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解讀蔚來75kWh三元鐵鋰混合電池

2021-09-24 15:28:24 作者:黃恒樂

  【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)頻道】關(guān)于蔚來即將推出全新75kWh電池包的消息,其實(shí)已經(jīng)傳了好一陣子,筆者終于在今年9月末來到蔚來上海實(shí)驗(yàn)室一探究竟。

  全新75kWh電池包的精彩之處,在于使用了三鋰配方與磷酸鐵鋰配方混裝的方式,相比于老款70kWh電池包有續(xù)航與循環(huán)壽命上的提升,每款車換裝新75kWh電池包之后均能提升約35km綜合續(xù)航里程,且這批電池包可在蔚來換電站得到免費(fèi)更換。

解讀蔚來75kWh三元鐵鋰混合電池

  這篇文章沒有寫得很深?yuàn)W,大可放心閱讀,我也沒納入《電池研究院》欄目中。等相關(guān)知識(shí)積累更多之后,再另辟一片關(guān)于混合電池的文章發(fā)到專欄里,

 
一些基礎(chǔ)信息點(diǎn)
1
 
續(xù)航增加

  從下表可知,搭載全新75kWh電池包之后,蔚來三個(gè)車系多款車型的NEDC續(xù)航值均增加大約35km。

蔚來新舊入門電池包性能
車型新75kWh電池舊70kWh電池續(xù)航提升幅度
ES6(運(yùn)動(dòng)版)455km420km↗ 35km
ES6(性能版)465km430km↗ 35km
EC6(運(yùn)動(dòng)版)465km425km↗ 40km
EC6(性能版)475km440km↗ 35km
2018款ES8385km355km↗ 30km
2020款ES8450km415km↗ 35km

  因?yàn)閾Q電模式的基層邏輯,蔚來可以輕松實(shí)現(xiàn)電池升級(jí),老用戶不會(huì)覺得自己又被割了韭菜。

2
 
安全性能提升

  磷酸鐵鋰的安全性能遠(yuǎn)高于三元鋰,熱失控的可能性大大降低,但因?yàn)閮煞N配方電池混用,電控難度增加了非常多。

電池研究院:電池的長(zhǎng)壽秘訣是什么?

3
 
循環(huán)壽命增加

  磷酸鐵鋰本身的循環(huán)壽命就比三元鋰長(zhǎng),而三元鋰循環(huán)壽命短是因?yàn)殡妷悍秶锰M了,經(jīng)常滿充會(huì)造成負(fù)極鋰枝晶生長(zhǎng)速度過快。

  以NCM三元鋰為例,一般鋰離子動(dòng)力電池的標(biāo)稱電壓在3.7V左右,工作電壓范圍寬達(dá)3.0-4.2V,換成磷酸鐵鋰配方之后,標(biāo)稱電壓降低至3.2V,工作電壓范圍在3.0-3.3V之間,充電的終止電壓只有3.6V左右。

  如果把這套混合電池的電壓都標(biāo)成磷酸鐵鋰的3.6V,三元鋰就不需要用盡電壓,鋰枝晶生長(zhǎng)速度變緩。在蔚來這套電池上,三元鋰的電量只用了10%-90%這部分,上下共計(jì)10%沒用,可以利用電壓斜率最優(yōu)段來較正整個(gè)鐵鋰的全部區(qū)間。

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4
 
更環(huán)保

  磷酸鐵鋰配方可以減少稀有金屬的使用,減少環(huán)境污染負(fù)擔(dān)。

5
 
獲得更長(zhǎng)續(xù)航不用額外花錢

  這批可以增加續(xù)航的75kWh新電池會(huì)陸續(xù)鋪到全國(guó)各換電站,換電群體可以免費(fèi)獲得,新購(gòu)車用戶也可以選這款新電池,跟老款是同價(jià)的。

  為什么電池內(nèi)部分換裝成本更低的磷酸鐵鋰之后,沒有降價(jià)呢?雖然部分電芯價(jià)格下降,但電控難度增加了,加了很多料才能造出來一款混合電池。

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6
 
新的電池包體系

  75kWh電池包在9月23日14:00正式上線配置器,替換原70kWh電池包。同時(shí),蔚來發(fā)布了全新電池包產(chǎn)品體系: 

  A、標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航電池包: 75kWh三元鐵鋰電池包 

  B、長(zhǎng)續(xù)航電池包: 100kWh三元鋰電池包 

  C、固態(tài)電池包:150kWh固態(tài)電池包(未量產(chǎn),裝上之后2018款ES8將超過730km,新ES8將超過850km,ES6和EC6將超過900km,ET7超過1000km。)

解讀蔚來75kWh三元鐵鋰混合電池

7
 
電芯供應(yīng)

  毫無疑問,還是寧德時(shí)代。

 
為何需要磷酸鐵鋰配方?

  相比電池橫跨數(shù)百年的歷史,磷酸鐵鋰配方的歷史只能算“近期”發(fā)生的事。

  我們今天能用著刷著智能手機(jī)、聽著真無線耳機(jī)、吃著電動(dòng)車送來的外賣宅家度日,還得感謝三位2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主——邁克爾·斯坦利·惠廷姆(Michael Stanley Whittingham)、約翰·班尼斯特·古迪納夫(John Bannister Goodenough)、吉野彰(Akira Yoshino)。

電池研究院丨電池的昨天、今天與明天

  今年98歲高齡的“足夠好先生”——約翰·班尼斯特·古迪納夫(John Bannister Goodenough),其實(shí)從54歲才開始研發(fā)電池。古迪納夫博士是鋰電池領(lǐng)域最大的功臣,三大鋰電池正極材料(鈷酸鋰錳酸鋰、磷酸鐵鋰)都是他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)找出來的。

電池研究院丨電池的昨天、今天與明天

  德州大學(xué)的古迪納夫教授是公認(rèn)的最早利用磷酸鐵鋰制作鋰離子正極材料的研究者,其團(tuán)隊(duì)在1997年報(bào)道了LiFePO4這種新型橄欖石結(jié)構(gòu)嵌入與脫出鋰的可逆性,并表示新的磷酸鐵鋰配方物料更低廉且環(huán)境污染更少。

  其中要說明的是,LiFePO4LiMPO4(含鋰磷酸鹽)的其中一種,其中M可以是Fe、Co、Mn、Ti,LFP則是的LiFePO4簡(jiǎn)寫。

電池研究院:讓人又愛又恨的磷酸鐵鋰

  當(dāng)前我們正在使用的磷酸鐵鋰配方電池,全稱磷酸鐵鋰鋰離子電池,屬于鋰離子電池的一種。正極即是上文提到的LiFePO4,可見磷酸鐵鋰的主要反應(yīng)機(jī)理是由正極決定的,所以命名源于正極材料。

1
 
磷酸鐵鋰配方的優(yōu)勢(shì)

  A、一款真正的“無鈷”鋰離子電池。

  B、循環(huán)壽命長(zhǎng)。

  C、熱失控概率低,安全性能好。

  D、成本比三元鋰大約低19%。

  E、沒有記憶效應(yīng),有研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為有且?guī)缀蹩珊雎裕?/p>

2
 
磷酸鐵鋰配方的劣勢(shì)

  A、較差的導(dǎo)電性。

  B、較低的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)。

  C、電壓低。

  D、SoC測(cè)量精準(zhǔn)性太差。

  E、快充極限差。

  F、能量密度不如三元鋰。

  G、低溫性能差。

 
有哪些技術(shù)難點(diǎn),如何解決的?

  我們都知道,當(dāng)前沒有一款完美的動(dòng)力電池,三元鋰又貴又易燃,磷酸鐵鋰腿短且冬季不經(jīng)用,混合多種主流配方電池的方案其實(shí)早在多年前就有車企提出,其中不乏大眾集團(tuán)這種行業(yè)巨子,但最終還是由蔚來給定制出來了。

解讀蔚來75kWh三元鐵鋰混合電池

  下面我們會(huì)說到蔚來的幾個(gè)解決方案:

1
 
磷酸鐵鋰配方低溫性能的糟糕

  磷酸鐵鋰的重要特征便是低溫性能不佳,非常的不佳,北方車主叫苦不迭。

  磷酸鐵鋰電池的工作溫度范圍為-20℃至75℃,有些磷酸鐵鋰電動(dòng)汽車一旦到達(dá)0℃以下的環(huán)境溫度就有啟動(dòng)困難的風(fēng)險(xiǎn),若在-20℃的外部溫度下,磷酸鐵鋰電池的放電容量只相當(dāng)于25℃時(shí)的38%左右,我就問你還敢不敢開暖氣……

電池研究院:讓人又愛又恨的磷酸鐵鋰

  因?yàn)榈蜏匦阅懿患?,所以磷酸鐵鋰電池的熱管理系統(tǒng)變得尤為重要,最高效率的方式是采用PTC電阻來給電池包加熱。雖然會(huì)耗費(fèi)一定的電量,但也好過因?yàn)榈蜏貙?dǎo)致內(nèi)部活性物質(zhì)電化學(xué)性能大幅降低帶來的續(xù)航銳減問題。

  磷酸鐵鋰電池正極的導(dǎo)電性本身就不佳,在低溫環(huán)境下更是容易發(fā)生極化,電解液粘度增加并增加鋰離子的遷移阻抗,導(dǎo)致電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的崩塌,電池?fù)p壞。

  因?yàn)榱姿徼F鋰天生的低溫性能不佳問題,中國(guó)甚至出現(xiàn)了“北三元 南鐵鋰”的產(chǎn)業(yè)布局,當(dāng)然另一個(gè)重要的方面是南派比亞迪與北派松下LG的產(chǎn)業(yè)話語權(quán)之爭(zhēng)、

  之前磷酸鐵鋰版本的特斯拉Model 3在北方就遇到了靜置后掉電嚴(yán)重的問題,解決方案是特斯拉建議用戶一周充滿一次,幫助特斯拉磷酸鐵鋰電池BMS系統(tǒng)積累北方地區(qū)的用戶數(shù)據(jù),更高的數(shù)據(jù)量可以帶來更精準(zhǔn)的SOC監(jiān)測(cè)能力。等等,這玩意沒標(biāo)定完成就上市了然后等用戶數(shù)據(jù)OTA完善?

解讀蔚來75kWh三元鐵鋰混合電池

  蔚來三元鐵鋰電池的解決方案呢?主要分為以下4個(gè):

  A、雙體系控制算法:  獨(dú)創(chuàng)的雙體系算法,根據(jù)三元和鐵鋰電池低溫特性進(jìn)行模型化控制,經(jīng)過多輪標(biāo)定,有效提升了低溫下電池系統(tǒng)的能量使用效率,保證低溫性能。混合配方電池包的結(jié)構(gòu)雖然被公布了,但算法是內(nèi)部資料,其他車企想要復(fù)制蔚來的電池,還是繞不過算法機(jī)密。

  B、耦合電池產(chǎn)熱智能熱管理:根據(jù)電池低溫下內(nèi)阻升高的特性,開發(fā)電池的產(chǎn)熱模型,結(jié)合整車的熱管理,動(dòng)態(tài)調(diào)整電池控制目標(biāo),達(dá)到能耗最小與駕駛體驗(yàn)的平衡,提升低溫性能。

解讀蔚來75kWh三元鐵鋰混合電池

  C、全散熱路徑物理阻隔: 電池包整包所有散熱路徑進(jìn)行熱量流通分析,根據(jù)大數(shù)據(jù)分析得出極冷天氣下的熱量損失來源,運(yùn)用低導(dǎo)熱材料及創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在所有路徑上的關(guān)鍵結(jié)合點(diǎn)進(jìn)行熱量阻隔設(shè)計(jì),有效提升駐車時(shí)電池的溫度,避免電池溫度低帶來的能量損失。

蔚來發(fā)布全新75kWh電池包 續(xù)航提升約35km

  D、輻射式主動(dòng)熱補(bǔ)償: 在長(zhǎng)時(shí)間極低溫環(huán)境下,主動(dòng)開啟輻射加熱系統(tǒng),兼顧電池能耗和溫度均勻性,保證電池快速達(dá)到最優(yōu)工作溫度。12小時(shí)極冷環(huán)境下,電池最低溫度提升40%,溫度均勻性提升60%。

解讀蔚來75kWh三元鐵鋰混合電池

  因?yàn)橐陨系募夹g(shù)補(bǔ)充,75kWh三元鐵鋰電池包得到了全方位保溫,低溫續(xù)航損失降低25%。 

2
 
磷酸鐵鋰配方SoC估算不準(zhǔn)

  磷酸鐵鋰電池的電壓比其他鋰離子電池要低,而且工作電壓范圍比較窄,充放電曲線非常平緩,SOC監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度很低,電壓一直都在3.2V左右所以很難監(jiān)測(cè)出此時(shí)究竟是多高的SoC。

  蔚來之前嘗試過用一節(jié)三元鋰電池給整個(gè)磷酸鐵鋰電池包當(dāng)“尺子”用,串聯(lián)進(jìn)電池包內(nèi)部當(dāng)SoC測(cè)量專員。

  如今蔚來引入了更多的三元鋰電池,可以補(bǔ)足磷酸鐵鋰在能量密度上的短板。蔚來還開發(fā)這套雙體系SoC算法,利用了三元鐵鋰雙體系優(yōu)勢(shì)去做SoC精準(zhǔn)估算。

  三元鋰和磷酸鐵鋰在不同區(qū)間精度不同,蔚來用三元鋰作為標(biāo)尺,實(shí)時(shí)校準(zhǔn)磷酸鐵鋰在平臺(tái)段的SoC;在高/低段還可以利用磷酸鐵鋰的優(yōu)勢(shì),校準(zhǔn)三元鋰的SoC。

解讀蔚來75kWh三元鐵鋰混合電池

  同時(shí),蔚來基于三元鋰和磷酸鐵鋰的特性,如自放電的不同,還開發(fā)了大功率電池包內(nèi)DCDC高低壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)、均衡的SoC校準(zhǔn)。

  均衡得好的電池包,全包可以增加1kWh左右的能量,這是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。

解讀蔚來75kWh三元鐵鋰混合電池

  通過雙體系電芯和配套算法,75kWh電池包解決了磷酸鐵鋰電池SoC估算誤差過大的問題,誤差從10%縮減至3%,沒了之前的SoC跳變問題。

  SoC跳變,就是表顯還有10%的時(shí)候,突然就給你顯示“0%”或者“--”,不是不想告訴你,而是真的測(cè)不出來。

3
 
磷酸鐵鋰能量密度短板

  磷酸鐵鋰的能量密度短板是天生的,沒辦法根治,只能依靠外部力量去解決。

  一個(gè)方式是混合三元鋰電池去均衡能量密度,但因?yàn)殡妷浩脚_(tái)要調(diào)到一起去,所以三元鋰的能量是沒用盡的,前文我們也說到過這個(gè)事。

  另一個(gè)方式是使用CTP技術(shù)(Cell to Pack)去提升整包能量密度。在單體能量密度無法取得革命性突破的前提下,必須對(duì)模組結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),直接省去了模組和一大堆控制模塊,把大塊的電芯(單體Cell)直接安裝到電池包(整包Pack)當(dāng)中。

解讀蔚來75kWh三元鐵鋰混合電池

  蔚來CTP結(jié)構(gòu)可以讓電池包體積利用率提升5%,同體系能量密度提升14%,制造裝配簡(jiǎn)化10%。

 
匆匆結(jié)語

  早期蔚來也有使用磷酸鐵鋰的計(jì)劃,曾經(jīng)研發(fā)過68kWh磷酸鐵鋰電池包。但磷酸鐵鋰相較于三元鋰在低溫性能和SoC估算方面存在著用戶使用體驗(yàn)方面的差距。所以蔚來沒有量產(chǎn)此電池包的計(jì)劃,而是著手研究新的解決方案。歷時(shí)1年多的研發(fā),誕生了這款三元鐵鋰電池包,我們還沒拿到實(shí)車不好評(píng)價(jià),但混合配方電池的確開拓了一個(gè)全新的領(lǐng)域——內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)可以相互揚(yáng)長(zhǎng)避短形成Hybrid組合,為何電池與電池之間不能Hybrid一下呢?

  在新的混裝型電池包中,三元鋰電池?fù)碛懈叩哪芰棵芏取⒏叩?a class="cmsLink" target="_blank">功率密度、更好的低溫續(xù)航表現(xiàn)、更精準(zhǔn)的SoC估算能力,而磷酸鐵鋰電池?fù)碛谐叩难h(huán)壽命、更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性、更低的生產(chǎn)成本、更環(huán)保的原料,兩者互補(bǔ)。

  同事@官煜 老師補(bǔ)充了一些觀點(diǎn),筆者認(rèn)為非常有建樹,因而摘錄給大家了解:

  1、發(fā)布會(huì)之后,蔚來APP里面有很多車主反對(duì)替換掉自己的70度三元鋰電池,覺得這是蔚來在縮減成本的考慮下強(qiáng)行替車主做決定。

  2、蔚來推出的電池包是75kWh,其實(shí)也是有考量的:一來不能太大,不然100度電池包的用戶有意見了,因?yàn)槊赓M(fèi)的居然跟我付費(fèi)買的差不多;但是又不能太小,不然磷酸鐵鋰的特性會(huì)讓用車體驗(yàn)相比之前下降。權(quán)衡之后就定這個(gè)75,能比原來的多一點(diǎn)點(diǎn)續(xù)航,對(duì)于用戶來講是好事,又不會(huì)影響成本,也不會(huì)影響大電池用戶的體驗(yàn)。

  3、不影響賣車的殘值,因?yàn)?0和75都進(jìn)入了流通體系,可以隨意更換。

  4、動(dòng)機(jī)是什么?按之前的預(yù)想,未來換電站更大可能性只有100度和150度的電池包,標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航通過軟件鎖電方式限制。這樣一來減少換電站的電池種類;二來軟件鎖電也可以讓電量升級(jí)更靈活,即使按天租賃都可以;第三就是100度電池包鎖電在70度的話,相當(dāng)于只用了70%的電量,這個(gè)范圍內(nèi)基本上是峰值功率超級(jí)快充,不用涓流了。

解讀蔚來75kWh三元鐵鋰混合電池

  因?yàn)楦迤诰o迫,這篇4000字文章寫得有點(diǎn)“簡(jiǎn)短”,之后我會(huì)在《電池研究院》專欄里面開一篇更深度的內(nèi)容發(fā)給大家看。

  這幾年寫了好些萬字長(zhǎng)文,但我一直不認(rèn)為“深度”就是“字?jǐn)?shù)多”,有些短文也能寫出很深度、很有見地的內(nèi)容,而長(zhǎng)篇都市言情小說跟裹腳布一樣長(zhǎng)卻不見得有任何深度。

  技術(shù)方面的長(zhǎng)文,是作者用來挑選讀者群體的,現(xiàn)在很多人不具備或者已經(jīng)丟失了深度內(nèi)容閱讀能力,還嫌別人寫得太深太長(zhǎng),這純粹是返祖。

(圖/文/攝:太平洋汽車網(wǎng) 黃恒樂)

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