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2021-10-01

蔚来三元铁锂:一次非典型电池创新

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出行百人会旗下媒体,关注汽车出行产业链进化

作者:李逸之

9 月 23 日,蔚来发布了全新的「三元铁锂」标准续航电池包,预计 11 月开始交付。

顾名思义,这个电池包里既有三元锂,又有磷酸铁锂。事实上,这是首款投入量产的三元 - 铁锂电芯混排电池。

它有一些不错的数据,直击磷酸铁锂的痛点 —— 低温续航损失降低 25%,电量估算误差在 3% 以内。但在用户尤为关注的容量上,它 75kWh 的电量相比蔚来已有的 70kWh 三元锂电池包只增加了 5kWh。

吃瓜群众有些不解,在 2021 年,蔚来为什么要大费周章地去对电池进行这样的 「微升级」?

延迟一年的项目

三元铁锂电池项目负责人、蔚来电池系统副总裁曾士哲说,其实这款电池是迟了一年才发布。蔚来原计划在 2020 年 11 月同时推出 70kWh 磷酸铁锂电池和 100kWh 的三元电池,不过前者出了一点差池。

2020 年,磷酸铁锂因为成本较低、安全性好,在电动汽车的装机量重新开始上扬。到今年,其争夺市场更是势不可挡。

蔚来那时也决定让磷酸铁锂上车,除了上述两个优势,还有一点考量。磷酸铁锂材料本身的潜力已经挖掘得差不多了,不用担心头年做一个方案两三年就过时 —— 在技术演进太快导致产品力迅速贬值这个问题上,蔚来吃过不少亏,比如蔚来最近就推出了针对老车主的车机芯片升级计划,用高通 8155 替代当年根本找不到对手的英伟达 X1。

不过,磷酸铁锂本身的能量密度比较低,而且蔚来的电池包要考虑换电兼容的问题,在双重限制之下,电池团队在 2020 年拿出来的是一个 68kWh 的磷酸铁锂电池包方案。

这个方案很快被管理团队否决了。

过去几年在消费者眼中,磷酸铁锂电池几乎和 「低端」 划等号了。经过长时间的实践,磷酸铁锂低温下掉电快和表显续航不准的问题暴露得很充分,并且一直没得到很好的解决。即使是以 BMS 算法实力强著称的特斯拉,在国内推出搭载磷酸铁锂电池的标准续航版 Model 3 后,也依然经历了这两个问题。

蔚来 2017 年推出的三元电池包就有 70kWh,如果在 2020 年推出一款参数和实际性能开倒车的磷酸铁锂电池包,蔚来作为安身立命之本的 「用户体验」 还要不要了?

因此 68kWh 的磷酸铁锂电池包被搁置,曾士哲的团队被要求解决三个核心问题 —— 电池容量、SOC(state of charge,即电池剩余容量)估算准确率、低温性能。

时间紧任务重,蔚来电池团队和供应商沟通,但他们也没有现成的方案可以同时解决这三个问题。

对于电量,蔚来尝试过一种方案:在磷酸铁锂电池包中多加几排三元电芯提高容量。但这样一来电池包成本又上去了,加上研发、开模等费用,不仅不能降本反而还赔了。

最后蔚来选择宁德时代新一代的 CTP-S 无模组技术,电池系统成组效率更高,把系统能量密度提升到了 142wh/kg,才把电池包容量提高到 75 度。

接下来是 SOC 与低温性能的问题,电池团队最终还是靠加三元电芯解决了,只不过不是加的几排,而是几枚。所以,蔚来发布的三元铁锂电池,实质仍是三元为辅的磷酸铁锂电池包。

但就是这一点点三元电芯的加入,磷酸铁锂电池最大的痛点或许得到了解决。

量尺 + 隔热瓦,三元拯救铁锂?

在讲蔚来如何化腐朽为神奇之前,我们要补充一点基础知识。

磷酸铁锂为什么 SOC 算不准?

因为 SOC 是要利用电池满电时电压高、亏电时电压低的特性,通过测量电压来计算校准的。但磷酸铁锂有个特点,充放电的中间阶段电压会有一个 「平台期」,此时即便电池不停地放电(或充电),但测得的电压没有变化或者变化很小,而到一个临界值,电压又会陡然变化。

下方曲线为磷酸铁锂电池电压曲线

而用户在开车时能看到的就是(尤其是在低电量时),明明前几分钟还有 100 公里续航,开出去没多远就只剩不到 50 公里了。

磷酸铁锂为什么低温性能差?这是材料本身的特性决定的。相比于三元锂,磷酸铁锂电池的离子电导率本身就低了几个数量级,而在低温条件下,电池内部的阻抗大幅提高。这会造成低温(尤其是温度为零下时)时磷酸铁锂电池容量明显衰减。打个比方就是,这个小伙儿原本就没那么活泼,温度一低,更不想动了。

磷酸铁锂这些先天本质特征,很难在短时间内从材料学上得到显著改善(或者可能永远无解),只能依靠工程创新的办法在电池系统层面打补丁。如何打补丁?主要就是加入三元锂。

三元锂与磷酸铁锂恰恰相反,一方面,其充放电电压的变化非常线性;另一方面,其低温性能较好,低温容量衰减不明显。

对磷酸铁锂 SOC 不准的问题,蔚来的解决方案是,将三元锂作为 「尺子」,与铁锂电芯串联,通过测量三元锂的电压作为 「参考答案」,来计算整个电池包的电量。

而对低温性能差的问题,电池团队通过测试和数据分析,发现电池包的四个角热量散失最快、温度最低,于是便将对低温耐受较好的三元锂电芯放置在边角,充当隔热瓦。对散热量次之的四边则贴上加热垫,并对整个电池施加主动式热补偿。

解决思路看起来并不困难,甚至会让人觉得,「我上我也行」。事实上,两种电芯混排不是没有其他车企尝试过,但没有量产。因为在电池行业,为了保证电池运行的可控、安全,有一个关键词叫 「一致性」—— 如果一个电池包里的电芯体质各不相同,有些沉闷 ,有些活泼,有些短命,那热失控的风险会显著上升,解决一致性才是问题的大头。

最典型的问题是,三元锂的工作电压比磷酸铁锂要高,循环寿命则比磷酸铁锂要短。

为此,蔚来电池团队做了几项工作:

一是对三元锂电芯进行锁电,使其只在 10-90% 的容量区充放电,一方面让电压标尺更好地和磷酸铁锂对齐,另一方面则通过少干活的方式延长寿命,向磷酸铁锂靠近。

二是开发了一套复杂的算法,对三元锂和磷酸铁锂的状态进行实时的匹配和校准。据称算法量是传统 SOC 算法的 10 倍之多,反复开发、测试了 8 个月才完成。

三是应用了一个大功率的 DCDC(直流转换器),通过它对特定电芯进行放电,从而将其校准到需要的状态。

此外,蔚来自身掌握的大量数据和数据分析能力也在提升三元铁锂电池包性能方面发挥了重要作用。

比如,其 SOC 算法会结合不同用户的驾驶风格进行 「定制化」 地计算,让针对具体用户的电量估算更准。蔚来在大数据支持的测试中发现,电池包应对低温时保温能力维持在 - 5°(而不是传统的 0°)其实是能耗最优点,进而调整了主被动散热的布置方案。

曾士哲在介绍技术方案的时候,说了一句听起来很自信的话,「是不是大家都可以做?其实不是。」 言外之意,要同时掌握电池技术的 know how 与足够的数据,才能完成这次三元铁锂的工程创新。

结语

在做完上述一系列并不简单的工作后,蔚来最终才推出了容量微升级的三元铁锂电池包。据称,因为新电池包用到了 300 个传感器,并且重新设计研发、开模,成本优势对三元锂电芯并不明显,需要其得到广泛认可、大量铺开后,才能进一步摊薄成本。

这说明电池的确是一门螺蛳壳里做道场的技术,需要大量的创新(无论是材料创新还是工程创新)才能在成本、性能与安全的不可能三角之间获得些许突破。而蔚来为了守住用户体验的高地更是再加一层难度。

蔚来用户们会喜欢这款电池吗?还有待时间验证。

但研发团队在这次电池升级中所锤炼的工程创新能力,如果能够被积累、复用,那对蔚来将会是个好消息。

本文著作权归作者所有,并授权 42 号车库独家使用,未经 42 号车库许可,不得转载使用。
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