特斯拉電池的循環(huán)壽命不高但是它跑得久，這是為什么？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-07-03 12:07
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電池是一個很全方位的產(chǎn)品，你要提升某一方面的性能，注定會犧牲其他方面的性能，你得到一樣東西，注定會失去一樣東西，這是電池設計研發(fā)的理解基礎。
我楞了一下，沒想到我濃濃的八卦之魂突然進入了禪定時刻。
在寫完《特斯拉的電池續(xù)航能力到底有多強？》之后，我在微博和朋友圈預告過，電池系列會有續(xù)篇。只是，和之前不同的是，這次我邀請了一位比我更了解電池的朋友，來幫助我一起完成關于電池性能的系列內(nèi)容。
張華，就是我提到的這位朋友。他是畢業(yè)于 UCLA 的材料科學與工程專業(yè)的博士，同時也是發(fā)射資本的董事，在電池相關領域深耕多年。在他的幫助下，我們對電池問題的探討可以回到更本質(zhì)的層面上來。
特斯拉能跑很遠沒錯，但是它的循環(huán)壽命并不高
目前業(yè)內(nèi)對電池的主要關注點是，要降低電池的成本，提高電池的容量，同時又希望電池的壽命不要降低太多，能夠滿足消費者日常的使用。聽上去十分有理想。
張華在此就提醒到，如果你看到電池某一方面的性能特別強，你一定要反思一下，它付出的代價到底是什么。
在動力電池的性能上，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溫度的響應。能量密度提高，通常的代價是電池的循環(huán)壽命會變差，充放電速度也會變差。
張華拿特斯拉舉例。比如說，和比亞迪的磷酸鐵鋰電池比起來，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，同時衰減得也很慢嗎。
特斯拉的這張續(xù)航里程衰減圖被廣為傳播。
你看圖中的這條曲線，在行駛 20 萬公里之后，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。這是來自 286 位 Model S 車主的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。在圖中，車主用他們可計量的單位「續(xù)航里程」來評估電池的衰減情況。
這個沒有問題。只是，續(xù)航里程代表的是在一次充放電過程中車輛所能行駛的距離。而循環(huán)壽命代表的是在一個電池有效的生命周期里，可以充放電多少次。
我們來做一個粗略的數(shù)學題。同樣跑 20 萬公里，特斯拉充放電一次跑 500 公里，跑完全程需要充放電 400 次。其他電動車充放電一次跑 200 公里，跑完全程需要充放電 1000 次。
簡單說，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，盡管特斯拉電池的循環(huán)壽命并沒有那么優(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)航里程是可以比對手更高的。
所以，我們看到的結果是，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。
電池結構是參透循環(huán)壽命的關鍵問題
電池的循環(huán)壽命是怎么被影響的呢？首先，我們來看電池是怎么充放電的。
鋰離子電池的放電過程
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，鋰離子主要做兩個運動，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。如果鋰離子跑得差不多了，還要持續(xù)從里面抽取鋰離子，對電池就會有損傷。
結構越不穩(wěn)定，被破壞得越多，循環(huán)壽命自然就會變差。所以，我們通常強調(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(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 電池上應用硅碳負極，硅加得越多，電池結構越容易被破壞，循環(huán)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，溫度也是一樣。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(huán)壽命。
說到這里，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程。一個管理外部環(huán)境與電池的交互，也就是溫度（熱）管理。
有人說，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（State of Capacity），表示電池的當前容量。一個是 DoD（Depth of Discharge），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(huán)壽命的影響，來源: Stephen Grinwis ；也就是說，深度考察的不是絕對數(shù)值，而是容量比例。大電池在這里占了一定的優(yōu)勢。
而在速度上，充放電的倍率越高，所需要的時間就越短，循環(huán)壽命也會越短。在同一輛車上，迅速地啟動，和緩慢地啟動，對電池的消耗是不一樣的，損傷也是不一樣的?？焖偌铀?，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。
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，對正常用車影響不會特別大。如果慢充的循環(huán)壽命是 700 次，快充的循環(huán)壽命是 100 次，那強推快充就沒有太大意義了。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，相當于是一次慢放過程。從慢放的角度來說，電池衰減得更慢。
如果在這個基礎上，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(huán)壽命的負面影響。所以說，特斯拉用大電池，彌補了循環(huán)壽命的缺點。盡管特斯拉電池可用的次數(shù)少，但是它跑得遠啊。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(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單的加法。
當然，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)字是最容易被評估的，而對電池的其他性能則需要車主們付出大量時間才能體驗到。
只是，在目前的充電環(huán)境下，在撬動車主對電動車的興趣下，續(xù)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(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。
特斯拉的電池續(xù)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(xiàn)在已經(jīng)不能隨便用了）。
傳統(tǒng)企業(yè)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(xù)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(zhì)這件事越來越遠。兩邊的對立常常讓我困惑，為什么不能好好交流呢。
越來越多的人問我這個問題，特斯拉的電池續(xù)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(yè)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(xù)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，今天主要來談電池。
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）。我們在電池上更多談論的是質(zhì)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(shù)據(jù)，一個是電池系統(tǒng)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(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，一節(jié)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），這就是車用動力電池的基本結構。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(tǒng)。電池系統(tǒng)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(tǒng)結構復雜，在單個電芯能量密度占優(yōu)勢的前提下，電池系統(tǒng)的能量密度相對會低一些。（結論參考來自麥肯錫的報告）
5、從結構上劃分，電芯主要有三種類型，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，這里的材料主要指的是正極材料。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(yè)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(nèi)容，我再把要點總結一下。
在我們討論電池對車輛續(xù)航里程的影響時，主要討論的是電池系統(tǒng)的能量密度和總體重量的結構布置。而電池系統(tǒng)的能量密度主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(xiàn)在可以針對具體的車型來談細節(jié)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(tǒng)樣式，對電池系統(tǒng)的能量密度大小有重要影響。
對于這一點，我們直接看圖感受。
先來看一看在第二次電動車浪潮里，生產(chǎn)了第一款量產(chǎn)電動車 EV1 的老牌廠商通用。
以下這張圖，從左到右分別為第一代 Volt ，第二代 Volt ，Spark EV 和最新款的雪佛蘭 Bolt 的電池系統(tǒng)。其中，Volt 為插電混動車型，Spark EV 和 Bolt 是純電動車型，Spark EV 是自 EV1 停產(chǎn)之后通用推出的第一款量產(chǎn)電動車型。
雪佛蘭 Spark EV
2014 款 Spark EV 用的是磷酸鐵鋰電池，由 A123 提供，容量 21.3 kWh 。
2015 款 Spark EV 的電池改用 LG Chem ，96 組，每組 2 個電芯，每個電芯 27 Ah ，3.75 V ，一共有 192 個電芯，電池容量為 19.44 kWh（192 x 27 Ah x 3.75 V ）。
整個電池系統(tǒng)體積 135 L ，總重 215 kg ，比老款減重 39 kg 。根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算，2015 款 Spark EV 電池系統(tǒng)體積和質(zhì)量的能量密度分別為 144 Wh/L 和 90 Wh/kg 。
電池更換后，兩款車 EPA 標準下的續(xù)航里程均為 132 km 。也就是說，雖然電池容量和重量都減少了，但是新款電池的能量密度提升了，車輛續(xù)航里程保持不變。但是一百多公里的續(xù)航顯然沒太大意義。
要繼續(xù)提升車輛續(xù)航的話怎么辦呢。
要么繼續(xù)提升電芯的能量密度，要么就辦法多裝一點電芯。簡單說，要么繼續(xù)用這個平臺，要么就得改了。
舊平臺改造（AEP：Adapted Electric Platform）分為兩種類型，一種是基于舊平臺的舊設計，一種是基于舊平臺的新設計。Spark EV 屬于前一種，用的是 Gamma II 平臺，雪佛蘭 Bolt 就屬于后面一種，基于 Gamma G2SC 平臺設計。
雪佛蘭 Bolt
請看，肉眼可見的，電池結構變得更加平坦，電池體積也增加了，可以裝下更多電芯了。沒錯，雪佛蘭 Bolt 的電芯增加到了 288 個，依然是 96 組，但是每組增加到 3 個電芯。
電芯由 LG Chem 提供，每個電芯 55 Ah ，3.75 V 。電池容量近 60 kWh （實際是 288 x 55 Ah x 3.75 V = 59.4 kWh）。
電池體積 285 L ，總重 435 kg ，電池系統(tǒng)的能量密度為 246 Wh/L 和 137 Wh/kg ，EPA 續(xù)航里程為 383 km 。
可以看出，從 Spark EV 到 Bolt ，電芯數(shù)量增加了一半，電池體積增加了 0.7 倍，電池重量增加了一倍，電池系統(tǒng)的能量密度也增加了一半，而車輛續(xù)航里程則增加了兩倍。
重新設計后的車輛底盤，更有利于電池系統(tǒng)的布局。
除了具有歷史代表意義的通用電動車（特斯拉也曾經(jīng)借鑒過 EV1 的設計）以外，另外一款全球知名的暢銷電動車是 Nissan Leaf 。
要說 Spark EV 的電池布置雖然局促，但形狀還算平整。到了 Nissan Leaf 身上，本來形狀非常規(guī)則的軟包電芯堆疊到一起，被布置出一個不規(guī)則形狀，來適應車輛上的座位結構。
一個電池包里，有橫著放的，有豎著放的，簡直逼死強迫癥。完全沒有體現(xiàn)出日本人應有的處女座特質(zhì)。
