解讀蔚來75kWh三元鐵鋰混合電池

　　【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)頻道】關(guān)于蔚來即將推出全新75kWh電池包的消息，其實已經(jīng)傳了好一陣子，筆者終于在今年9月末來到蔚來上海實驗室一探究竟。

　　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，

　　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。

　　因為換電模式的基層邏輯，蔚來可以輕松實現(xiàn)電池升級，老用戶不會覺得自己又被割了韭菜。

　　磷酸鐵鋰的安全性能遠高于三元鋰，熱失控的可能性大大降低，但因為兩種配方電池混用，電控難度增加了非常多。

　　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)壽命短是因為電壓范圍用太盡了，經(jīng)常滿充會造成負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稱電壓在3.7V左右，工作電壓范圍寬達3.0-4.2V，換成磷酸鐵鋰配方之后，標稱電壓降低至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。

　　磷酸鐵鋰配方可以減少稀有金屬的使用，減少環(huán)境污染負擔。

　　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。

　　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、標準續(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。）

　　毫無疑問，還是寧德時代。

　　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、聽著真無線耳機、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)的團隊找出來的。

　　德州大學的古迪納夫教授是公認的最早利用磷酸鐵鋰制作鋰離子正極材料的研究者，其團隊在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)機理是由正極決定的，所以命名源于正極材料。

　　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)，有研究團隊認為有且?guī)缀蹩珊雎裕?/p>

　　A、較差的導電性。

　　B、較低的鋰離子擴散系數(shù)。

　　C、電壓低。

　　D、SoC測量精準性太差。

　　E、快充極限差。

　　F、能量密度不如三元鋰。

　　G、低溫性能差。

　　我們都知道，當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早在多年前就有車企提出，其中不乏大眾集團這種行業(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0℃以下的環(huán)境溫度就有啟動困難的風險，若在-20℃的外部溫度下，磷酸鐵鋰電池的放電容量只相當于25℃時的38%左右，我就問你還敢不敢開暖氣……

　　因為低溫性能不佳，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。雖然會耗費一定的電量，但也好過因為低溫導致內(nèi)部活性物質(zhì)電化學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，導致電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的崩塌，電池損壞。

　　因為磷酸鐵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)量可以帶來更精準的SOC監(jiān)測能力。等等，這玩意沒標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：  獨創(chuàng)的雙體系算法，根據(jù)三元和鐵鋰電池低溫特性進行模型化控制，經(jīng)過多輪標定，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?；旌吓浞诫姵匕慕Y(jié)構(gòu)雖然被公布了，但算法是內(nèi)部資料，其他車企想要復制蔚來的電池，還是繞不過算法機密。

　　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，達到能耗最小與駕駛體驗的平衡，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，運用低導熱材料及創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在所有路徑上的關(guān)鍵結(jié)合點進行熱量阻隔設(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%。

　　因為以上的技術(shù)補充，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“尺子”用，串聯(lián)進電池包內(nèi)部當SoC測量專員。

　　如今蔚來引入了更多的三元鋰電池，可以補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尺，實時校準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)，可以實現(xiàn)快速、實時、均衡的SoC校準。

　　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，但因為電壓平臺要調(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)進行改進，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%。

　　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)燃機與電動機可以相互揚長避短形成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，三元鋰電池擁有更高的能量密度、更高的功率密度、更好的低溫續(xù)航表現(xiàn)、更精準的SoC估算能力，而磷酸鐵鋰電池擁有超高的循環(huán)壽命、更強的熱穩(wěn)定性、更低的生產(chǎn)成本、更環(huán)保的原料，兩者互補。

　　同事@官煜 老師補充了一些觀點，筆者認為非常有建樹，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行替車主做決定。

　　2、蔚來推出的電池包是75kWh，其實也是有考量的：一來不能太大，不然100度電池包的用戶有意見了，因為免費的居然跟我付費買的差不多；但是又不能太小，不然磷酸鐵鋰的特性會讓用車體驗相比之前下降。權(quán)衡之后就定這個75，能比原來的多一點點續(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。

　　3、不影響賣車的殘值，因為70和75都進入了流通體系，可以隨意更換。

　　4、動機是什么？按之前的預想，未來換電站更大可能性只有100度和150度的電池包，標準續(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。

　　因為稿期緊迫，這篇4000字文章寫得有點“簡短”，之后我會在《電池研究院》專欄里面開一篇更深度的內(nèi)容發(fā)給大家看。

　　這幾年寫了好些萬字長文，但我一直不認為“深度”就是“字數(shù)多”，有些短文也能寫出很深度、很有見地的內(nèi)容，而長篇都市言情小說跟裹腳布一樣長卻不見得有任何深度。

　　技術(shù)方面的長文，是作者用來挑選讀者群體的，現(xiàn)在很多人不具備或者已經(jīng)丟失了深度內(nèi)容閱讀能力，還嫌別人寫得太深太長，這純粹是返祖。

（圖/文/攝：太平洋汽車網(wǎng) 黃恒樂）