类星频道

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2021-08-20

极氪 001 :高效纯电的正确打开方式?

作者:The Office

续航和补能依然是纯电动车的最大痛点,解决里程焦虑有「开源」和「节流」两种路径。

极氪 001 提供 86 kWh 和 100 kWh 大容量电池包的做法属于前者,选择在输出和补能的效率提高上投入则属于后者,而往往后者更能体现厂商的功力和智慧。

97.86% 的极致

永磁同步电机的最高效率可达到 94 - 97%,特斯拉和 Rimac(就是之前收购了布加迪的克罗地亚超跑公司)的电机效率均为 97%。极氪 001 有两款电机可选,其中威睿电机将这一极限提高到 97.86%,迫近 98%,而在超过 93% 的使用场景下,电机效率都是超过 85% 的。

97.86% 和超 93% 是什么概念呢?美国给出的 2025 年电动车指导标准是电机最高效率 97%,中国给出的 2025 年电动车指导标准是电机效率超 80% 的面积区 ≥ 90%(即在超过 90% 的使用场景下,电机效率是超过 80% 的),极氪 001 在 2021 年已经可以达到 2025 年的国家指导标准。

提高电机效率,必然要用到 Hair-pin 发卡电机技术,也可称之为扁线电机技术。通过用横截面为矩形的铜条替换传统定子中铜线编成的股线,扁线电机可在同等空间条件下塞进更多面积的铜,专业术语为槽满率提升。横截面积增加,电阻会降低,根据初中的物理公式 P=I^2*R,铜耗也会跟着降低,电机效率自然就得到提升。

为了迫近 98%,极氪采用的是威睿 8 层发卡式方形扁线绕组电机,也是国内首家量产三合一扁线电机。这背后是扁线缠绕技术的研发积累,自动化产线的投入运营,以及国内扁线绕组供应体系的成熟。而一切努力都是为了提高电机输出效率,换来续航提升。

具体到驾驶场景上,我们可以将极氪 001 电机功率超 85% 的区域拆解为横向和纵向两个维度:

高效区间横向覆盖增加,意味着对应的转速区间变大,实现从低速拥堵到高速巡航工况间更全面的覆盖;
高效区间纵向覆盖增加,意味着对应的扭矩区间变大,体现在日常使用中就是匀速和急加速场景下的电机效率提升。

最终,不同使用场景和工况下的效率提升,都会反馈在实打实的续航里程提升上,这也正是极氪提升电机效率的意思所在。

当下最优解

还是要谈到「800 V」。极氪 001 是极氪品牌的首款车型,基于吉利 SEA 浩瀚架构打造,而浩瀚结构具备 800 V 高压能力,加之保时捷 Taycan 在 800 V 架构支持下 15 分钟充电 80% 的惊艳表现,大众对极氪 001 配备 800 V 的期望可以理解,但我们也要考虑一个现实的问题:800 V 真的是当下的补能最优解么?

保时捷 Taycan 在 2019 年 9 月上市,但近两年时间过去,Ta 依然是唯一个拥有 800 V 架构的量产车型。背后原因无他,800 V 高压架构太贵了。

800 V 高压架构的高昂成本主要体现在三个方面。首先「800 V」对电动车的高压元器件提出了新标准,逆变器就是其中代表。电动车因为要考虑尖峰脉冲的影响,「400 V」架构通常采用 650 V 耐压规格的功率模块,逆变器中传统 IGBT 器件的耐压极限也恰好在 600 - 700 V。改用「800 V」,IGBT 器件必须换为采用 SiC 材料的耐高压 MOSEFT 器件,SiC 高昂的成本我们已经多次科普过了。

其次电动车的高压架构是一项系统性工程,除了有关补能的充电系统,还涉及电池系统、电驱系统、高压辅件和线束系统,影响着车辆的启动、行驶、空调使用等。在经历研发、匹配、验证和市场检验的完整体系化循环前,贸然应用「800 V」并不可取。

最后是基础设施的跟进。充电站等基础设施的配套情况切实影响着电动车的使用体验,我们之前提到过大陆集团前 CEO Karl-Thomas Neuman 博士对 Taycan 充电体验的评价:

如果我设法连接到 800 V 的超充站,它们的充电速度非常快,短短 10 分钟内冲进 40 kWh 的电量。

但我们也看到,前提条件是「设法连接到 800 V 的超充站」。事实上,无论是在欧洲还是在中国,支持「800 V」高压架构的超充站配套情况并不乐观,所以 Karl 博士最终给出的结论是特斯拉「400 V」高压架构下的实际充电体验优于 Taycan 的「800 V」架构。

「800V」拥有光明的前景,但用户愿意花费高昂的价格换来不如「400 V」的体验么?至少在当下,400 V > 800 V,因为体验才是王道,这也就解释了为什么 6 月 11 日开启交付的 Model S Plaid 依然是 400 V 架构。

当提高电压这条路径被暂时性的「封住」后,提升充电功率的选择就剩下大电流,这也是极氪 001 的努力方向之一。极氪 001 峰值电流的设计极限是 600 A,这与 2020 年 3 月国家电网发布的技术白皮书中给出的新一代国标直流快充 Chaoji 600 A 的最大电流值完全一致。

600 A 峰值电流设计结合「400 V」架构,充电功率依然可达到 200 kW 以上,反应在实际使用中就是用户在付出有限的成本后即可得到充电 5 分钟,续航 120 km 的补能能力。

想一想,这样的补能能力,以及 NEDC 工况 606 km 的续航、双电机 400 kW 的功率、百公里 3.8 秒的加速能力,打包后的价格在 30 万元上下,很香是不是?但如果强行上 「800 V」,001 的价格翻上一翻,事情似乎就不太美丽了。所以,400 V / 600 A 是在平衡了成本和体验后当下厂商可提供的补能最优解。

电池管理&热系统

我们看续航表现,谈电池系统,离不开电池管理(BMS),尤其是涉及到「冬季续航缩水」这一电动车的顽疾上。

当冬季气温降至个位数,续航里程掉个大几十公里并不奇怪。解决续航里程焦虑,低温工况下电池性能衰减是绕不开的课题,而在电池材料取得突破性进展前(目前的主要方向还是在提升能量密度),电池管理是解决这一问题的主要途径。

说回极氪 001。极氪的思路是通过新的主动控温技术,将电池的工作温度维持在 15 - 39.8°C 的最佳区间内,对应的外在环境温度区间是零下 30°C 至零上 55°C,基本覆盖从极寒到酷暑的各种温度条件。

精准控制的一大前提是精准测量,因为精确获悉电池状态,对评估电池系统健康状况及做出调控决策至关重要。极氪 001 将单体电池温差锁定在 2°C 的同时,可实现单体 SOC 控制精度 < 2%。

SOC(State of Charge)即电池的荷电状态,是指电池中可释放容量占可用容量的百分比。SOC 精确度是电动车的老大难问题,极氪是为数不多实现 SOC 平均精度 3% 的厂商,反应在产品上,一来是 001 可以拥有更高效的电池管理。

二来则是我们用户感知更明显的表显续航数据的精确,因为这直接影响着我们的充电规划。在并不准确的显示数据下,我们很容易做出保守的充电规划,浪费不必要的时间,或是选择激进的策略,错过充电机会而影响行程,而在保守和激进间的徘徊中,里程焦虑也在积累。SOC 精度提升对用户体验的重要意义,就在于消除掉这份焦虑。

冬季的空调使用是影响电动车续航里程的又一大因素。电动车制热系统主要分为两种:PTC 和热泵。PTC 类似于北方的暖气,通过热敏电阻发热提升车内温度,热泵则是通过从低温热源的能量逆循环强制转移给高温热源(驾驶舱)实现空调功能。

两者的最大区别就是动率,PTC 系统的功率一般为 3 - 5 kW,相比之下热泵系统功率只有 1 - 2 kW。热泵系统 50% 的能耗下降对于电力宝贵的电动车而言弥足珍贵,体现在续航里程的回馈上,全系标配热泵系统的极氪 001 在制热速度提升 35% 的前提下,冬季续航可提升 15%。

结语

纵观极氪 001 的纯电策略,「高效」贯彻始终。无论是对电机效率优化的极致追求,还是 400 V / 600 A 的实用补能策略,以及在电池管理和热系统层面的针对投入,体现的是极氪在推动高效纯电上「多快好省」的用意,是在成本控制和用户体验间平衡的智慧。

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