特斯拉Model3动力电池技术分析
特斯拉Model3动力电池技术分析
从电池原材料、电芯、电池模组、BMS和电控、续驶里程、环境适应性等几方面分析了特斯拉Model 3的动力电池技术。 今天大多数电动车（乘用）的三元路线已基本确定，但三元锂中也有细微差别。特斯拉采用的是NCA（镍钴铝），而其它大多数是NCM（镍钴锰），当然日产Leaf的LMO（锰酸锂）也即将更换为LG化学的NCM电池。许多实际数据都证明了特斯拉的电池能量密度更高、使用寿命更长、充电速度更快，甚至能够支撑Ludicrous Mode。 Stage 1：一代Roadster和一代model S Stage 2：二代 model S和model X
Stage 1和Stage 2采用的都是18650电池，所不同的是每辆车电池正极的钴含量由Stage 1的11㎏降到Stage 2的7㎏；负极方面Stage 1时采用的是石墨，而Stage 2时添加了硅材料，就是我们常说的“硅碳负极”。 硅基材料具有很高的能量密度，然而却有着在充放电过程中体积膨胀的弱点。碳质负极能量密度较低，但却有较高的稳定性。因此两者结合是很好的平衡。 Stage 3时采用了21700电池，正极钴的含量进一步降低到4.5㎏/台，而负极中硅的比例进一步提升。 全球锂的储量较为丰富，大部分从盐湖卤水提取，但因提取工艺较为复杂，锂电的需求量逐年攀升，价格也节节攀升。 在主流电动车**斯拉的镍含量是最高的。镍的储量较丰富，在全球的储量分布也相对均匀，因此价格较为低廉。 钴的储量最为稀少，储量分布非常不均匀，全球一半以上的钴矿都集中在非洲的刚果，因此价格非常高。 钴的开采长期以来只不过是类似铜矿开采的副业，但由于三元锂电池需求的激增，迫切需要专门针对电池行业的钴矿开采。 下面是不同类型电池的化学元素配比图，左一是特斯拉目前21700电池的图表。最右边是目前一般主流电动车所采用的NCM电池的图表。 铝的储量相当丰富，这一点我们从日常生活中也感觉得到，价格也很便宜。 下面是总价格表，你可以看到钴的价格是镍的10倍，所以就知道特斯拉为何要不断向高镍低钴的方向走，不仅是因为要提高能量密度，降本也是最大原因之一。 众所周知，特斯拉有一个全球规模最大的电池工厂Gigafactory，于2016年开始动工，现已投入生产有一段时间了。其实直到今天Gigafactory还处于在建过程中，目前的规模连计划的一半还没达到，建完后的全景是如下图这样的，特斯拉计划2020年完成全部工程（大部分人只能望图兴叹啊~）。另外，这座位于内华达州的Gigafactory只是第一步计划，他们还会在欧洲和中国建电池厂。我们都知道model 3的电池从model S/X时期的18650电池，改用了21700电池。原因也是单纯地出于成本与性能最优化的考虑。那么为何特斯拉采用了圆柱形电池，与大多数主流厂家选择了不同路线呢？比如我们拿几款市面上主流的电动车为例：通用Bolt采用的是软包电池，包装在方盒形的模组中。表面上看来方盒形或软包电池比起圆柱形电池可以节省更多空间，似乎更为合理些。这种情况是电池要为某款特定车型做定制化开发。例如我们熟悉的手机电池就是这种方式，电池会为手机的设计做定制化。但特斯拉的逻辑是不一样的，在电池的通用性与专用化之间，选择了前者。所以你看这个电池不只是用于特斯拉的电动车，还能用于他们的储能设备，多方便。其实这不难选择，因为其它主机厂起初觉得电动车只是个不起眼的“小角色”，撑死一年也就几千台，电池定制化不是大问题。而特斯拉是从一开始就决心目标要年产百万辆级别的，必须要考虑到通用性层面。你需要更多的电量吗？那就加两节。你需要更高的电压吗？没关系，再加两节…… 同样的电池在特斯拉旗下的各种产品中都是通用的，有非常高的拓展性与灵活性。所以，格局要大呀~由于特斯拉的这种通用化路线，让量产变得更加方便迅捷，他们的降本能力也远远高于行业平均水平。事实上今年内他们就能做到电芯的$100/kWh，领先业界平均至少五年以上。反观通用等其它主机厂，他们其实一直从外部的电池供应商那里采购电池。起初或许除了成本高外还不会影响到车辆的正常生产，但假如LG化学从其它客户那里拿到越来越多的订单怎么办呢？就算LG化学的工厂都冒烟了产能还是有限的，到时候连车都没得生产了。说到这里，其实各大主机厂目前正处于这种缺电的紧张状况。而特斯拉对电池业务的垂直整合起初成本会非常高，看起来傻傻的（多少次被做空啊）。但对电池的大举投入恰恰是他最大、也是最坚不可摧的竞争壁垒。最后，到底在Gigafactory里负责生产的是特斯拉还是松下呢？其实是松下了，如果从零开始搞电池业务，没个十几年的积累是不行的，特斯拉不能等那么久。于是特斯拉当初去找到松下，给他们画了一个巨大又美味的蛋糕，然后松下就动心了，决心和特斯拉撸胳膊一起干了。而Gigafactory与其它电池厂本质上的不同是，蓝图完全由特斯拉提出、产品完全按着特斯拉的需求开发、共同参与研发、只供特斯拉一家（当然这部分以后电池实在有太多富余了，他们肯定不排斥卖给別家的）。今天我们就要说到电池模组的部分，怎么说，这是前所未有的世界级水准。越往后越精彩啦。knock kncok，敲黑板。首先，我们先把镜头聚焦到一条模组（共4个模组）的电池模块上。一个电池模块共46个电芯（万众期待的standard version是30个电芯）。Sandy Munro和Jack Rickard等拆解过model 3的大牛们测过这些电芯，都感叹其惊人的一致性。相邻的电池模块之间是彼此相反的电极。电芯与busbar之间的连接是靠电芯上面的那些细细的镍合金导线。这些导线的作用相当于保险丝，在充放电的过程中某个电芯如果出现过热现象，就会迅速地熔断，将受损的电芯隔离，避免影响到其它电芯。除此之外，每节2170电池都有三个散热小孔，可以在高压状态下释放热量，以免发生爆炸，起到了进一步保护作用。另外，电芯之间的缝隙还用了绝缘胶填充，起到了固定和进一步级联保护。说到TMS部分，这就不得不说到特斯拉的专利了，特斯拉采用了带状的热界面材料，冷却带的表面可以接触到每一节电芯。乙二醇冷却液从冷却带中流过。冷却带采用了特别的波浪形设计，这可以最大限度地与这些圆柱形电芯的表面积接触，同时也减少了流动阻力。以宝马i3的方盒形电池或通用Bolt的软包电池为例，要实现电芯间的冷却就远比圆柱形电池复杂得多（这部分或许以后单独写一下）。当然特斯拉的TMS也不是没有槽点，冷却液流经冷却带时越是接近末端温度就越高。这也是采用波浪形设计的原因之一，这样就不会大幅降低流速，意味着温度较高的冷却液可以更快速地被抽到散热装置中。TMS是电池充放电过程中电池安全的最重要的保障，也是延长电池循环寿命的重要因素。大家可能看到了model 3没有进气格栅，因为电动车并不像燃油车那样需要对引擎进行冷却。但你可以在前保险杠的下方看到通风孔，这个通风孔直接连接到TMS与散热器。这些通风孔是可以开关的，以便在冷却和减少风阻之间进行很好的平衡。如果在急速驾驶、快充或外部气温很高的情况下，带状冷却加外部的通风如果不够用的话，还可以通过板式热交换器导入空调的冷风，以达到更好的冷却效果。model 3共有4条电池模组，但4条模组的大小却不同。外侧的两条模组共有23个电池模块，而内侧的两条共有25个，这再次凸显了圆柱形电池的灵活性。长续航版的model 3共有4,416个电芯，重量达477.3㎏，电量为80kWh，能量密度可达167W/㎏。你还记得若干年前Musk曾演示过model S的5分钟换电吗？简直可以媲美燃油车的加油时间了。不过model 3就别考虑换电的事了，因为model 3电池模组下方的铝制托盘是固定的，结构上不太可能了。所以，特斯拉大力发展DC快充技术，又进一步提高了NCA电池的性能与TMS性能。这就意味着model 3比上一代产品具有更快的充电速度和更高效的热管理。model 3的BMS可以追踪到每个电芯，来监测SOC和DOC和温度的状况。在这个领域特斯拉已深耕了十多年，可以说领先业界平均水准很多。4条模组上各1个BMS（也可称作从控），另外还有一个Master BMS（也可叫作主控）。来看一下BMS的细节，那两块64针芯片应该用的是Analog Device的LTC6813-1，另外两块38针芯片很有可能是特斯拉in-house的技术。据说，日后他们打算全部in-house。在来看一下主控的细节，特斯拉称其为“High Voltage Controller”。好，继续。对于一个电池包来说，最棘手的问题就是电芯的一致性。比如有部分电芯会比其他电芯放电速度更快，如果此时系统感知到电量不足然后进入充电模式的话，那些原本放电速度正常的电芯就会先行达到满电，会导致严重的衰减、甚至有爆炸的危险。Jack Rickard和Munro都曾经测过这些电芯，电压差只在0.0x之间。这对于由四千多个电芯构成的电池系统来说是非常惊人的。在电池模组的后上方你可以注意到有一个凸起的物体，特斯拉自己喜欢称之为“Penthouse”。为了进一步优化生产流程，所有电池相关的电气系统全部都集成在了Penthouse里。而特斯拉上一代的产品model S，他的电气部分分散在车辆的不同部位。然后你再来看看model 3的Penthouse，全部都集成在一起了。来感受下细节，Charger和DC-DC Converter集成在一起，当然他们内部又把这部分称为“Power Conversion Unit”。由于model 3做到了电子电气系统的高度集成，使得Penthouse可以与电池包一起在Gigafactory 1里进行组装，然后运往Fremont整车厂，这大大提升了总装厂的生产效率。CNBC曾经拍摄的Gigafactory 1的工厂图片，你可以看到Penthouse是在这里组装完成的我们的手机大概用两年后就会感到待机时间会明显下降，但特斯拉会不会呢？答案是否定的。首先，手机或者笔记本的电池通常是钴酸锂（LCO），LCO的特点是能量密度大，因此也会相应牺牲掉一些循环寿命。一般人们两年左右就会更换一次手机，因此手机厂商们在选择电池种类时，比起超长待机能力，会更倾向于考量电池的能量密度；其次，一般我们使用手机时经常会充到100%或是用到自动关机，而这种极端的充放电其实会在一定程度上让电池的寿命衰减，但对于手机来说基本能够维持2年的正常待机能力就足够了。model 3会为了保证健康的电池寿命可以使你的电池维持在一个健康的充放电水平范围之内。我们都知道对于锂电池来说，如果你想要让电池寿命长一些，充电最好不要超过80-90%，而放电也最好不要低于30%。当然，如果你需要来一次长途驾驶，偶尔充到100%也是没问题的，但正常情况下最好还是按照推荐的充放电水平去操作比较好。在model 3车机的操作界面中，车主可以自行设定SOC标准，非常方便。电池的电压会随着SOC发生变化，2170电池满电时的电压约大于4V，完全放电后约是3V。另外，前面谈到过2170的硅碳混合材质负极，由于硅的易膨胀特性，也尽量避免极端的充放电比较好。上面说到用户可以自行设定SOC标准，这就不禁让人想到了另外一个问题。就是model 3标准续航版与长续航版的电池包电量是否是一样的，低续航版本是否也像model S那样是通过软件把额外的电量锁上了？人们之所以会有这个怀疑当然是因特斯拉有前科。比如，他们曾在Florida飓风时为低续航版本的车主们解锁额外的电量，让他们有足够的续航尽快脱离危险。特斯拉在model S/X时期，曾将75kWh的电池包用锁定电量的方式设定了若干价格区间，分别为60/70/75kWh。当然那时因为他们还没有model 3，于是就用这种炫技的方式在销售策略上进行了一些“小创新”。但可以肯定的是model 3不会有这种问题。model 3原本计划推出50/75kWh两个版本的，但近期他们又推出了62kWh的中续航版本，而他们将会分别采用不同尺寸的电池包，不再会有用软件锁定差别定价的小把戏。所以，我们用了很长时间来解释了model 3的电池有着出色的化学属性、模组、冷却系统和BMS，那么究竟他的电池寿命会是多少呢？曾有一项对特斯拉电池的衰减情况进行的小调查，结果显示行驶50,000英里以上的车辆电量在95%，150,000英里以上的车则是90%。这意味着310英里长续航版的model 3在150,000英里后的续航将会是279英里，这差不多相当于以每年行驶13,500英里来计算的11年后的数据。但实际数据可能比这个还会更加乐观，因为那些历史数据的统计标本中包含了很多旧的电池包。（美国人总是喜欢在度量衡上搞特殊化，很麻烦，必须还是要提醒大家，1英里=1.6公里）以上数据是一位热心的特斯拉粉丝在全球范围内收集的数据，并上传到了Tableau上。结果就是如上所述，基本上所有行驶150,000英里以上的车辆电池还在90%水平上。当然也有很少部分车在行驶了30,000英里后，电池就衰减到了85%的水平。网络上也曾有过一些报道，说部分特斯拉车主需要更换电池包。根据数据统计大约有6%的车辆需要更换电池包，但有一点要留意的是那些需要更换的电池包，电池都是早于2013年生产的，而2013年后的车似乎就没发生过需要更换电池包的的情况。当然，以上数据搜集的样本数量或许有一定局限，仅供参考。还有一个好消息是，所有需要更换电池包的车辆，都在8年或100,000英里内的质保期内。特斯拉或许会有一些不良的电池包，在一个由四千多节电芯构成的巨大的电池包中，出现一些电芯受损的情况也在所难免，但还好那些需要更换的电池包也都会在质保期内无偿得到更换。更何况大家都知道model 3的电池系统是跨越式的升级，质量问题只会越来越少。别忘了，燃油车也不是完美的，许多主机厂批量召回事件也会时常发生。总的来说，这毕竟是工程与制造的问题，人类不可能制造出百分百完美的产品。人们能做到的就是最大限度地降低质量问题，并在发生质量问题时能够提供及时的售后保障。而特斯拉在这两方面做的都不错。前几天全国大范围降温，电动车似乎成了重灾区，此时大家最关心的就是冬季续航问题。为啥就不用多解释了，电池这个东西化学属性更多一些，对外部温度很敏感。有一点值得提的是model 3其实并没有采用传统的电池加热方法。（PS，前几趴可以回去翻，就不发链接了哈~） model 3是用电子电气与动力系统（就是电机/逆变器）所产生的热量来为冷却剂加热的。所以，model 3的电池系统与电机共用一个冷却回路，这种冷却架构要比之前更加简单。model 3为电池加热的方式与冷却的方式不同，当需要热量时，冷却剂会被主动地输送经过电机，冷却系统就会收集电机所产生的热量，用于加热电池系统。所以，当SOC降到20%之前，model 3就是用这种方式为电池加热的。 冬季需要给电池加热并不是电动车唯一要解决的问题，还有车内的温度需要照顾到。在这方面不得不说燃油车是比较有优势的，燃油车的能量转换率比较低，大约有80%的能量是通过热量被浪费掉的，而这个浪费的热量就可以非常容易地被用来为车内加热，这方面电动车是真的没法比的。 model 3电机的能量转换率几乎可以达到80-90%，几乎不能产生多少多余的热量。所以特斯拉是怎么做的呢？他们本可以设置一个简单低效的电阻加热，就像Chevy Volt或是日产的Leaf那样。 特斯拉还真很认真的思考过这个问题，而且还申请过专利，解释了怎么充分利用所有需要冷却的系统中所产生的额外热量来为车内加热。当然他们也有传统的电阻加热，但使用率不怎么高。 对啊，因为电加热实在是太奢侈了，多数电动车冬天因为要给各种系统和车内加热，续航甚至会折半。特斯拉因为多数情况下不使用电加热，应该会好些。一般都说model 3冬季续航会衰减30%，但我也看过有些国外用户说比这表现更差的，还有说更好的。这个真的很不好说了，取决于用车习惯等多种复合因素，甚至你的胖瘦和抗冻能力。 过冬问题确实是电动车的槽点，不过话说回来，燃油车冬天不也有打不着火的情况么？不过电动车起码不会遇到打不着火的问题吧，只不过就是续航受影响了嘛，任命吧哈~ 现在国外在很多纬度比较高的地区，宾馆或是超市外都有冬季给燃油车发动机加热用的充电桩（这待遇太好了吧）。未来也会有越来越多室外的目的地充电桩冬天可以让电动车插着，用来保持电池温度。 开电动车就是要精打细算、斗智斗勇，要经常思考电量、距离和温度之间的最优平衡问题，是个艺术活。不过，这是电动车主最起码要具备的素养啊，当然这点你可以不同意。 哦，对了。还有另外一个问题就是，当电池温度很低时还会影响到制动再生能力。这个功能你知道的，电动车特有的，可以拿来和燃油车炫耀一下（有机会或许单独拿出来说一下）。低温会让电池内部产生更大内阻、活性降低，就没法迅速将电力传导到电池内部的化学物质里（这个和电池驱动时是反向的）。所以冬季刚起步时制动再生会非常不好用，但是一旦系统热起来，能力就会慢慢恢复了。 这里有一组加拿大特斯拉车主的数据，显示总行驶里程与电池衰减比。总体来讲，你可以看出在比较冷的地方，虽然冬季充电的次数会增加，但长期来看电池的衰减程度没受太大影响，还是比较放心的。比较好的建议就是，如果生活在冬季比较冷的地区，最好选择AWD版和长续航版本的。说什么都没用，续航是硬道理，因为有诗和远方在等待着现代人呢。 如果你住在比较热的地区，就简单多了，BMS会让电池在一个非常舒适的温度上。而且这不像冬季会让续航折半那么吓人，用AC回路去给车内和电池进行冷却只会对续航影响5-10%。 说明：本文来源网络；文中观点仅供分享交流，不代表本***立场，转载请注明出处，如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。
