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解讀蔚來75kWh三元鐵鋰混合電池

2021-10-01 17:31:08·  來源：EDT電驅(qū)時代  
　
關(guān)于蔚來即將推出全新75kWh電池包的消息，其實(shí)已經(jīng)傳了好一陣子，筆者終于在今年9月末來到蔚來上海實(shí)驗(yàn)室一探究竟。全新75kWh電池包的精彩之處，在于使用了三元
關(guān)于蔚來即將推出全新75kWh電池包的消息，其實(shí)已經(jīng)傳了好一陣子，筆者終于在今年9月末來到蔚來上海實(shí)驗(yàn)室一探究竟。
全新75kWh電池包的精彩之處，在于使用了三元鋰配方與磷酸鐵鋰配方混裝的方式，相比于老款70kWh電池包有續(xù)航與循環(huán)壽命上的提升，每款車換裝新75kWh電池包之后均能提升約35km綜合續(xù)航里程，且這批電池包可在蔚來換電站得到免費(fèi)更換。

這篇文章沒有寫得很深奧，大可放心閱讀，我也沒納入《電池研究院》欄目中。等相關(guān)知識積累更多之后，再另辟一片關(guān)于混合電池的文章發(fā)到專欄里，
‍‍‍‍‍‍‍‍‍一些基礎(chǔ)信息點(diǎn)
續(xù)航增加
從下表可知，搭載全新75kWh電池包之后，蔚來三個車系多款車型的NEDC續(xù)航值均增加大約35km。


因?yàn)閾Q電模式的基層邏輯，蔚來可以輕松實(shí)現(xiàn)電池升級，老用戶不會覺得自己又被割了韭菜。
安全性能提升
磷酸鐵鋰的安全性能遠(yuǎn)高于三元鋰，熱失控的可能性大大降低，但因?yàn)閮煞N配方電池混用，電控難度增加了非常多。

循環(huán)壽命增加
磷酸鐵鋰本身的循環(huán)壽命就比三元鋰長，而三元鋰循環(huán)壽命短是因?yàn)殡妷悍秶锰M了，經(jīng)常滿充會造成負(fù)極鋰枝晶生長速度過快。
以NCM三元鋰為例，一般鋰離子動力電池的標(biāo)稱電壓在3.7V左右，工作電壓范圍寬達(dá)3.0-4.2V，換成磷酸鐵鋰配方之后，標(biāo)稱電壓降低至3.2V，工作電壓范圍在3.0-3.3V之間，充電的終止電壓只有3.6V左右。
如果把這套混合電池的電壓都標(biāo)成磷酸鐵鋰的3.6V，三元鋰就不需要用盡電壓，鋰枝晶生長速度變緩。在蔚來這套電池上，三元鋰的電量只用了10%-90%這部分，上下共計10%沒用，可以利用電壓斜率最優(yōu)段來較正整個鐵鋰的全部區(qū)間。

更環(huán)保
磷酸鐵鋰配方可以減少稀有金屬的使用，減少環(huán)境污染負(fù)擔(dān)。
獲得更長續(xù)航不用額外花錢
這批可以增加續(xù)航的75kWh新電池會陸續(xù)鋪到全國各換電站，換電群體可以免費(fèi)獲得，新購車用戶也可以選這款新電池，跟老款是同價的。
為什么電池內(nèi)部分換裝成本更低的磷酸鐵鋰之后，沒有降價呢？雖然部分電芯價格下降，但電控難度增加了，加了很多料才能造出來一款混合電池。

新的電池包體系
75kWh電池包在9月23日14:00正式上線配置器，替換原70kWh電池包。同時，蔚來發(fā)布了全新電池包產(chǎn)品體系：
　　A、標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航電池包：75kWh三元鐵鋰電池包
　　B、長續(xù)航電池包：100kWh三元鋰電池包
　　C、固態(tài)電池包：150kWh固態(tài)電池包（未量產(chǎn)，裝上之后2018款ES8將超過730km，新ES8將超過850km，ES6和EC6將超過900km，ET7超過1000km。）


電芯供應(yīng)商毫無疑問，還是寧德時代。
為何需要磷酸鐵鋰配方？
相比電池橫跨數(shù)百年的歷史，磷酸鐵鋰配方的歷史只能算“近期”發(fā)生的事。
我們今天能用著刷著智能手機(jī)、聽著真無線耳機(jī)、吃著電動車送來的外賣宅家度日，還得感謝三位2019年諾貝爾化學(xué)獎得主——邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆（Michael Stanley Whittingham）、約翰·班尼斯特·古迪納夫（John Bannister Goodenough）、吉野彰（Akira Yoshino）。

今年98歲高齡的“足夠好先生”——約翰·班尼斯特·古迪納夫（John Bannister Goodenough），其實(shí)從54歲才開始研發(fā)電池。古迪納夫博士是鋰電池領(lǐng)域最大的功臣，三大鋰電池正極材料（鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰）都是他帶領(lǐng)的團(tuán)隊找出來的。

德州大學(xué)的古迪納夫教授是公認(rèn)的最早利用磷酸鐵鋰制作鋰離子正極材料的研究者，其團(tuán)隊在1997年報道了LiFePO4這種新型橄欖石結(jié)構(gòu)嵌入與脫出鋰的可逆性，并表示新的磷酸鐵鋰配方物料更低廉且環(huán)境污染更少。
其中要說明的是，LiFePO4是LiMPO4（含鋰磷酸鹽）的其中一種，其中M可以是Fe、Co、Mn、Ti，LFP則是的LiFePO4簡寫。


當(dāng)前我們正在使用的磷酸鐵鋰配方電池，全稱磷酸鐵鋰鋰離子電池，屬于鋰離子電池的一種。正極即是上文提到的LiFePO4，可見磷酸鐵鋰的主要反應(yīng)機(jī)理是由正極決定的，所以命名源于正極材料。
磷酸鐵鋰配方的優(yōu)勢
　　A、一款真正的“無鈷”鋰離子電池。
　　B、循環(huán)壽命長。
　　C、熱失控概率低，安全性能好。
　　D、成本比三元鋰大約低19%。
　　E、沒有記憶效應(yīng)，有研究團(tuán)隊認(rèn)為有且?guī)缀蹩珊雎裕?/span>
磷酸鐵鋰配方的劣勢
　　A、較差的導(dǎo)電性。
　　B、較低的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)。
　　C、電壓低。
　　D、SoC測量精準(zhǔn)性太差。
　　E、快充極限差。
　　F、能量密度不如三元鋰。
　　G、低溫性能差。
有哪些技術(shù)難點(diǎn)，如何解決的？
我們都知道，當(dāng)前沒有一款完美的動力電池，三元鋰又貴又易燃，磷酸鐵鋰腿短且冬季不經(jīng)用，混合多種主流配方電池的方案其實(shí)早在多年前就有車企提出，其中不乏大眾集團(tuán)這種行業(yè)巨子，但最終還是由蔚來給定制出來了。


下面我們會說到蔚來的幾個解決方案：
磷酸鐵鋰配方低溫性能的糟糕
磷酸鐵鋰的重要特征便是低溫性能不佳，非常的不佳，北方車主叫苦不迭。
磷酸鐵鋰電池的工作溫度范圍為-20℃至75℃，有些磷酸鐵鋰電動汽車一旦到達(dá)0℃以下的環(huán)境溫度就有啟動困難的風(fēng)險，若在-20℃的外部溫度下，磷酸鐵鋰電池的放電容量只相當(dāng)于25℃時的38%左右，我就問你還敢不敢開暖氣……


因?yàn)榈蜏匦阅懿患?，所以磷酸鐵鋰電池的熱管理系統(tǒng)變得尤為重要，最高效率的方式是采用PTC電阻來給電池包加熱。雖然會耗費(fèi)一定的電量，但也好過因?yàn)榈蜏貙?dǎo)致內(nèi)部活性物質(zhì)電化學(xué)性能大幅降低帶來的續(xù)航銳減問題。
磷酸鐵鋰電池正極的導(dǎo)電性本身就不佳，在低溫環(huán)境下更是容易發(fā)生極化，電解液粘度增加并增加鋰離子的遷移阻抗，導(dǎo)致電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的崩塌，電池?fù)p壞。
因?yàn)榱姿徼F鋰天生的低溫性能不佳問題，中國甚至出現(xiàn)了“北三元 南鐵鋰”的產(chǎn)業(yè)布局，當(dāng)然另一個重要的方面是南派比亞迪與北派松下LG的產(chǎn)業(yè)話語權(quán)之爭、
之前磷酸鐵鋰版本的特斯拉Model 3在北方就遇到了靜置后掉電嚴(yán)重的問題，解決方案是特斯拉建議用戶一周充滿一次，幫助特斯拉磷酸鐵鋰電池BMS系統(tǒng)積累北方地區(qū)的用戶數(shù)據(jù)，更高的數(shù)據(jù)量可以帶來更精準(zhǔn)的SOC監(jiān)測能力。等等，這玩意沒標(biāo)定完成就上市了然后等用戶數(shù)據(jù)OTA完善？


蔚來三元鐵鋰電池的解決方案呢？主要分為以下4個：
A、雙體系控制算法： 獨(dú)創(chuàng)的雙體系算法，根據(jù)三元和鐵鋰電池低溫特性進(jìn)行模型化控制，經(jīng)過多輪標(biāo)定，有效提升了低溫下電池系統(tǒng)的能量使用效率，保證低溫性能。混合配方電池包的結(jié)構(gòu)雖然被公布了，但算法是內(nèi)部資料，其他車企想要復(fù)制蔚來的電池，還是繞不過算法機(jī)密。
B、耦合電池產(chǎn)熱智能熱管理：根據(jù)電池低溫下內(nèi)阻升高的特性，開發(fā)電池的產(chǎn)熱模型，結(jié)合整車的熱管理，動態(tài)調(diào)整電池控制目標(biāo)，達(dá)到能耗最小與駕駛體驗(yàn)的平衡，提升低溫性能。


C、全散熱路徑物理阻隔：電池包整包所有散熱路徑進(jìn)行熱量流通分析，根據(jù)大數(shù)據(jù)分析得出極冷天氣下的熱量損失來源，運(yùn)用低導(dǎo)熱材料及創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在所有路徑上的關(guān)鍵結(jié)合點(diǎn)進(jìn)行熱量阻隔設(shè)計，有效提升駐車時電池的溫度，避免電池溫度低帶來的能量損失。


D、輻射式主動熱補(bǔ)償：在長時間極低溫環(huán)境下，主動開啟輻射加熱系統(tǒng)，兼顧電池能耗和溫度均勻性，保證電池快速達(dá)到最優(yōu)工作溫度。12小時極冷環(huán)境下，電池最低溫度提升40%，溫度均勻性提升60%。


因?yàn)橐陨系募夹g(shù)補(bǔ)充，75kWh三元鐵鋰電池包得到了全方位保溫，低溫續(xù)航損失降低25%。
磷酸鐵鋰配方SoC估算不準(zhǔn)
磷酸鐵鋰電池的電壓比其他鋰離子電池要低，而且工作電壓范圍比較窄，充放電曲線非常平緩，SOC監(jiān)測準(zhǔn)確度很低，電壓一直都在3.2V左右所以很難監(jiān)測出此時究竟是多高的SoC。
蔚來之前嘗試過用一節(jié)三元鋰電池給整個磷酸鐵鋰電池包當(dāng)“尺子”用，串聯(lián)進(jìn)電池包內(nèi)部當(dāng)SoC測量專員。
如今蔚來引入了更多的三元鋰電池，可以補(bǔ)足磷酸鐵鋰在能量密度上的短板。蔚來還開發(fā)這套雙體系SoC算法，利用了三元鐵鋰雙體系優(yōu)勢去做SoC精準(zhǔn)估算。
三元鋰和磷酸鐵鋰在不同區(qū)間精度不同，蔚來用三元鋰作為標(biāo)尺，實(shí)時校準(zhǔn)磷酸鐵鋰在平臺段的SoC；在高/低段還可以利用磷酸鐵鋰的優(yōu)勢，校準(zhǔn)三元鋰的SoC。


同時，蔚來基于三元鋰和磷酸鐵鋰的特性，如自放電的不同，還開發(fā)了大功率電池包內(nèi)DCDC高低壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時、均衡的SoC校準(zhǔn)。
均衡得好的電池包，全包可以增加1kWh左右的能量，這是一個巨大的優(yōu)勢。


通過雙體系電芯和配套算法，75kWh電池包解決了磷酸鐵鋰電池SoC估算誤差過大的問題，誤差從10%縮減至3%，沒了之前的SoC跳變問題。
SoC跳變，就是表顯還有10%的時候，突然就給你顯示“0%”或者“--”，不是不想告訴你，而是真的測不出來。
磷酸鐵鋰能量密度短板
磷酸鐵鋰的能量密度短板是天生的，沒辦法根治，只能依靠外部力量去解決。
一個方式是混合三元鋰電池去均衡能量密度，但因?yàn)殡妷浩脚_要調(diào)到一起去，所以三元鋰的能量是沒用盡的，前文我們也說到過這個事。
另一個方式是使用CTP技術(shù)（Cell to Pack）去提升整包能量密度。在單體能量密度無法取得革命性突破的前提下，必須對模組結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，直接省去了模組和一大堆控制模塊，把大塊的電芯（單體Cell）直接安裝到電池包（整包Pack）當(dāng)中。


蔚來CTP結(jié)構(gòu)可以讓電池包體積利用率提升5%，同體系能量密度提升14%，制造裝配簡化10%。
匆匆結(jié)語
早期蔚來也有使用磷酸鐵鋰的計劃，曾經(jīng)研發(fā)過68kWh磷酸鐵鋰電池包。但磷酸鐵鋰相較于三元鋰在低溫性能和SoC估算方面存在著用戶使用體驗(yàn)方面的差距。所以蔚來沒有量產(chǎn)此電池包的計劃，而是著手研究新的解決方案。歷時1年多的研發(fā)，誕生了這款三元鐵鋰電池包，我們還沒拿到實(shí)車不好評價，但混合配方電池的確開拓了一個全新的領(lǐng)域——內(nèi)燃機(jī)與電動機(jī)可以相互揚(yáng)長避短形成Hybrid組合，為何電池與電池之間不能Hybrid一下呢？
在新的混裝型電池包中，三元鋰電池?fù)碛懈叩哪芰棵芏?、更高的功率密度、更好的低溫續(xù)航表現(xiàn)、更精準(zhǔn)的SoC估算能力，而磷酸鐵鋰電池?fù)碛谐叩难h(huán)壽命、更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性、更低的生產(chǎn)成本、更環(huán)保的原料，兩者互補(bǔ)。
同事@官煜 老師補(bǔ)充了一些觀點(diǎn)，筆者認(rèn)為非常有建樹，因而摘錄給大家了解：
1、發(fā)布會之后，蔚來APP里面有很多車主反對替換掉自己的70度三元鋰電池，覺得這是蔚來在縮減成本的考慮下強(qiáng)行替車主做決定。
2、蔚來推出的電池包是75kWh，其實(shí)也是有考量的：一來不能太大，不然100度電池包的用戶有意見了，因?yàn)槊赓M(fèi)的居然跟我付費(fèi)買的差不多；但是又不能太小，不然磷酸鐵鋰的特性會讓用車體驗(yàn)相比之前下降。權(quán)衡之后就定這個75，能比原來的多一點(diǎn)點(diǎn)續(xù)航，對于用戶來講是好事，又不會影響成本，也不會影響大電池用戶的體驗(yàn)。
3、不影響賣車的殘值，因?yàn)?0和75都進(jìn)入了流通體系，可以隨意更換。
4、動機(jī)是什么？按之前的預(yù)想，未來換電站更大可能性只有100度和150度的電池包，標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航通過軟件鎖電方式限制。這樣一來減少換電站的電池種類；二來軟件鎖電也可以讓電量升級更靈活，即使按天租賃都可以；第三就是100度電池包鎖電在70度的話，相當(dāng)于只用了70%的電量，這個范圍內(nèi)基本上是峰值功率超級快充，不用涓流了。
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