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為何特斯拉電池循環壽命不好但能跑很遠呢?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年04月26日  

鋰離子電池的充放電過程,就是鋰離子的運動過程。從學術上來說,鋰離子重要做兩個運動,一個叫嵌入,一個叫脫出。


鋰離子是嵌在電池結構中的,在每次運動過程中,鋰離子都要從原來的結構中脫身,跑到另外一邊。張華打了個比方,這有點像你從一個房間搬運一堆東西到另一個房間。


不管是放電還是充電,鋰離子都是從電池的一極跑到另外一極。


對電池壽命的認識,要建立在對電池結構認識的基礎上。在充放電過程中,每一次參與運動的鋰離子越少,對結構的破壞越小。每一次參與運動的鋰離子跑得越慢,對結構的破壞也越小。假如鋰離子跑得差不多了,還要持續從里面抽取鋰離子,對電池就會有損傷。


結構越不穩定,被破壞得越多,循環壽命自然就會變差。所以,我們通常強調,鋰離子電池的充放電要淺充淺放,不要挑戰電池的「極限」。


其次,我們來關心材料。不同的電極材料有不同的電池結構。我們通過改變電極的材料比例來提高電池的能量密度的時候,電池的循環壽命也在發生變化。比如,特斯拉的NCA電池就比比亞迪的磷酸鐵鋰離子電池循環壽命更差。


而特斯拉在21700電池上應用硅碳負極,硅加得越多,電池結構越容易被破壞,循環壽命就越容易受到影響。電極材料對壽命的影響,也建立在電池結構上。


最后,溫度也是相同。零度以下的低溫也會對電池的結構帶來負面影響,甚至是永久損傷。


因此,充放電過程(深度/速度)、電池材料以及溫度這三個因素,都可以通過對電池結構的影響,影響電池的循環壽命。


說到這里,我們順便可以理解一下電池管理系統的用途。電池管理系統的核心目的就是為了保障電池在性能和壽命上的穩定。所以,電池管理系統重要做兩件事,一個管理內部環境與外界的交互,也就是管理電池的充放電過程。一個管理外部環境與電池的交互,也就是溫度(熱)管理。


有人說,車輛上表顯數據顯示電池消耗為0了,但是車還能再跑一會兒,這也是防止電池放電深度過高的一種管理。


大電池在充放電過程中可以更任性一點


那電池究竟充放電多少比較合適呢?


我們來認識三個詞。一個是SoC(StateofCapacity),表示電池的當前容量。一個是DoD(DepthofDischarge),表示電池放電的深度。還有一個是C(Current),表示電池充放電的倍率。


深度和速度,是充放電過程中的重要影響因素。


SoC和DoD


首先來看深度。


電池放電的深度是跟整個電池的容量有關的。比如說特斯拉的電池是90度電,其他電動汽車45度電。同樣開百公里5秒,特斯拉用了0.1%的電池容量,其他電動汽車用了0.2%的電池容量,對電池的傷害程度是不同的。


放電深度對循環壽命的影響,來源:StephenGrinwis


也就是說,深度考察的不是絕對數值,而是容量比例。大電池在這里占了一定的優勢。


而在速度上,充放電的倍率越高,所要的時間就越短,循環壽命也會越短。在同一輛車上,迅速地啟動,和緩慢地啟動,對電池的消耗是不相同的,損傷也是不相同的。快速加速,相當于電池快速地放電。


那我們期待的快速充電對電池是不是有損耗呢?肯定有,但我們更關心的問題是,這個損耗有多大。


假如一般充電樁慢充的循環壽命是700次,相匹配的快充的循環壽命是500次,對正常用車影響不會特別大。假如慢充的循環壽命是700次,快充的循環壽命是100次,那強推快充就沒有太大意義了。這也是為何不建議用充Macbook的電源去充iPhone的原因。


而談到不同的車型,由于特斯拉電池大,在同樣的加速度下,電流更小,相當于是一次慢放過程。從慢放的角度來說,電池衰減得更慢。


假如在這個基礎上,把電池的充放電速度提升25%。那么特斯拉的25%增速是0.1%的25%,其他電動汽車的25%增速是0.2%的25%,結果是不同的。


在駕駛過程中,同樣一次充放電過程,特斯拉消耗的電池容量比例低,進而降低了循環壽命的負面影響。所以說,特斯拉用大電池,彌補了循環壽命的缺點。盡管特斯拉電池可用的次數少,但是它跑得遠啊。這也是為何,盡管特斯拉循環壽命不高,但是用戶在感知上認為特斯拉的電池是足夠使用的。


這就是在和張華交流的過程中,讓我感受最深的一點。


看上去特斯拉所采用的NCA電池有很多短板,然而特斯拉通過電芯數量的堆積克服了電池性能上的短板。我們以為做的是加法,但這卻不是你以為的那種簡單的加法。


當然,張華并不推崇盲目提高電池續航,犧牲電池其他性能的做法。畢竟,電池續航數字是最容易被評估的,而對電池的其他性能則要車主們付出大量時間才能體驗到。


只是,在目前的充電環境下,在撬動車主對電動汽車的興趣下,續航是一個無法避開的問題。除非,我們要探索其他的新能源,這個話題下次可以繼續聊。


最后,張華的建議是,電池的充放電深度通常在20%到80%之間比較好。


特斯拉的電池續航能力到底有多強?


42號車庫,特斯拉的粉絲一直堅定地認為,特斯拉的技術水平是遙遙領先的(不對,這個詞現在已經不能隨便用了)。


傳統公司的工程師出來反駁,特斯拉并沒有你們以為的那么牛。粉絲不服,那你們的續航怎么沒有超過特斯拉?工程師不想解釋,卻在私下嘀咕,我們的能量密度也很高,只是成本太高沒人用而已。


工程師覺得粉絲啥也不懂,粉絲覺得工程師都是老頑固。兩個群體就這么互相標簽化,離多維度地還原事情的本質這件事越來越遠。兩邊的對立常常讓我困惑,為何不能好好交流呢。


越來越多的人問我這個問題,特斯拉的電池續航能力到底有多強。三言兩語說不清,不如嘗試著寫一寫吧。當然,我并不是專業工程師,有不對的地方歡迎指正。


在試著探討這個問題之前,我們先界定一下這個問題的前提條件,梳理幾個基礎概念。


1、車輛續航除了跟電池有關以外,還跟不同工況下的運行有關。由于后者的問題比較復雜,今天重要來談電池。


2、電池最重要的性能參數是能量密度,能量密度有體積能量密度(Wh/L),也有質量能量密度(Wh/kg)。我們在電池上更多談論的是質量能量密度(Wh/kg),它決定了單位重量的電池所儲存能量的大小。


3、電池的能量密度常常指向兩個不同的數據,一個是電池系統的能量密度,一個是電芯的能量密度。


電芯(Cell)是一個電池系統的最小單元,也有人描述為單體電池。你理解為單節電池就行,比如說,一節五號電池。M個電芯組成一個模組(Module),N個模組組成一個電池包(Pack),這就是車用動力鋰電池的基本結構。也有人直接把電池包叫做電池組。


NissanLeaf使用的是軟包電池,從上到下依次為電芯,電池模組和電池包。


其實就是一個很簡單的公式,電池包=N模組=N(M電芯)。


4、由于電池包關系到電池最終的形狀和車輛布置,大部分廠家會選擇采購電芯,自己來做電池系統。電池系統的能量密度和電芯選型有關,比如圓柱電池因為單個電芯容量小,電池系統結構復雜,在單個電芯能量密度占優勢的前提下,電池系統的能量密度相對會低一些。(結論參考來自麥肯錫的報告)


電動汽車制造商的電池供應鏈策略,原圖來自麥肯錫,42號車庫翻譯。


5、從結構上劃分,電芯重要有三種類型,方殼電池(Prismatic),軟包電池(Pouch)和圓柱電池(Cylindrical)。


從左到右分別為圓柱電池、方殼電池和軟包電池。


從原材料劃分,電芯有磷酸鐵鋰、鎳鈷錳(NCM)和鎳鈷鋁(NCA)等不同類型,這里的材料重要指的是正極材料。在原材料的影響中,正極材料對電芯的能量密度影響較大。


負極材料普遍以石墨為主,目前主流研究方向在探索硅碳負極的商業化。電芯的結構和原材料組成的不同,對電芯的能量密度均有影響。


以上這些內容,我再把要點總結一下。


在我們討論電池對車輛續航里程的影響時,重要討論的是電池系統的能量密度和總體重量的結構布置。而電池系統的能量密度重要由電芯正負極材料和結構選型決定。


建立了框架上的基礎認識之后,我們現在可以針對具體的車型來談細節了。


我們由大到小來看。首先,是電池包的整體結構。


在麥肯錫的報告中,提出一個很重要的結論,那就是不同車輛結構上布置的電池系統樣式,對電池系統的能量密度大小有重要影響。


關于這一點,我們直接看圖感受。


先來看一看在第二次電動汽車浪潮里,生產了第一款量產電動汽車EV1的老牌廠商通用。


從左到右分別為第一代Volt,第二代Volt,SparkEV和最新款的雪佛蘭Bolt的電池系統。其中,Volt為插電混動車型,SparkEV和Bolt是純電動汽車型,SparkEV是自EV1停產之后通用推出的第一款量產電動汽車型。


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