42号电动性能控

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2021-09-24

就多 5 度电的蔚来新电池包,是来开玩笑的吧?

  1. 蔚来
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传说中的 AB 电池,它来了!

就在今天下午 2 点,蔚来正式发布了 75 kWh 三元铁锂电池,还挺突然的。

根据官方信息,即日起,新购用户可以选择三元铁锂标准续航电池包(75 kWh)或三元锂长续航电池包(100 kWh)。而搭载 75 kWh 的车型在售价、BaaS 价格等与原三元锂 70 kWh 电池包车型相同。

这实质上就代表了 70 kWh 三元锂电池的停产,但是它依然会作为「标准续航电池包」,继续在换电站中服役。

什么?三元铁锂是个啥玩意儿?只增加 5 kWh 的容量,是开玩笑的吗?在搞清楚这个新词汇之前,我们先看看这个新电池带来了多少续航增加:

你可能会觉得续航也就增加了 30-35 km,好像也不是很厉害的亚子?但是它实际上却是市面上第一款三元铁锂电池包。

其实,三元铁锂并不是一种新的电池化学材料,而是在一个电池包里混装了三元锂和磷酸铁锂两种电芯的技术。看似没有难度,但实际上挑战不小。

比亚迪主打刀片电池(也是磷酸铁锂);特斯拉以及小鹏纷纷在它们主打车型的入门款中采用了磷酸铁锂电池。但是,蔚来偏偏不想搞单纯的磷酸铁锂。而事实上,之前有一款实际容量在 68 kWh 的磷酸铁锂,因为冬季续航等原因被「耿直」的斌哥否决了。

可能是因为这份对用户体验的执着,蔚来今天成为了全球首家量产应用三元锂+磷酸铁锂混合电芯电池包技术的车企。今天我们就来看看这款新电池包,到底厉害在哪里,遇到了怎样的挑战,以及如何走向量产。

电芯材料了解一下?

在说蔚来为什么要采用混用电芯的电池包之前,先说说两种不同材料的电芯之间的差别。

其中,正极材料作为核心材料,直接决定了电芯的命名方式和充放电性能。三元锂电池和磷酸铁锂电池是两条最主流的路线。而前者的「三元」指的就是镍、钴、锰(或铝),简称 NCM 或者 NCA。

三元锂

三元锂的最大的优势是在体积以及质量维度上的能量密度均高于磷酸铁锂。也就是同样的续航能力,三元锂电池更轻且更小。

除非这世上没有里程焦虑,对于能量密度的追求是永不停歇的。而增加能量密度的关键就是增加镍元素的比例。

不过,这样做就会让电池的化学性质变得不稳定,一是电池的寿命会受到影响;二是电芯中析出的氧气会导致电池热失控,从而引发电池起火爆炸。

而且对于量产车来说还有一个关键因素就是,三元锂电池的成本也更高。

磷酸铁锂

磷酸铁锂最大的优势是安全性和低成本。

磷酸铁锂晶体中的 P-O 键强度较高,大约可以承受三元锂能承受的两倍的温度,即便分解也不释放氧气,自燃风险更低。

更优秀的化学稳定性也让磷酸铁锂的循环次数更多。另外,磷酸铁锂本身不含有近年来价格水涨船高的钴元素,就是成本差距最大的原因。

但它的缺点也很突出,就是磷酸铁锂电芯的能量密度较低,只有三元锂的 3/4 左右。并且在低温下的电量衰减比较严重。

最后,因为磷酸铁锂满电到耗电过程中,电压变化较低,它的 SoC 估算难度非常高。说人话就是,你永远搞不太清楚你的电池到底还有多少电。

比蟹肉更好吃的蟹肉棒?

省钱可以,体验要好

对于蔚来来说,在这三元铁锂电池包中,磷酸铁锂用得越多,显然成本就相应降低。而且从数据上说,75 kWh 电池取代的是 70 kWh 的电池,而且还加量不加价。

如果省钱是唯一目的,那么用蔚来现有的 pack 中装下 75 kWh 当量的磷酸铁锂电芯,其实并没有很大难度。而真正的难点在于蔚来如何用磷酸铁锂电池来维持用户体验。

从数据上来说,用 5 kWh 的增量来取代之前标配的 70 kWh 三元锂电池无可厚非,但是就像蔚来 app 里面有人说的一样,如果 70 g 的蟹肉被同样价格的 75 g 的蟹肉棒取代,是本末倒置的。因为众所周知,蟹肉棒是鱼肉。

当然了,这样的比喻并不是很贴切。首先,这个电池包里面确实还有「蟹肉(三元锂)」。其次,蔚来通过种种「套路」,让这个蟹肉棒比蟹肉还好吃。

只不过,三元锂在这款电池中的角色,更像是个黄金辅助。

三元锂居然是个小棉袄

电池包的边缘,尤其是有两个面的四角处,其散热效果显然强于四周都有电芯的电池包中间部分。加上电池包壳体是铝合金材质,且蔚来车型采用换电而有空隙的缘故,四周的热量在冬季更容易被剥夺。

这样对于低温性能孱弱的磷酸铁锂来说是致命打击,区区 5 kWh 的增量在这种情况下,就相形见拙了。

其实,蔚来在原来的磷酸铁锂方案中考虑过在四角增加隔热材料以增加冬季续航能力,但是这样一来,空间和重量都被白白浪费了。

看完这张图,我感觉当时蔚来的电池工程师们就是这样想的:

三元锂不是低温性能更好吗?那么把它堆在最冷的地方不是很好吗?顺带还能起到保温作用!

最小用量的三元锂电芯起到了对磷酸铁锂电芯有效的保温作用,再辅以辐射式主动热补偿,新的 75 kWh 电池包在 12 小时极冷环境下相比以往产品,在温度均匀性上提升了 60%,电池最低温度也提升了 40%。

比较有意思的是,曾士哲还说,通过辐射式主动热补偿,把电池包的静置温度控制在 -5 度左右。至于为什么是这个数字?因为是大于这个数字的话能耗太高划不来,而低于这个数字的话损失太多也划不来。

最终结果就是,相比纯粹的磷酸铁锂电池,低温续航损失降低了 25%。

三元锂居然还可以是把尺子

但是,这块三元铁锂电池中的磷酸铁锂毕竟是多数,所以它依然面临着一个很严峻的问题,那就是磷酸铁锂电池部分的 SoC 估算(也就是你的电池里还有多少电)。

上图是磷酸铁锂(蓝)、三元锂(红)、铅酸电池(绿)的三种不同电池种类的放电曲线。

磷酸铁锂电池之所以不好计算 SoC,就是因为它的放电曲线过于平缓。说人话就是随着电池里的能量的减少,电压递减程度不高,难以用电池电压来判断还剩下多少电量,直到最后突然没电。

磷酸铁锂就像酒量不好的新同事一样,初来乍到的他无法拒绝被领导灌酒,结果喝着喝着最后吐一地(当然,我不推荐这种酒文化)。

但是三元锂电就不一样了,他属于喜怒哀乐全部写在脸上的耿直 boy,而且还容易发火爆炸(最好别这样)。

除了头尾两端,三元锂中随着电量减少而线性降低的电压,更加有利于估算电池包的 SoC。相比于阴阳怪气的磷酸铁锂,通过三元锂的电压来估算剩余电量就显得简单很多。

黑人兄弟的 key 担任奥巴马的「愤怒翻译官」

所以,磷酸铁锂搭配三元锂,就像是发了火也只能阴阳怪气的奥巴马通过他那位形表于色的愤怒翻译官来告诉大家他的真实想法。

这种三元作为标尺来估算磷酸铁锂的原理其实非常简单。

三元锂电芯的实际容量要大于磷酸铁锂电芯,这样做的目的就是可以用三元锂 10%~90% 的剩余电量空间来作为标尺,因为上述也说明过了,头尾部分的精度并没有那么高。

硬要简单粗暴一点理解的话,三元锂 90 % 的容量对应磷酸铁锂 100%,而前者 10% 的电量对应后者 0% 的电量。中间的区间,基本上就像解一个一元一次方程那么简单(真实情况肯定也没这么简单),然后再按比例对应上。

至于最终的 SoC 的估算精度,蔚来官方表示三元铁锂电池包可以做到和三元锂电池一致,误差降低至 3% 以内。

细节也挺感人

画面中标记的部分是新增的 DCDC,可以实现快速且动态地进行电量校准,确保了不同电芯串联带来的不利因素被降低到最低。同时也实现了不依赖小电瓶就能实现下电时的自检。随着 DCDC 进一步的成熟,将来也不排除安装在 100 kWh 电池包上。

被动安全方面,除了电池包这个区域中纵梁的增加以及起到防水作用的物理隔断,电池包前方的保险丝也被转移到后侧,进一步增加碰撞时的可靠性。

如果仔细观察,你还可以发现电池包两侧的溃缩部分新做了两道切口。这也是为了降低侧面的导热能力,确保冬季续航能力。大家也可以放心,这个方向的开口对于吸能表现,并没有什么影响。

用户体验说明一切

经过以上种种努力,采用了 CTP 技术的 75 kWh 电池包制造装配简化 10% ;体积利用率提升 5%;能量密度提升 14%,达 142 Wh/kg。

而重量方面,作为磷酸铁锂为主的电池包,也只增加了 15 kg 左右,并不需要重新标定悬挂调教。同样地,据曾士哲介绍,车辆内置 4 种 BMS 方案,并不会因为在换电站换到新款 75 kWh 电池就出现不匹配的问题。

其实,这一款混合电芯电池包本身,的确有很多宁德时代的因素在里面,也不能保证别家不会用类似的方案。
或者我们也可以自信一点,肯定会有别家跟进这种更新鲜的玩法。毕竟,铁锂电芯一个五毛,三元锂电芯一个九毛。能省多少就是赚多少。

不管怎么样,铁锂的应用范围被拓宽是一个事实,而随着补能体系的完善,尤其是可以换电的蔚来,电池大小在产品力的衡量中,也会随着对使用场景理解而更加理性。

曾士哲也明盘了,这款电池包在硬件上大家确实都可以学,可以模仿。但真要做出好的产品,算法和数据才是关键。从 SoC 估算,到动态调节热管理以优化性能和电耗等等...

这样的自研,既是蔚来作为用户企业的追求,也是作为一家头部新势力维持竞争力的重要壁垒。

当然,随着换电站越来越多,我对征服寒冬的底气也越来越足。希望有机会在冬天的内蒙或者东北,亲自验证一下这款三元铁锂的性能,到底如何。

不过还是借此机会,让我让我先行感叹一下:

让磷酸铁锂香起来的,居然是三元锂...

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