铁锂、三元,两选一?蔚来:我全都要!
9月23日,蔚来召开电池技术沟通会,正式发布75kWh三元铁锂电池,详细介绍了磷酸铁锂+三元锂的AB电池。这也是行业内首次将两种电池结合起来并进行量产的方案,为车企提供了一个新思路。
我们先来看一下蔚来几款车型升级全新75kWh三元铁锂电池后续航里程的变化:
蔚来ES6性能版装载75kWh三元铁锂电池满电续航NEDC 465km,搭载70kWh三元锂电池时续航430km。
蔚来EC6性能版搭载75kWh三元铁锂电池满电续航NEDC 475km,搭载70kWh三元锂电池时续航440km。
蔚来ES8搭载75kWh三元铁锂电池满电续航NEDC 450km,搭载70kWh三元锂电池时续航415km。
基本上每款车都提升了35km的续航。至于电池更换价格嘛:加量不加价。
那么为了额外“赠送”的35km续航,蔚来在磷酸铁锂+三元锂的AB电池方案背后都有哪些付出?往下看,你就知道了。
蔚来的这套方案囊括了时下最热门的两种电池:磷酸铁锂电池和三元锂电池。简单来说,蔚来就是把磷酸铁锂和三元锂电池通过串联集成在一个电池包内。
磷酸铁锂电池的优点是成本低、安全性高、循环寿命长。但其缺点也很明显,就是能量密度低、低温性能差,且作为电池包时,BMS对电池SOC估算准确性比较低。
而三元锂电池则能够与磷酸铁锂电池互补,优点是能量密度高、低温性能好;缺点是安相对安全性能差,成本高,循环寿命短于磷酸铁锂电池。
理论上来讲,两种电池进行串联后所得到的电池包会集成二者的优点,具备高安全性、高能量密度、低成本,并且通过调整二者数量,也能相应调整电池包的特性。只不过,为了实现这一方案,在量产过程中还必须要解决SOC的精度问题。
蔚来能够率先推出磷酸铁锂+三元锂的AB电池,就是凭借专利技术攻克了这道难题。
从软件上看,磷酸铁锂+三元锂的组合形式并不是在考验电池的电化学性能,而是在“为难”工程师。好在蔚来的工程师抗住了压力(可能掉了很多头发),推出了全新的双体系SOC估算法。
那么这套算法作用如何呢?
我们先来看看磷酸铁锂和三元锂两种电芯的OCV-SOC曲线:
在SOC5%—95%的区域,三元锂离子电芯曲线斜率较大,基本上开路电压和荷电状态呈现一一对应的关系,只需要测得开路电压,通过安时积分计算就可以得到当下SOC荷电状态。但在同一区域范围内磷酸铁锂的曲线非常平缓,并不能准确判断剩余电量。所以在这个区间范围,可以用三元锂作为标尺,实时校准磷酸铁锂在平台段的SOC范围。
而在5%以下以及95%以上的SOC状态时,磷酸铁锂的曲线接近线性状态,这也就意味着在高低段可以利用磷酸铁锂的优势,校准三元锂的SOC。
根据分段曲线的特点,取不同的电池种类进行SOC估算,通过算法、硬件、双体系电芯的有机结合,蔚来的双体系SOC估算法可以将计算误差从10%降低到3%。
早在一年前,蔚来就研发过一款容量68kWh的磷酸铁锂电池包。只不过和市面上最常见的磷酸铁锂一样,存在低温续航不足、能量密度低的缺点。
李斌称,磷酸铁锂电池需要解决冬季寒冷天气下体验不佳的问题,如不然用户关注的痛点就会长期存在。
最初,蔚来思考的方案是将三元锂电池简单粗暴的和磷酸铁锂电池罗列在一起,也就是此前网上传的很广的专利申请图。理论上将磷酸铁锂视作隔热层,可降低电池热失控的剧烈程度。但成本高,相对纯三元锂电池包续航还有所下降,有点得不偿失。
所以此前李斌果断否定了这一想法。在跟宁德时代多次讨论后,敲定了现在的成品三元铁锂电池包。
蔚来三元铁锂电池解决低温性能差的思路很清晰,就是减少热量损失,增加保温措施。在行驶过程中,四角靠近边缘位置会有冷空气积存,会明显降低电池温度,那四角的电池就采用低温性能较好的三元锂电池,内部温度较为稳定的位置使用磷酸铁锂电池。另外根据电池低温下内阻升高的特性,开发耦合电池产热智能热管理,结合整车的热管理,动态调整电池控制目标,达到能耗最小与驾驶体验的平衡,提升低温性能。
增加保温措施方面,在电池包四周增加保温材料,通过全散热路径物理阻隔减少电池包与外界进行热量交换,将电池外框进行打断处理,同时内部与外界连通的气孔进行封闭,重新规划电池线路,减少电池内部冷空气进入。
大多数车企选择的在电池包中加入柴油等温控液体对电池包进行加热,实现车辆预热,让电池保持在最佳工作温度。蔚来则选择对电池包内部进行局部加热,如使用辐射式主动热补偿,在边角处增加辐射加热系统,兼顾电池能耗和温度均匀性,保证电池快速达到最优工作温度。
电池包还内置大功率DCDC对电池进行实时监控,具体位置具体分析,对需要保温加热的区域进行针对性均温处理。蔚来工程师们发现,零下五摄氏度是一个关键节点,只要让电池包维持在这个恒定温度,车辆启动后十分钟内电池就能进入到最佳使用状态,DCDC也负责在将电池保持在这一温度线上。
另外,车辆下电后DCDC仍具有一定的“自主权”,保证电池处于最优状态后会上传数据,也为车辆BMS储存经验。
虽然攻克了SOC估算不精准、低温性能不佳两大痛点,但也许很多人还有担忧:三元锂电池工作电压最高能到4.2V,但磷酸铁锂工作电压一般是3.26V,二者一起使用可能会导致磷酸铁锂工作电压被强行提高,伤害电池寿命。对此蔚来也拿出了解决办法——通过人工干预三元锂电池的工作电压,让两种电池处于最佳的工作电压区间,最大程度的保证电池寿命。
官方表示,75度电池第一年衰减会略高于原有70度电池。长期使用下来,电池包总体寿命甚至要比纯三元锂电池更长。
值得一提的是,作为集合了蔚来研发部大部分心血的电池包,连电池单体的尺寸都是宁德时代“高定产物”。这次的75kWh电池包使用了宁德时代全新CTP-S结构设计,让整体电池包制造装配简化10%,体积利用率提升5%,能量密度提升14%。因此,尽管蔚来这款75kWh电池包主要使用磷酸铁锂电池打造而成,但其能量密度高达142Wh/kg,充电速度也比以前快了十分钟,可以称得上是取长补短了。
对车企来说,技术是第一生产力。年初上线的100度电池包,三元铁锂的创新应用,以及2023年固态电池的布局,蔚来确实让笔者看到他们每一步都稳扎稳打,看到了他们更多的可能性。
高容量电池+换电站铺设,对车主而言意味着更高效率的出行。蔚来从70kWh电池包到75kWh电池包的加量不加价,让购车更加实惠。而这种1+1〉2的做法,也给其他品牌提供了另一种思路,在提升空间利用率的同时,通过对电池的排列组合达到理想效果。在换电之后,蔚来是否会引起又一次的设计创新的热潮,相信市场会给我们答案。