解读蔚来75kWh三元铁锂混合电池

2021-09-24 15:28:24 作者:黄恒乐

  【太平洋汽车网 技术频道】关于蔚来即将推出全新75kWh电池包的消息,其实已经传了好一阵子,笔者终于在今年9月末来到蔚来上海实验室一探究竟。

  全新75kWh电池包的精彩之处,在于使用了三锂配方与磷酸铁锂配方混装的方式,相比于老款70kWh电池包有续航与循环寿命上的提升,每款车换装新75kWh电池包之后均能提升约35km综合续航里程,且这批电池包可在蔚来换电站得到免费更换。

解读蔚来75kWh三元铁锂混合电池

  这篇文章没有写得很深奥,大可放心阅读,我也没纳入《电池研究院》栏目中。等相关知识积累更多之后,再另辟一片关于混合电池的文章发到专栏里,

 
一些基础信息点
1
 
续航增加

  从下表可知,搭载全新75kWh电池包之后,蔚来三个车系多款车型的NEDC续航值均增加大约35km。

蔚来新旧入门电池包性能
车型新75kWh电池旧70kWh电池续航提升幅度
ES6(运动版)455km420km↗ 35km
ES6(性能版)465km430km↗ 35km
EC6(运动版)465km425km↗ 40km
EC6(性能版)475km440km↗ 35km
2018款ES8385km355km↗ 30km
2020款ES8450km415km↗ 35km

  因为换电模式的基层逻辑,蔚来可以轻松实现电池升级,老用户不会觉得自己又被割了韭菜。

2
 
安全性能提升

  磷酸铁锂的安全性能远高于三元锂,热失控的可能性大大降低,但因为两种配方电池混用,电控难度增加了非常多。

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3
 
循环寿命增加

  磷酸铁锂本身的循环寿命就比三元锂长,而三元锂循环寿命短是因为电压范围用太尽了,经常满充会造成负极锂枝晶生长速度过快。

  以NCM三元锂为例,一般锂离子动力电池的标称电压在3.7V左右,工作电压范围宽达3.0-4.2V,换成磷酸铁锂配方之后,标称电压降低至3.2V,工作电压范围在3.0-3.3V之间,充电的终止电压只有3.6V左右。

  如果把这套混合电池的电压都标成磷酸铁锂的3.6V,三元锂就不需要用尽电压,锂枝晶生长速度变缓。在蔚来这套电池上,三元锂的电量只用了10%-90%这部分,上下共计10%没用,可以利用电压斜率最优段来较正整个铁锂的全部区间。

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4
 
更环保

  磷酸铁锂配方可以减少稀有金属的使用,减少环境污染负担。

5
 
获得更长续航不用额外花钱

  这批可以增加续航的75kWh新电池会陆续铺到全国各换电站,换电群体可以免费获得,新购车用户也可以选这款新电池,跟老款是同价的。

  为什么电池内部分换装成本更低的磷酸铁锂之后,没有降价呢?虽然部分电芯价格下降,但电控难度增加了,加了很多料才能造出来一款混合电池。

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6
 
新的电池包体系

  75kWh电池包在9月23日14:00正式上线配置器,替换原70kWh电池包。同时,蔚来发布了全新电池包产品体系: 

  A、标准续航电池包: 75kWh三元铁锂电池包 

  B、长续航电池包: 100kWh三元锂电池包 

  C、固态电池包:150kWh固态电池包(未量产,装上之后2018款ES8将超过730km,新ES8将超过850km,ES6和EC6将超过900km,ET7超过1000km。)

解读蔚来75kWh三元铁锂混合电池

7
 
电芯供应

  毫无疑问,还是宁德时代。

 
为何需要磷酸铁锂配方?

  相比电池横跨数百年的历史,磷酸铁锂配方的历史只能算“近期”发生的事。

  我们今天能用着刷着智能手机、听着真无线耳机、吃着电动车送来的外卖宅家度日,还得感谢三位2019年诺贝尔化学奖得主——迈克尔·斯坦利·惠廷姆(Michael Stanley Whittingham)、约翰·班尼斯特·古迪纳夫(John Bannister Goodenough)、吉野彰(Akira Yoshino)

电池研究院丨电池的昨天、今天与明天

  今年98岁高龄的“足够好先生”——约翰·班尼斯特·古迪纳夫(John Bannister Goodenough),其实从54岁才开始研发电池。古迪纳夫博士是锂电池领域最大的功臣,三大锂电池正极材料(钴酸锂锰酸锂磷酸铁锂)都是他带领的团队找出来的。

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  德州大学的古迪纳夫教授是公认的最早利用磷酸铁锂制作锂离子正极材料的研究者,其团队在1997年报道了LiFePO4这种新型橄榄石结构嵌入与脱出锂的可逆性,并表示新的磷酸铁锂配方物料更低廉且环境污染更少。

  其中要说明的是,LiFePO4LiMPO4(含锂磷酸盐)的其中一种,其中M可以是Fe、Co、Mn、Ti,LFP则是的LiFePO4简写。

电池研究院:让人又爱又恨的磷酸铁锂

  当前我们正在使用的磷酸铁锂配方电池,全称磷酸铁锂锂离子电池,属于锂离子电池的一种。正极即是上文提到的LiFePO4,可见磷酸铁锂的主要反应机理是由正极决定的,所以命名源于正极材料。

1
 
磷酸铁锂配方的优势

  A、一款真正的“无钴”锂离子电池。

  B、循环寿命长。

  C、热失控概率低,安全性能好。

  D、成本比三元锂大约低19%。

  E、没有记忆效应,有研究团队认为有且几乎可忽略)。

2
 
磷酸铁锂配方的劣势

  A、较差的导电性。

  B、较低的锂离子扩散系数。

  C、电压低。

  D、SoC测量精准性太差。

  E、快充极限差。

  F、能量密度不如三元锂。

  G、低温性能差。

 
有哪些技术难点,如何解决的?

  我们都知道,当前没有一款完美的动力电池,三元锂又贵又易燃,磷酸铁锂腿短且冬季不经用,混合多种主流配方电池的方案其实早在多年前就有车企提出,其中不乏大众集团这种行业巨子,但最终还是由蔚来给定制出来了。

解读蔚来75kWh三元铁锂混合电池

  下面我们会说到蔚来的几个解决方案:

1
 
磷酸铁锂配方低温性能的糟糕

  磷酸铁锂的重要特征便是低温性能不佳,非常的不佳,北方车主叫苦不迭。

  磷酸铁锂电池的工作温度范围为-20℃至75℃,有些磷酸铁锂电动汽车一旦到达0℃以下的环境温度就有启动困难的风险,若在-20℃的外部温度下,磷酸铁锂电池的放电容量只相当于25℃时的38%左右,我就问你还敢不敢开暖气……

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  因为低温性能不佳,所以磷酸铁锂电池的热管理系统变得尤为重要,最高效率的方式是采用PTC电阻来给电池包加热。虽然会耗费一定的电量,但也好过因为低温导致内部活性物质电化学性能大幅降低带来的续航锐减问题。

  磷酸铁锂电池正极的导电性本身就不佳,在低温环境下更是容易发生极化,电解液粘度增加并增加锂离子的迁移阻抗,导致电池内部结构的崩塌,电池损坏。

  因为磷酸铁锂天生的低温性能不佳问题,中国甚至出现了“北三元 南铁锂”的产业布局,当然另一个重要的方面是南派比亚迪与北派松下LG的产业话语权之争、

  之前磷酸铁锂版本的特斯拉Model 3在北方就遇到了静置后掉电严重的问题,解决方案是特斯拉建议用户一周充满一次,帮助特斯拉磷酸铁锂电池BMS系统积累北方地区的用户数据,更高的数据量可以带来更精准的SOC监测能力。等等,这玩意没标定完成就上市了然后等用户数据OTA完善?

解读蔚来75kWh三元铁锂混合电池

  蔚来三元铁锂电池的解决方案呢?主要分为以下4个:

  A、双体系控制算法:  独创的双体系算法,根据三元和铁锂电池低温特性进行模型化控制,经过多轮标定,有效提升了低温下电池系统的能量使用效率,保证低温性能。混合配方电池包的结构虽然被公布了,但算法是内部资料,其他车企想要复制蔚来的电池,还是绕不过算法机密。

  B、耦合电池产热智能热管理:根据电池低温下内阻升高的特性,开发电池的产热模型,结合整车的热管理,动态调整电池控制目标,达到能耗最小与驾驶体验的平衡,提升低温性能。

解读蔚来75kWh三元铁锂混合电池

  C、全散热路径物理阻隔: 电池包整包所有散热路径进行热量流通分析,根据大数据分析得出极冷天气下的热量损失来源,运用低导热材料及创新的结构设计,在所有路径上的关键结合点进行热量阻隔设计,有效提升驻车时电池的温度,避免电池温度低带来的能量损失。

蔚来发布全新75kWh电池包 续航提升约35km

  D、辐射式主动热补偿: 在长时间极低温环境下,主动开启辐射加热系统,兼顾电池能耗和温度均匀性,保证电池快速达到最优工作温度。12小时极冷环境下,电池最低温度提升40%,温度均匀性提升60%。

解读蔚来75kWh三元铁锂混合电池

  因为以上的技术补充,75kWh三元铁锂电池包得到了全方位保温,低温续航损失降低25%。 

2
 
磷酸铁锂配方SoC估算不准

  磷酸铁锂电池的电压比其他锂离子电池要低,而且工作电压范围比较窄,充放电曲线非常平缓,SOC监测准确度很低,电压一直都在3.2V左右所以很难监测出此时究竟是多高的SoC。

  蔚来之前尝试过用一节三元锂电池给整个磷酸铁锂电池包当“尺子”用,串联进电池包内部当SoC测量专员。

  如今蔚来引入了更多的三元锂电池,可以补足磷酸铁锂在能量密度上的短板。蔚来还开发这套双体系SoC算法,利用了三元铁锂双体系优势去做SoC精准估算。

  三元锂和磷酸铁锂在不同区间精度不同,蔚来用三元锂作为标尺,实时校准磷酸铁锂在平台段的SoC;在高/低段还可以利用磷酸铁锂的优势,校准三元锂的SoC。

解读蔚来75kWh三元铁锂混合电池

  同时,蔚来基于三元锂和磷酸铁锂的特性,如自放电的不同,还开发了大功率电池包内DCDC高低压转换系统,可以实现快速、实时、均衡的SoC校准。

  均衡得好的电池包,全包可以增加1kWh左右的能量,这是一个巨大的优势。

解读蔚来75kWh三元铁锂混合电池

  通过双体系电芯和配套算法,75kWh电池包解决了磷酸铁锂电池SoC估算误差过大的问题,误差从10%缩减至3%,没了之前的SoC跳变问题。

  SoC跳变,就是表显还有10%的时候,突然就给你显示“0%”或者“--”,不是不想告诉你,而是真的测不出来。

3
 
磷酸铁锂能量密度短板

  磷酸铁锂的能量密度短板是天生的,没办法根治,只能依靠外部力量去解决。

  一个方式是混合三元锂电池去均衡能量密度,但因为电压平台要调到一起去,所以三元锂的能量是没用尽的,前文我们也说到过这个事。

  另一个方式是使用CTP技术(Cell to Pack)去提升整包能量密度。在单体能量密度无法取得革命性突破的前提下,必须对模组结构进行改进,直接省去了模组和一大堆控制模块,把大块的电芯(单体Cell)直接安装到电池包(整包Pack)当中。

解读蔚来75kWh三元铁锂混合电池

  蔚来CTP结构可以让电池包体积利用率提升5%,同体系能量密度提升14%,制造装配简化10%。

 
匆匆结语

  早期蔚来也有使用磷酸铁锂的计划,曾经研发过68kWh磷酸铁锂电池包。但磷酸铁锂相较于三元锂在低温性能和SoC估算方面存在着用户使用体验方面的差距。所以蔚来没有量产此电池包的计划,而是着手研究新的解决方案。历时1年多的研发,诞生了这款三元铁锂电池包,我们还没拿到实车不好评价,但混合配方电池的确开拓了一个全新的领域——内燃机与电动机可以相互扬长避短形成Hybrid组合,为何电池与电池之间不能Hybrid一下呢?

  在新的混装型电池包中,三元锂电池拥有更高的能量密度、更高的功率密度、更好的低温续航表现、更精准的SoC估算能力,而磷酸铁锂电池拥有超高的循环寿命、更强的热稳定性、更低的生产成本、更环保的原料,两者互补。

  同事@官煜 老师补充了一些观点,笔者认为非常有建树,因而摘录给大家了解:

  1、发布会之后,蔚来APP里面有很多车主反对替换掉自己的70度三元锂电池,觉得这是蔚来在缩减成本的考虑下强行替车主做决定。

  2、蔚来推出的电池包是75kWh,其实也是有考量的:一来不能太大,不然100度电池包的用户有意见了,因为免费的居然跟我付费买的差不多;但是又不能太小,不然磷酸铁锂的特性会让用车体验相比之前下降。权衡之后就定这个75,能比原来的多一点点续航,对于用户来讲是好事,又不会影响成本,也不会影响大电池用户的体验。

  3、不影响卖车的残值,因为70和75都进入了流通体系,可以随意更换。

  4、动机是什么?按之前的预想,未来换电站更大可能性只有100度和150度的电池包,标准续航通过软件锁电方式限制。这样一来减少换电站的电池种类;二来软件锁电也可以让电量升级更灵活,即使按天租赁都可以;第三就是100度电池包锁电在70度的话,相当于只用了70%的电量,这个范围内基本上是峰值功率超级快充,不用涓流了。

解读蔚来75kWh三元铁锂混合电池

  因为稿期紧迫,这篇4000字文章写得有点“简短”,之后我会在《电池研究院》专栏里面开一篇更深度的内容发给大家看。

  这几年写了好些万字长文,但我一直不认为“深度”就是“字数多”,有些短文也能写出很深度、很有见地的内容,而长篇都市言情小说跟裹脚布一样长却不见得有任何深度。

  技术方面的长文,是作者用来挑选读者群体的,现在很多人不具备或者已经丢失了深度内容阅读能力,还嫌别人写得太深太长,这纯粹是返祖。

(图/文/摄:太平洋汽车网 黄恒乐)

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