糖原储存，降低了血液的冷冻温度，形成了类似 “ 低温保护剂 ” 的功能，最终撑到了解救。

这听起来虽然相当玄乎，但其实现实中是可以找到一些实例的，比如林蛙的冬眠也一样，关键都是利用自身能量降低冰点，达到防冻的目的。

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这说来简单，却是目前人体冷冻技术面临的一大难题。
无论是超级英雄电影还是星际穿越里的冷冻仓，影视作品里的冰冻技术都很成熟，成了最佳续命手段。
可在现实当中，我们显然还没有掌握驾驭寒冷的能力，就南方这零下几度的冬天都得开足暖气。

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然而冬天怕冷的还不只是我们，生活中广泛应用的锂电池也是一样怕冷，尤其是前些年买了电车的朋友们，想必对冬季驾驶的体会应该更加深刻。
什么启动不了、续航砍半、取暖捉急、充电慢......遇到一个都够让人血压拉满的了。
不过沃尔沃最近整了个新活儿，他们把一辆沃尔沃 XC40 纯电版，开到最低气温仅有零下 30 度的内蒙古海拉尔，将其放在了冰块里冻了 48 小时之后，还成功开了出来。

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这让我对现在电车上的抗寒技术有了兴趣，毕竟油车在冬天都会遇到启动问题，更不要提连机都开不了的电子产品了。
所以电车上是如何解决怕冷的问题呢？要回答这个问题，我们先来说说为什么发展了这么多年的电池依旧会怕冷。

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化学电池从发明到现在，其实已经过去了快200年。
但无论是早期使用的铅酸电池、镍氢电池、或是现在应用最广的锂离子电池，电池结构都没有发生质的改变，其基本原理都是高中课本上讲过的氧化还原反应。
正负极材料通过电解质隔开，充放电时依靠金属离子在正负极间的移动形成电势，从而实现化学能与电能之间的相互转换。

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而电池技术的进步也都几乎来自材料上的创新，尤其是正负极材料上的创新。
例如老旧电瓶车上的铅酸电池，就是用铅做负极、二氧化铅做正极（电解质为硫酸溶液）制成的。
负极材料换成石墨、正极材料换成锂离子化合物就是现在的不同种类的锂电池。
尽管现在锂离子电池是市场主流，但它也并非是完美的。
在低于零度的环境下，锂电池就会出现明显的能量损耗，低过零下25度后，电池的功率和容量甚至连正常温度下的十分之一都没有。
这样糟糕的表现并不是电池本身的错，或者说怕冷的不是电池，而是电池里的化学反应。

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低温环境下，电解液的活性会出现明显的下降、电解质的粘度增加，锂离子在正负极（阴阳极）间的移动变的越来越困难，化学反应效率越来越低。
反映到我们的使用上，就变成了电池不耐用、充电速度慢等一系列问题。
既然问题出在了反应活性上，那我们往里头加点儿催化剂不就完了？
所以电化学家就将具有高挥发性的碳酸酯掺入其中，提高了电解液的冻结温度，让锂离子的移动更加畅通无阻。

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这样虽然解决了耐冷问题，可却给电池带来了另一个难题：常温下易燃易爆。
毕竟这反应太活跃了也不行啊，加入的高挥发性的脂类化合物可是易燃的，夏天温度稍微高一点儿，这玩意儿不成了个定温炸弹了么？
换电极材料也一样，换上高能量的三元电极材料后，也能改善低温表现，但安全性同样会下降，你这车总不能是冬季限定吧。

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这也是为啥车子上必须得加装额外的电池板、散热器、防火材料等等保护装置。
所以说，电池依旧怕冷并不是做不到不怕冷，而是没办法做到既不怕冷又不怕热。
换句话来说，电池各方面的参数就像是RPG游戏里的职业，不会有哪个英雄输出高、有坦度、控制又足的，只能在众多需求中寻求一个平衡点。
比如我们现在的手机平板上的钴酸锂电池，也是妥协了使用寿命换取了电池容量。

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那到了电车上后，低温问题是不是更难解决了呢？是，也不是。
刚才说到的只是单个电池的情况，而纯电汽车的电池模块里通常会有成千个锂电池或者数个单体电池串并联组成。
所以在电车上，光是把一堆电池攒在一起，性能管理都成了问题。
不过电车作为交通工具而非一般消费品，有足够的空间与成本去解决这个问题，电池管理系统 BMS 的出现就是为了解决这些问题。

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BMS 的主要功能简单概括就是让电池组高效和安全地工作，因为即使是同一厂商同一批次生产的同一规格的电池，体质也会有微小的差异。
正常工作时就会出现电池容量不同的情况，如果不做处理的话，充放电时就会出现过压充电、欠压充电、输出不足等一堆问题。

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而且还会有温度升高引起的安全风险、电池寿命降低等副作用。
所以我们需要通过 BMS 这样一个 “ 指挥系统 ”，对电池的通电情况、电量情况、健康状态、温度以及电池平衡进行检测，并通过精准的算法来实现最优的调整方案。

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比如在汽车的正常行驶当中，我们希望所有的电池都能工作在 20%~80% 的健康容量下。
其次，我们还希望能自动平衡电量，充放电时能先给少的充，再给多的充，先消耗电量多的，再消耗电量少的。
各个电池模块、电池组的温度都能维持在锂电池的最佳工作温度下，所有的这些，全部都需要依靠 BMS 的帮助。
所以这也是电动汽车制造的部分门槛所在，也同样回答了为什么各家车厂理论上都能买到同样的锂电池，但实际续航各家却是天差地别。
比如沃尔沃 XC40 纯电版上的 BMS，为了监测电池温度，电池包内部共设计有 50~56 个温度控制点，可实现单个电池的温度测量。

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而低温环境下除了要解决电池怕冷的问题，还得解决人的取暖问题。
为了兼顾好二者， XC40 上同时搭载了热泵空调与 PTC 加热器，以便更好的应对不同温度环境。
热泵空调在低温环境下能够主动利用环境温度，以及电机废热对车舱内和电池包进行加热，首先保证电池模组的正常工作，保障续航里程的同时也能提升电池的充电效率。
当气温低于零下二十度，热泵效率开始变低后， BMS 中的 PTC 高压加热器开始接管加热工作，直接对电池进行加热，并会根据室温和电池的容量检测，实时调节加热保温时间。
一整套热管理系统，都能通过BMS进行统一智能管理，能够随时根据外界温度调整制热策略，充分利用热泵与PTC的特性，达到制热效率的最大化，让电池组和座舱内都能有冬暖夏凉的体验。
这也是沃尔沃这次能顺利完成挑战的原因，在零下 25℃ 的环境下，我们也能通过热成像清晰地看到底部电池的加热过程。
而在 48 小时冰封挑战结束后，破冰出来的 XC40 Recharge 表显剩余电量依旧是 100% 无损耗。
虽然显示 100% 也有可能是 95.999% 的四舍五入吧，但至少说明，这套占到了电池组总成本 20% 的电池管理系统还是功不可没的。

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除了极端天气的应对，沃尔沃这套BMS上的智能电池管理，也提高了电池的用电效率，最新的 XC40 纯电 P6 版的续航里程也达到了 529 KM（ NEDC标准）。
不得不说，破冰出来的XC40纯电版还是蛮帅的，毕竟前几次沃尔沃的整活儿实验可都是什么叠车、泡水等，让人一看就大受震撼的实验。

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其实当我们回顾沃尔沃的这几次整活，能很明显的发现其中的共同点，都在以大众能一眼看懂的方式来告诉你，我们很重视安全。
沃尔沃在去年就已经实现全系产品的电气化， Recharge 车型的销量更是占到了 2021 年全球销量的四分之一，并计划在 2030 年实现全面电动化。
回过头来，我们早已身处全球最大的电动汽车市场，但这些年，伴随着电动车出现的安全问题仍历历在目。
新技术的出现总会伴随着新的安全问题，而拥有 “ 安全基因 ” 的沃尔沃在这个后燃油车时代，依旧坚持在安全的基础上去探索的确不易。
但就像沃尔沃涉水实验开头说到的：只有不断进化的安全，才能让科技更具想象力。
撰文：小发编导：cc 编辑：面线
美编：焕妍（视频）& 萱萱（文章）
图片、资料来源：
enWiki ，Battery、BMS
Youtube， Volvo
Bilibili，沃尔沃
《电动汽车用动力蓄电池安全要求》
腾讯视频，王朝阳：电池与储能的未来
Stafl Systems， What is a Battery Management System?
Captain.America.The.First.Avenger
Frogs Come Alive After Winter Thaw | National Geographic
Interstellar How a Lithium Ion Battery Actually Works - The Limiting Factor
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