特斯拉電池續(xù)航能力強(qiáng)而循環(huán)壽命不高的原因是什么？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-06-20 11:24
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目前業(yè)內(nèi)對(duì)電池的主要關(guān)注點(diǎn)是，要降低電池的成本，提高電池的容量，同時(shí)又希望電池的壽命不要降低太多，能夠滿足消費(fèi)者日常的使用。聽(tīng)上去十分有理想。
如果你看到電池某一方面的性能特別強(qiáng)，你一定要反思一下，它付出的代價(jià)到底是什么。
在動(dòng)力電池的性能上，我們目前最看重的是能量密度和壽命，其次就是充放電的速度和對(duì)溫度的響應(yīng)。能量密度提高，通常的代價(jià)是電池的循環(huán)壽命會(huì)變差，充放電速度也會(huì)變差。
比如說(shuō)，和比亞迪的磷酸鐵鋰電池比起來(lái)，特斯拉的電池的確能量密度更高，但是它的循環(huán)壽命和磷酸鐵鋰卻有兩倍左右的差距。
特斯拉 18650 和寶馬 i3 電池的循環(huán)壽命對(duì)比
等等。特斯拉不是續(xù)航里程高，電池能量密度高，可以慢充也可以快充，同時(shí)衰減得也很慢嗎。
你看圖中的這條曲線，在行駛 20 萬(wàn)公里之后，特斯拉的續(xù)航里程還能保持在初始續(xù)航里程的 90% 到 95% 之間。這是來(lái)自 286 位 Model S 車主的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。在圖中，車主用他們可計(jì)量的單位「續(xù)航里程」來(lái)評(píng)估電池的衰減情況。
這個(gè)沒(méi)有問(wèn)題。只是，續(xù)航里程代表的是在一次充放電過(guò)程中車輛所能行駛的距離。而循環(huán)壽命代表的是在一個(gè)電池有效的生命周期里，可以充放電多少次。
我們來(lái)做一個(gè)粗略的數(shù)學(xué)題。同樣跑 20 萬(wàn)公里，特斯拉充放電一次跑 500 公里，跑完全程需要充放電 400 次。其他電動(dòng)車充放電一次跑 200 公里，跑完全程需要充放電 1000 次。
簡(jiǎn)單說(shuō)，就是電池生命周期總續(xù)航 = 單次續(xù)航里程 ?? 循環(huán)壽命。也就是說(shuō)，盡管特斯拉電池的循環(huán)壽命并沒(méi)有那么優(yōu)秀，但是它一次充放電可以跑的續(xù)航里程高，則在電池生命周期里，特斯拉能跑的總續(xù)航里程是可以比對(duì)手更高的。
所以，我們看到的結(jié)果是，特斯拉的電池不易于衰減這件事被車主們廣為稱道。但是，這并不代表特斯拉電池的循環(huán)壽命更高。
電池結(jié)構(gòu)是參透循環(huán)壽命的關(guān)鍵問(wèn)題
電池的循環(huán)壽命是怎么被影響的呢？首先，我們來(lái)看電池是怎么充放電的。
鋰離子電池的放電過(guò)程
鋰離子電池的充放電過(guò)程，就是鋰離子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。從學(xué)術(shù)上來(lái)說(shuō)，鋰離子主要做兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)叫嵌入，一個(gè)叫脫出。
鋰離子是嵌在電池結(jié)構(gòu)中的，在每次運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，鋰離子都要從原來(lái)的結(jié)構(gòu)中脫身，跑到另外一邊。張華打了個(gè)比方，這有點(diǎn)像你從一個(gè)房間搬運(yùn)一堆東西到另一個(gè)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(duì)電池壽命的認(rèn)識(shí)，要建立在對(duì)電池結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上。在充放電過(guò)程中，每一次參與運(yùn)動(dòng)的鋰離子越少，對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞越小。每一次參與運(yùn)動(dòng)的鋰離子跑得越慢，對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞也越小。如果鋰離子跑得差不多了，還要持續(xù)從里面抽取鋰離子，對(duì)電池就會(huì)有損傷。
結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，被破壞得越多，循環(huán)壽命自然就會(huì)變差。所以，我們通常強(qiáng)調(diào)，鋰離子電池的充放電要淺充淺放，不要挑戰(zhàn)電池的「極限」。
其次，我們來(lái)關(guān)心材料。不同的電極材料有不同的電池結(jié)構(gòu)。我們通過(guò)改變電極的材料比例來(lái)提高電池的能量密度的時(shí)候，電池的循環(huán)壽命也在發(fā)生變化。比如，特斯拉的 NCA 電池就比比亞迪的磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命更差。
而特斯拉在 21700 電池上應(yīng)用硅碳負(fù)極，硅加得越多，電池結(jié)構(gòu)越容易被破壞，循環(huán)壽命就越容易受到影響。電極材料對(duì)壽命的影響，也建立在電池結(jié)構(gòu)上。
最后，溫度也是一樣。零度以下的低溫也會(huì)對(duì)電池的結(jié)構(gòu)帶來(lái)負(fù)面影響，甚至是永久損傷。
因此，充放電過(guò)程（深度/速度）、電池材料以及溫度這三個(gè)因素，都可以通過(guò)對(duì)電池結(jié)構(gòu)的影響，影響電池的循環(huán)壽命。
說(shuō)到這里，我們順便可以理解一下電池管理系統(tǒng)的作用。電池管理系統(tǒng)的核心目的就是為了保障電池在性能和壽命上的穩(wěn)定。所以，電池管理系統(tǒng)主要做兩件事，一個(gè)管理內(nèi)部環(huán)境與外界的交互，也就是管理電池的充放電過(guò)程。一個(gè)管理外部環(huán)境與電池的交互，也就是溫度（熱）管理。
有人說(shuō)，車輛上表顯數(shù)據(jù)顯示電池消耗為 0 了，但是車還能再跑一會(huì)兒，這也是防止電池放電深度過(guò)高的一種管理。
大電池在充放電過(guò)程中可以更任性一點(diǎn)
那電池究竟充放電多少比較合適呢？
我們來(lái)認(rèn)識(shí)三個(gè)詞。一個(gè)是 SoC（State of Capacity），表示電池的當(dāng)前容量。一個(gè)是 DoD（Depth of Discharge），表示電池放電的深度。還有一個(gè)是 C（Current），表示電池充放電的倍率。
深度和速度，是充放電過(guò)程中的重要影響因素。
SoC 和 DoD
首先來(lái)看深度。
電池放電的深度是跟整個(gè)電池的容量有關(guān)的。比如說(shuō)特斯拉的電池是 90 度電，其他電動(dòng)車 45 度電。同樣開(kāi)百公里 5 秒，特斯拉用了 0.1% 的電池容量，其他電動(dòng)車用了 0.2% 的電池容量，對(duì)電池的傷害程度是不同的。
放電深度對(duì)循環(huán)壽命的影響，來(lái)源: Stephen Grinwis ；也就是說(shuō)，深度考察的不是絕對(duì)數(shù)值，而是容量比例。大電池在這里占了一定的優(yōu)勢(shì)。
而在速度上，充放電的倍率越高，所需要的時(shí)間就越短，循環(huán)壽命也會(huì)越短。在同一輛車上，迅速地啟動(dòng)，和緩慢地啟動(dòng)，對(duì)電池的消耗是不一樣的，損傷也是不一樣的?？焖偌铀?，相當(dāng)于電池快速地放電。
那我們期待的快速充電對(duì)電池是不是有損耗呢？肯定有，但我們更關(guān)心的問(wèn)題是，這個(gè)損耗有多大。
如果一般充電樁慢充的循環(huán)壽命是 700 次，相匹配的快充的循環(huán)壽命是 500 次，對(duì)正常用車影響不會(huì)特別大。如果慢充的循環(huán)壽命是 700 次，快充的循環(huán)壽命是 100 次，那強(qiáng)推快充就沒(méi)有太大意義了。這也是為什么不建議用充 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(dāng)于是一次慢放過(guò)程。從慢放的角度來(lái)說(shuō)，電池衰減得更慢。
如果在這個(gè)基礎(chǔ)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(dòng)車的 25% 增速是 0.2% 的 25% ，結(jié)果是不同的。
在駕駛過(guò)程中，同樣一次充放電過(guò)程，特斯拉消耗的電池容量比例低，進(jìn)而降低了循環(huán)壽命的負(fù)面影響。所以說(shuō)，特斯拉用大電池，彌補(bǔ)了循環(huán)壽命的缺點(diǎn)。盡管特斯拉電池可用的次數(shù)少，但是它跑得遠(yuǎn)啊。這也是為什么，盡管特斯拉循環(huán)壽命不高，但是用戶在感知上認(rèn)為特斯拉的電池是足夠使用的。
這就是在和張華交流的過(guò)程中，讓我感受最深的一點(diǎn)。
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(guò)電芯數(shù)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(jiǎn)單的加法。
當(dāng)然，張華并不推崇盲目提高電池續(xù)航，犧牲電池其他性能的做法。畢竟，電池續(xù)航數(shù)字是最容易被評(píng)估的，而對(duì)電池的其他性能則需要車主們付出大量時(shí)間才能體驗(yàn)到。
只是，在目前的充電環(huán)境下，在撬動(dòng)車主對(duì)電動(dòng)車的興趣下，續(xù)航是一個(gè)無(wú)法避開(kāi)的問(wèn)題。除非，我們要探索其他的新能源，這個(gè)話題下次可以繼續(xù)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。
特斯拉的粉絲一直堅(jiān)定地認(rèn)為，特斯拉的技術(shù)水平是遙遙領(lǐng)先的（不對(duì)，這個(gè)詞現(xiàn)在已經(jīng)不能隨便用了）。
傳統(tǒng)企業(yè)的工程師出來(lái)反駁，特斯拉并沒(méi)有你們以為的那么牛。粉絲不服，那你們的續(xù)航怎么沒(méi)有超過(guò)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(méi)人用而已。
工程師覺(jué)得粉絲啥也不懂，粉絲覺(jué)得工程師都是老頑固。兩個(gè)群體就這么互相標(biāo)簽化，離多維度地還原事情的本質(zhì)這件事越來(lái)越遠(yuǎn)。兩邊的對(duì)立常常讓我困惑，為什么不能好好交流呢。
越來(lái)越多的人問(wèn)我這個(gè)問(wèn)題，特斯拉的電池續(xù)航能力到底有多強(qiáng)。三言兩語(yǔ)說(shuō)不清，不如嘗試著寫(xiě)一寫(xiě)吧。當(dāng)然，我并不是專業(yè)工程師，有不對(duì)的地方歡迎指正。
在試著探討這個(gè)問(wèn)題之前，我們先界定一下這個(gè)問(wèn)題的前提條件，梳理幾個(gè)基礎(chǔ)概念。
1、車輛續(xù)航除了跟電池有關(guān)以外，還跟不同工況下的運(yùn)行有關(guān)。由于后者的問(wèn)題比較復(fù)雜，今天主要來(lái)談電池。
2、電池最重要的性能參數(shù)是能量密度，能量密度有體積能量密度（Wh/L），也有質(zhì)量能量密度（Wh/kg）。我們?cè)陔姵厣细嗾務(wù)摰氖琴|(zhì)量能量密度（Wh/kg），它決定了單位重量的電池所儲(chǔ)存能量的大小。
3、電池的能量密度常常指向兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)，一個(gè)是電池系統(tǒng)的能量密度，一個(gè)是電芯的能量密度。
電芯（Cell）是一個(gè)電池系統(tǒng)的最小單元，也有人描述為單體電池。你理解為單節(jié)電池就行，比如說(shuō)，一節(jié)五號(hào)電池。M 個(gè)電芯組成一個(gè)模組（Module），N 個(gè)模組組成一個(gè)電池包（Pack），這就是車用動(dòng)力電池的基本結(jié)構(gòu)。也有人直接把電池包叫做電池組。
Nissan Leaf 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(shí)就是一個(gè)很簡(jiǎn)單的公式，電池包 = N·模組 = N·（M·電芯）。
4、由于電池包關(guān)系到電池最終的形狀和車輛布置，大部分廠家會(huì)選擇采購(gòu)電芯，自己來(lái)做電池系統(tǒng)。電池系統(tǒng)的能量密度和電芯選型有關(guān)，比如圓柱電池因?yàn)閱蝹€(gè)電芯容量小，電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在單個(gè)電芯能量密度占優(yōu)勢(shì)的前提下，電池系統(tǒng)的能量密度相對(duì)會(huì)低一些。
