電池研究院：不好意思，未來的電池真的可靠嗎？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-04 10:38
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在“電池研究院”欄目的第一集《比亞迪第三代DM技術(shù)如何節(jié)油？》當(dāng)中，我們分析了“P0+P3+P4”高階構(gòu)架下的插電式混合動力系統(tǒng)如何工作。然而，混動系統(tǒng)對于絕大多數(shù)車企而言還是過于復(fù)雜了，不僅開發(fā)成本高昂，而且還撈不到幾個(gè)子兒補(bǔ)貼。
“簡單暴力上純電”是目前絕大多數(shù)造車新勢力的選擇，蔚來便是其一。造純電是為了補(bǔ)貼？豪華車銷量太低，因而無法拿到這么多份固定額度的補(bǔ)貼，補(bǔ)貼比車價(jià)貴的那些低速電動車改良版才是騙補(bǔ)神器。
閑話不多說，直入技術(shù)主題吧。
蔚來電池技術(shù)
A、電池越多越好？
很多朋友都會問：為何不可以堆多一點(diǎn)電池，讓純電動車的續(xù)航再高300km？
筆者先反問一句：執(zhí)飛“廣州- 北京”的空客A380可以裝載250噸航空煤油，為什么每次只裝載50噸呢？
答案很簡單：我們不應(yīng)該耗費(fèi)多余的能量，用于運(yùn)輸能量介質(zhì)本身。
舉個(gè)例子，特斯拉Model S 75電池能量的24%被用于運(yùn)輸電池本身。如果給Model S裝載4倍容量的電池，續(xù)航不可能是4倍，因?yàn)檫@時(shí)候大約60%電能用于運(yùn)輸電池了。
當(dāng)然，業(yè)界也有一些辦法來解決“電池能量密度過低”的世界難題：液流電池技術(shù)（很有可能是死胡同）、增程式發(fā)電技術(shù)（依然有較多污染）、石墨烯電池（商用化遙遙無期）、直流快充技術(shù)（只要成本降下來，這是突破口）。
B、電池能量密度越高越好？
電池技術(shù)瓶頸真的無法突破嗎？是的，目前全球電池研發(fā)與生產(chǎn)均沒有質(zhì)變式的突破，因?yàn)橐粔K簡單的電芯（基礎(chǔ)元件）需要受到多達(dá)6個(gè)維度的因素制約：循環(huán)壽命、功率密度、能量密度、工作溫度區(qū)間、安全、成本。
6個(gè)維度的表現(xiàn)，就像是游戲里的“技能樹”，我們手中只有有限的技能點(diǎn)，不能讓所有維度的表現(xiàn)都全優(yōu)，除非你愿意用200萬成本打造一臺15萬家用車的電池組，以做慈善的方式促進(jìn)我國新能源事業(yè)發(fā)展。
C、蔚來的電池有何特點(diǎn)？
6個(gè)維度互相制約，自始至終都無法做到完美平衡，多方博弈之下，蔚來ES8的電池包選擇了安全與循環(huán)壽命作為首要提升目標(biāo)。
蔚來提出了“三縱三橫”的安全構(gòu)架：
我們來理解一下上述表格：
1、“電芯 - 模組 - 電池包”是從微觀到宏觀的排序，電芯得精巧，用電芯組合成的模組才安全，用模組組合成的電池包也才安全；
2、“電池包- 模組 - 電芯”是從宏觀到微觀的排序，電池包外殼受損，模組外殼還能繼續(xù)保護(hù)；模組外殼也受損了，電芯本體還有自我保護(hù)能力；
3、“預(yù)防 - 控制 - 損控”是以時(shí)間順序排列的，先預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)；但是風(fēng)險(xiǎn)還是有的，所以需要用各種溫控、電控、密封來規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)損害無法避免時(shí)，還有損控流程還降低損失。
D、硬殼電芯有何優(yōu)勢和劣勢？
既然蔚來選擇了安全優(yōu)先，硬殼電芯成為首選。剛剛我們提到，任何電芯電池都不可能是盡善盡美的，因此有了下表內(nèi)容：
我們來解讀一下上述表格：
1、硬殼電芯（方形電芯）的最大優(yōu)勢是安全，畢竟鋁合金/不銹鋼殼子硬；但是硬殼電池的整包能量密度普遍不高，太多重量被用來保護(hù)電芯本身。這是蔚來、大眾、豐田、寶馬、奧迪的選擇。
2、軟包電芯的本體重量較輕，單體電芯一致性非常好，問題是加上冷卻系統(tǒng)之后，輕量化優(yōu)勢又沒剩太多了。愛馳、前途、通用等等車企都選擇了軟包，你的手機(jī)也是。
3、圓柱電芯運(yùn)用最廣泛，而且散熱好，單位重量的容量較高。圓柱電芯的供應(yīng)商特別多，中日美韓都有成熟的圓柱電芯生產(chǎn)企業(yè)，包括特斯拉在內(nèi)的最大多數(shù)車企都選擇了圓柱電芯，包括你的筆記本電腦。
E、說了那么久，把數(shù)據(jù)請出來吧
先看一個(gè)總表：
我們繼續(xù)來解讀：
1、毫無疑問，蔚來用了三元鋰離子“內(nèi)餡”。目前，三元鋰電池比出貨量更高的磷酸鐵鋰電池更具實(shí)用意義，研發(fā)潛力也更強(qiáng)一些，但耐用性并不如磷酸鐵鋰那么強(qiáng)（比亞迪e6鐵電池出租車可以運(yùn)營50萬公里）。
2、4P96S電芯排列方式，也即是96顆電芯為一個(gè)模組，4個(gè)模組組成蔚來電池包，里頭共計(jì)384顆方形電芯，比特斯拉的7000多顆圓柱電芯好控制多了。
3、電池包重量525kg，蔚來ES8的整備質(zhì)量約為2460kg，占比不到1/4。實(shí)際上，我們可以看到ES8底盤內(nèi)部還有空間可以安放更多電池（下圖），但為何蔚來沒有這樣做呢？蔚來給的答復(fù)是：為了服務(wù)換電模式，蔚來電池包的外尺寸必須兼容品牌最小車型。也即是說，電池包全品牌統(tǒng)一，車子越小，續(xù)航越長。
4、服務(wù)換電模式可以，但為何不能在ES8的底盤空隙里面安放固定位置的電池包以增強(qiáng)續(xù)航？比如“70kWh可換電池包 + 20kWh固定電池包”。蔚來的答復(fù)是：電控難度加大，電池一致性非常難解決。（作者畫外音：記得大眾汽車的“高性能+高容量混搭電池包”嗎？搞砸了……）
5、蔚來硬殼電池包的整包能量密度為135Wh/kg，是目前量產(chǎn)的硬殼電池包里頭最高的，但比不上更具密度優(yōu)勢的軟包電池包與圓柱電池包（雖然已經(jīng)很接近主流水平）。不打緊，蔚來的下一款電池包是奔著160Wh/kg來的，非常值得期待。
F、蔚來電池包安全測試
蔚來電池包經(jīng)歷了將近1000天的安全測試，81個(gè)測試項(xiàng)目，涵蓋用車過程中的各種可控、不可控風(fēng)險(xiǎn)，比如：
1、過冷/過熱的環(huán)境溫度，對電池包的影響遠(yuǎn)大于對內(nèi)燃機(jī)的影響。蔚來電池包需要在-40℃和+85℃之間的125℃溫差之間“生存”下來，頗為勵(lì)志。
2、內(nèi)燃機(jī)冷啟動困難，純電動車?yán)鋯痈羌灏尽Ｎ祦淼乃湎到y(tǒng)可以自動預(yù)熱，消耗一定電能，讓電池包迅速進(jìn)入工作狀態(tài)。
3、一般來說，純電動車自燃的逃生只有60-120秒。蔚來電池包在火燒130秒之后依然能使用（不是真的讓你繼續(xù)開，而是告訴你這電池包還沒失控爆炸），因此在真正遭遇火情時(shí)，車主的逃生時(shí)間會大幅度增長。
4、強(qiáng)大的防水性能，是一眾南方車主的福音。這里指的是涉水過隧道的能力比汽油車還強(qiáng)，而不是把車子泡在洪水中沒事。（即使電池包沒事，內(nèi)飾早就便淹了。）
5、最后是跌落測試，半噸中的電池包自由落體，杠杠的，硬殼電池的優(yōu)勢。
蔚來電控技術(shù)
蔚來BMS電池管理系統(tǒng)擁有多項(xiàng)技術(shù)亮點(diǎn)，我們來一一細(xì)數(shù)：
A、液冷恒溫技術(shù)
之前有讀者問過我們，“淺充淺放”是否能讓電池壽命更長。是的，但并不如控制溫度那么有效。打個(gè)比方吧，如今手機(jī)快充技術(shù)已經(jīng)全面鋪開，其實(shí)快充傷電池的速度，遠(yuǎn)不及高溫傷電池的速度（即使充電速度慢）。
因?yàn)樗谋葻崛莞?，整套溫控系統(tǒng)的換熱系數(shù)高，冷卻與加熱速度快，想要快速且精準(zhǔn)地控制電池溫度，液冷恒溫技術(shù)（俗稱“水冷系統(tǒng)”）必不可少。蔚來電儲能系統(tǒng)的每個(gè)電池模組內(nèi)置有3個(gè)電芯溫度傳感器，可實(shí)現(xiàn)溫度精確檢測和控制。
蔚來將鋁制液冷板鋪于電池模組下，在模組與液冷板之間加入一層導(dǎo)熱墊，并在液冷板與殼體底部之間再鋪設(shè)有隔熱和絕緣材料，確保電池整系統(tǒng)的恒溫和安全。工作時(shí)，電芯的溫度傳遞到模組與冷板接觸的底部，再通過導(dǎo)熱墊傳給液冷板，液冷板外壁再把熱量傳導(dǎo)到冷卻液，達(dá)到降為溫目的。加熱過程反之亦然。
然而，液冷恒溫技術(shù)并非黑科技，蔚來的技術(shù)重點(diǎn)是 —— 這套技術(shù)支持換電模式。也即是說，當(dāng)蔚來車子進(jìn)入換電站之后，液冷系統(tǒng)的雙向截止閥會自動關(guān)閉/打開，讓液冷系統(tǒng)與電池包液冷回路斷開/重連（耐久性為10000+次），實(shí)現(xiàn)液冷電池包快速更換。
B、精準(zhǔn)的SOC測量與估算
首先必須說明一個(gè)知識點(diǎn)：電池包是非常復(fù)雜的一個(gè)電化學(xué)論題，剩余電量的曲線不是筆直的（剩余燃油的剩余能量是基本筆直的），需要視乎電芯的健康程度、外界溫度變化、充放電倍率來預(yù)估。
在純電動車的實(shí)際使用過程中，時(shí)速會變，溫度會變，用戶的駕駛需求也會變，BMS預(yù)估的SOC永遠(yuǎn)都存在偏差。BMS想要盡可能地糾正測量誤差，就必須通過先進(jìn)的軟硬件性能提升精度，減少損耗性。
蔚來給出的解決方案有三個(gè)重點(diǎn)：
1、提升傳感器測量精度：整包電流傳感器采用德國進(jìn)口的伊莎貝拉傳感器，電流采樣精度高。
2、提升芯片的處理能力：新一代英飛凌主芯片，具備32位數(shù)據(jù)處理的能力。
3、強(qiáng)大的算法處理能力：蔚來獨(dú)立研發(fā)。
C、均衡策略
蔚來BMS不是一個(gè)單獨(dú)的控制器，它相當(dāng)于BMU（Battery Management Unit電池管理單元）+ N 個(gè)CSC（Cell Supervisory Controller電芯監(jiān)控控制器），即BMS= BMU + n × CSC。
內(nèi)置那么多CSC電芯監(jiān)控控制器，是因?yàn)殡娦镜囊恢滦允怯邢薜模ㄓ行╇姵匕仨氂猛慌蔚碾娦静拍芙M建），電芯與鄰居之間的性格有微量差異，這時(shí)候就必須執(zhí)行均衡策略。
簡單來說，就是BMS通過均衡電阻對電芯進(jìn)行主動控制，讓高電量與低電量電芯均衡一致。如此一來，即使每個(gè)電芯在經(jīng)過同一輪充放電循環(huán)后擁有了各自不同的特性，BMS還是能讓它們趨向于一致，此舉將減緩SOH衰減，延長電池壽命。
D、實(shí)時(shí)監(jiān)控 & 大數(shù)據(jù)
為了達(dá)到蔚來宣稱的“1500次充放電循環(huán)衰減不低于80%”的電池壽命，一套實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是BMS的必備，而這些傳感器在上文已經(jīng)表述過了，那就不再贅述。
我們需要知道的是蔚來對電池包的監(jiān)控與維護(hù)邏輯：
1、當(dāng)BMS監(jiān)測到電池健康狀態(tài)異常，就會報(bào)告給車輛，車載系統(tǒng)立即上傳數(shù)據(jù)給蔚來。
2、更換掉這塊疑似故障的電池并不困難，你可以APP/電話通知NIO Power，剩下的事情交給他們。
3、你也可以在換電站直接把現(xiàn)役電池包換走，裝載健康的電池包繼續(xù)行程。這就是換電站的另一個(gè)優(yōu)勢。
4、云端大數(shù)據(jù)可以執(zhí)行很多事情，比如指導(dǎo)車主前往最近的換電站獲得健康的電池包、指導(dǎo)車主獲取迭代后的更高容量的電池包、為蔚來NIO Service / NIO Service提供數(shù)據(jù)支撐等等。
蔚來電機(jī)技術(shù)
其實(shí)，筆者一直認(rèn)為驅(qū)動電機(jī)的技術(shù)并非新能源汽車科技的核心（內(nèi)燃機(jī)則是傳統(tǒng)汽車工業(yè)的核心），真正決定一臺純電動車性能的是電池包。這樣說吧，如果我們有一個(gè)同樣體積/重量、可以容下700kWh電量的蔚來電池包，請把EP9的驅(qū)動電機(jī)給我們的ES8、ES6、ET7裝上，公路與賽道上再無吾之對手。
不過，目前電池技術(shù)瓶頸依然未得到突破，我們想要一臺“力氣大、吃得少”的純電動車，就必須在性能與節(jié)能之間尋找均衡。
且看下圖，蔚來ES8的驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，“逆變器 - 電機(jī) - 減速器”即是完整結(jié)構(gòu)，這就是0-100kW加速4.4秒的根源。
A、“雙三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”的逆變器
“逆變器”很好理解。我們用電網(wǎng)的交流電給車子充電之后，存儲在蔚來70kWh電池包內(nèi)的電是直流的，這時(shí)候我們就要一個(gè)DC to AC的變壓器將其轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子最愛的交流電。
雖然多數(shù)媒體很少關(guān)注逆變器，但其實(shí)逆變器需要執(zhí)行的任務(wù)非常繁重，它是整套動力系統(tǒng)的第一個(gè)關(guān)鍵部件。
逆變器的核心部件是IGBT功率模塊，相當(dāng)于逆變器的CPU指令中心。英飛凌(Infineon)為蔚來ES8提供了HPDrive IGBT功率模塊，它被聯(lián)入蔚來專利的雙三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，具有更高功率密度和更高集成化的特點(diǎn)。
值得一提的是，IGBT是可以“超頻”的。如果電池技術(shù)得到突破，在續(xù)航能力加強(qiáng)的前提下，英飛凌將強(qiáng)化這款I(lǐng)GBT功率模塊，將ES8的單臺驅(qū)動電機(jī)最大功率從240kW釋放到300kW。
那么，“雙三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”又是什么呢？對于純電動車而言，三相全橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全夠用，但對于ES8這類有著較大功率需求的純電動汽車而言，單個(gè)三相拓?fù)浼軜?gòu)容易造成功率器件運(yùn)行不穩(wěn)定。
沒有一頓火鍋談不攏的事情，有的話，來兩頓。逆變器也是同樣道理，當(dāng)使用雙三相拓?fù)湓O(shè)計(jì)之后，兩塊逆變功率模塊并聯(lián)，峰值輸出翻倍，安全性和可靠性都得到了提升，還可對輸出扭矩精準(zhǔn)控制。
B、異步感應(yīng)驅(qū)動電機(jī)
說起電機(jī)，這話題太復(fù)雜了，我們先來用分類法簡化一下。首先，旋轉(zhuǎn)電機(jī)分為控制電機(jī)、功率電機(jī)、信號電機(jī)三大類，我們今天要說的“驅(qū)動電機(jī)”便是功率電機(jī)的一種，它是用來輸出功率的。
接下來，我們看看各種功率電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)：
我們來解讀一下表格：
1、直流電機(jī)效率低、重量大、體積大、可靠性差，除了便宜之外就沒什么優(yōu)點(diǎn)了，老年代步車至愛。
2、交流異步電機(jī)，各方面性能都非常優(yōu)異，功率高、效率高、控制精準(zhǔn)、可靠性強(qiáng)、動能回收實(shí)現(xiàn)難度低，但造價(jià)較高，反應(yīng)沒交流同步電機(jī)快，這是蔚來和特斯拉的選擇。
3、交流同步電機(jī)，各方面性能同樣優(yōu)異，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，精度更高，尺寸更小，但造價(jià)更高。（異步和同步的區(qū)別，在于轉(zhuǎn)子速度與定子旋轉(zhuǎn)磁場是否一致。）
接下來，我們來了解一下ES8的高性能電機(jī)。ES8搭載了兩臺異步感應(yīng)驅(qū)動電機(jī)，采用銅轉(zhuǎn)子技術(shù)，屬于國內(nèi)首創(chuàng)。銅轉(zhuǎn)子的導(dǎo)熱性相比鋁轉(zhuǎn)子高出了40%，有效提升了轉(zhuǎn)子效率并減少損耗；同時(shí)，電機(jī)采用了激光焊接，焊接熔深一致性好，強(qiáng)度高于同行業(yè)的釬焊方式。
蔚來的異步感應(yīng)驅(qū)動電機(jī)在0-5500rpm范圍內(nèi)均可輸出420Nm最大扭矩，在5000-6000rpm時(shí)的功率和扭矩輸出幾乎都能夠達(dá)到峰值，這意味著在對應(yīng)的60km/h-80km/h時(shí)速下，只要駕駛者需要，ES8就能夠帶來遠(yuǎn)超內(nèi)燃機(jī)汽車的加速表現(xiàn)。
蔚來電池包經(jīng)過了條件苛刻的耐久性試驗(yàn)，驅(qū)動電機(jī)同樣如此：
1、以額定最高轉(zhuǎn)速15000rpm的1.2倍（即18000rpm）進(jìn)行超速測試，保證轉(zhuǎn)子不會被破壞；
2、50g加速度的沖擊試驗(yàn)；
3、在炎熱、濕熱、浸水等條件下，查看密封性能；
4、高低溫循環(huán)使用狀況。
C、大輸入功率減速箱
這個(gè)不是真的“降低速度”，而是進(jìn)行轉(zhuǎn)速匹配（電動機(jī)轉(zhuǎn)速0-15000rpm，車輪不可能達(dá)到）。由于交流異步電機(jī)的本身調(diào)速范圍很廣，因此多數(shù)車型的減速箱只需要一個(gè)擋位，稱為“單前速變速箱”亦可。
減速箱可以將轉(zhuǎn)速降低以提升扭矩輸出，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與減速箱輸入軸上齒數(shù)少的齒輪相嚙合，然后再與輸出軸上齒數(shù)多的齒輪結(jié)合來達(dá)到減速的目的，而大小齒輪之間的齒數(shù)之比便是減速箱傳動比。
由于蔚來ES8的兩臺驅(qū)動電機(jī)功率非常大，大輸入功率減速箱成為必須，而其減速比為9.6:1。在制造工藝方面，這臺大輸入功率減速箱還做到了齒輪高精度貼合，從而確保了NVH特性。
