電池研究院:剖析蔚來ES8三電技術

2018-09-05 00:00:00 作者:黃恒樂
純電是一種簡單暴力的方案

在“電池研究院”欄目的第一集《比亞迪第三代DM技術如何節油?》當中,我們分析了“P0+P3+P4”高階構架下的插電式混合動力系統如何工作。然而,混動系統對于絕大多數車企而言還是過于復雜了,不僅開發成本高昂,而且還撈不到幾個子兒補貼。

“簡單暴力上純電”是目前絕大多數造車新勢力的選擇,蔚來便是其一。造純電是為了補貼?豪華車銷量太低,因而無法拿到這么多份固定額度的補貼,補貼比車價貴的那些低速電動車改良版才是騙補神器。

閑話不多說,直入技術主題吧。

蔚來電池技術

A、電池越多越好?

很多朋友都會問:為何不可以堆多一點電池,讓純電動車的續航再高300km?

筆者先反問一句:執飛“廣州- 北京”的空客A380可以裝載250噸航空煤油,為什么每次只裝載50噸呢?

答案很簡單:我們不應該耗費多余的能量,用于運輸能量介質本身。

舉個例子,特斯拉Model S 75電池能量的24%被用于運輸電池本身。如果給Model S裝載4倍容量的電池,續航不可能是4倍,因為這時候大約60%電能用于運輸電池了。

當然,業界也有一些辦法來解決“電池能量密度過低”的世界難題:液流電池技術(很有可能是死胡同)、增程式發電技術(依然有較多污染)、石墨烯電池(商用化遙遙無期)、直流快充技術(只要成本降下來,這是突破口)。

B、電池能量密度越高越好?

電池技術瓶頸真的無法突破嗎?是的,目前全球電池研發與生產均沒有質變式的突破,因為一塊簡單的電芯(基礎元件)需要受到多達6個維度的因素制約:循環壽命、功率密度、能量密度、工作溫度區間、安全、成本。

6個維度的表現,就像是游戲里的“技能樹”,我們手中只有有限的技能點,不能讓所有維度的表現都全優,除非你愿意用200萬成本打造一臺15萬家用車的電池組,以做慈善的方式促進我國新能源事業發展。

C、蔚來的電池有何特點?

6個維度互相制約,自始至終都無法做到完美平衡,多方博弈之下,蔚來ES8的電池包選擇了安全循環壽命作為首要提升目標。

蔚來提出了“三縱三橫”的安全構架:

蔚來電池包安全構架
 電芯模組電池包
預防電芯設計
運行條件
模組設計
電芯堆垛工藝
運行條件
機械強度
電路設計
電池管理系統設計
控制電壓控制
內阻控制
容量控制
溫度控制
電芯單體電壓
電芯單體溫控
電池模組電壓
模組安全測試
電芯單體電壓
電池模組電壓
電池包電壓
電池包電流
繼電器狀態
電池儲存電荷能力
損控

絕緣陶瓷涂覆
保險絲熔斷
泄壓
過充SSD保險

隔燃墊
膨脹力控制
電氣絕緣
泄壓
保險絲熔斷
隔燃材料


我們來理解一下上述表格:

1、“電芯 - 模組 - 電池包”是從微觀到宏觀的排序,電芯得精巧,用電芯組合成的模組才安全,用模組組合成的電池包也才安全;

2、“電池包 - 模組 - 電芯”是從宏觀到微觀的排序,電池包外殼受損,模組外殼還能繼續保護;模組外殼也受損了,電芯本體還有自我保護能力;

3、“預防 - 控制 - 損控”是以時間順序排列的,先預防風險;但是風險還是有的,所以需要用各種溫控、電控、密封來規避風險;當損害無法避免時,還有損控流程還降低損失。

D、硬殼電芯有何優勢和劣勢?

既然蔚來選擇了安全優先,硬殼電芯成為首選。剛剛我們提到,任何電芯電池都不可能是盡善盡美的,因此有了下表內容:

主流電芯性能對比
 硬殼電池軟包電芯圓柱電芯
案例蔚來 大眾 長安 豐田愛馳 前途特斯拉
外殼堅固程度鋁合金/不銹鋼
非常堅固
鋁塑膜外殼
金屬框加固后也堅固
鋁合金/不銹鋼
較為堅固
循環壽命一般
電控難度容易普通很難
熱失控小概率有一定概率
但不易爆炸
散熱好
但也有熱失控可能
制造難度工藝簡單但可靠性好
自動化程度一般
工藝復雜
自動化程度低
工藝復雜但成熟
自動化程度高
電芯一致性較好
整包能量密度一般較高
最大優勢安全容量較高高容量


我們來解讀一下上述表格:

1、硬殼電芯(方形電芯)的最大優勢是安全,畢竟鋁合金/不銹鋼殼子硬;但是硬殼電池的整包能量密度普遍不高,太多重量被用來保護電芯本身。這是蔚來、大眾、豐田、寶馬、奧迪的選擇。

2、軟包電芯的本體重量較輕,單體電芯一致性非常好,問題是加上冷卻系統之后,輕量化優勢又沒剩太多了。愛馳、前途、通用等等車企都選擇了軟包,你的手機也是。

3、圓柱電芯運用最廣泛,而且散熱好,單位重量的容量較高。圓柱電芯的供應商特別多,中日美韓都有成熟的圓柱電芯生產企業,包括特斯拉在內的最大多數車企都選擇了圓柱電芯,包括你的筆記本電腦。

E、說了那么久,把數據請出來吧

先看一個總表:

蔚來電池包信息
高壓電芯單體類型三元鋰離子
額定電壓3.65V(按1/3C工況充放計算)
額定容量50Ah (按1/3C工況充放計算)
高壓電池包系統額定電壓350V(按1/3C工況充放計算)
額定容量200Ah(按1/3C工況充放計算)
長寬高

2062/1539/136mm

電池包內電芯數量384個
電池包重量525kg
電池包能量70kWh
能量密度135Wh/kg
電池電芯排列方式4P96S


我們繼續來解讀:

1、毫無疑問,蔚來用了三元鋰離子“內餡”。目前,三元鋰電池比出貨量更高的磷酸鐵鋰電池更具實用意義,研發潛力也更強一些,但耐用性并不如磷酸鐵鋰那么強(比亞迪e6鐵電池出租車可以運營50萬公里)。

2、4P96S電芯排列方式,也即是96顆電芯為一個模組,4個模組組成蔚來電池包,里頭共計384顆方形電芯,比特斯拉的7000多顆圓柱電芯好控制多了。

3、電池包重量525kg,蔚來ES8的整備質量約為2200kg,占比不到1/4。實際上,我們可以看到ES8底盤內部還有空間可以安放更多電池(下圖),但為何蔚來沒有這樣做呢?蔚來給的答復是:為了服務換電模式,蔚來電池包的外尺寸必須兼容品牌最小車型。也即是說,電池包全品牌統一,車子越小,續航越長。

4、服務換電模式可以,但為何不能在ES8的底盤空隙里面安放固定位置的電池包以增強續航?比如“70kWh可換電池包 + 20kWh固定電池包”。蔚來的答復是:電控難度加大,電池一致性非常難解決。(作者畫外音:記得大眾汽車的“高性能+高容量混搭電池包”嗎?搞砸了……)

5、蔚來硬殼電池包的整包能量密度為135Wh/kg,是目前量產的硬殼電池包里頭最高的,但比不上更具密度優勢的軟包電池包與圓柱電池包(雖然已經很接近主流水平)。不打緊,蔚來的下一款電池包是奔著160Wh/kg來的,非常值得期待。

F、蔚來電池包安全測試

蔚來電池包經歷了將近1000天的安全測試,81個測試項目,涵蓋用車過程中的各種可控、不可控風險,比如:

1、過冷/過熱的環境溫度,對電池包的影響遠大于對內燃機的影響。蔚來電池包需要在-40℃和+85℃之間的125℃溫差之間“生存”下來,頗為勵志。

2、內燃機冷啟動困難,純電動車冷啟動更是煎熬。蔚來的水冷系統可以自動預熱,消耗一定電能,讓電池包迅速進入工作狀態。

3、一般來說,純電動車自燃的逃生只有60-120秒。蔚來電池包在火燒130秒之后依然能使用(不是真的讓你繼續開,而是告訴你這電池包還沒失控爆炸),因此在真正遭遇火情時,車主的逃生時間會大幅度增長。

4、強大的防水性能,是一眾南方車主的福音。這里指的是涉水過隧道的能力比汽油車還強,而不是把車子泡在洪水中沒事。(即使電池包沒事,內飾早就便淹了。)

5、最后是跌落測試,半噸中的電池包自由落體,杠杠的,硬殼電池的優勢。

蔚來電控技術

蔚來BMS電池管理系統擁有多項技術亮點,我們來一一細數:

A、液冷恒溫技術

之前有讀者問過我們,“淺充淺放”是否能讓電池壽命更長。是的,但并不如控制溫度那么有效。打個比方吧,如今手機快充技術已經全面鋪開,其實快充傷電池的速度,遠不及高溫傷電池的速度(即使充電速度慢)。

因為水的比熱容高,整套溫控系統的換熱系數高,冷卻與加熱速度快,想要快速且精準地控制電池溫度,液冷恒溫技術(俗稱“水冷系統”)必不可少。蔚來電儲能系統的每個電池模組內置有3個電芯溫度傳感器,可實現溫度精確檢測和控制。

蔚來將鋁制液冷板鋪于電池模組下,在模組與液冷板之間加入一層導熱墊,并在液冷板與殼體底部之間再鋪設有隔熱和絕緣材料,確保電池整系統的恒溫和安全。工作時,電芯的溫度傳遞到模組與冷板接觸的底部,再通過導熱墊傳給液冷板,液冷板外壁再把熱量傳導到冷卻液,達到降為溫目的。加熱過程反之亦然。

然而,液冷恒溫技術并非黑科技,蔚來的技術重點是 —— 這套技術支持換電模式。也即是說,當蔚來車子進入換電站之后,液冷系統的雙向截止閥會自動關閉/打開,讓液冷系統與電池包液冷回路斷開/重連(耐久性為10000+次),實現液冷電池包快速更換。

B、精準的SOC測量與估算

首先必須說明一個知識點:電池包是非常復雜的一個電化學論題,剩余電量的曲線不是筆直的(剩余燃油的剩余能量是基本筆直的),需要視乎電芯的健康程度、外界溫度變化、充放電倍率來預估。

在純電動車的實際使用過程中,時速會變,溫度會變,用戶的駕駛需求也會變,BMS預估的SOC永遠都存在偏差。BMS想要盡可能地糾正測量誤差,就必須通過先進的軟硬件性能提升精度,減少損耗性。

蔚來給出的解決方案有三個重點:

1、提升傳感器測量精度:整包電流傳感器采用德國進口的伊莎貝拉傳感器,電流采樣精度高。

2、提升芯片的處理能力:新一代英飛凌主芯片,具備32位數據處理的能力。

3、強大的算法處理能力:蔚來獨立研發。

C、均衡策略

蔚來BMS不是一個單獨的控制器,它相當于BMU(Battery Management Unit電池管理單元)+ N 個CSC(Cell Supervisory Controller電芯監控控制器),即BMS= BMU + n × CSC。

內置那么多CSC電芯監控控制器,是因為電芯的一致性是有限的(有些電池包必須用同一批次的電芯才能組建),電芯與鄰居之間的性格有微量差異,這時候就必須執行均衡策略。

簡單來說,就是BMS通過均衡電阻對電芯進行主動控制,讓高電量與低電量電芯均衡一致。如此一來,即使每個電芯在經過同一輪充放電循環后擁有了各自不同的特性,BMS還是能讓它們趨向于一致,此舉將減緩SOH衰減,延長電池壽命。

D、實時監控 & 大數據

為了達到蔚來宣稱的“1500次充放電循環衰減不低于80%”的電池壽命,一套實時監控系統是BMS的必備,而這些傳感器在上文已經表述過了,那就不再贅述。

我們需要知道的是蔚來對電池包的監控與維護邏輯:

1、當BMS監測到電池健康狀態異常,就會報告給車輛,車載系統立即上傳數據給蔚來。

2、更換掉這塊疑似故障的電池并不困難,你可以APP/電話通知NIO Power,剩下的事情交給他們。

3、你也可以在換電站直接把現役電池包換走,裝載健康的電池包繼續行程。這就是換電站的另一個優勢。

4、云端大數據可以執行很多事情,比如指導車主前往最近的換電站獲得健康的電池包、指導車主獲取迭代后的更高容量的電池包、為蔚來NIO Service / NIO Service提供數據支撐等等。

蔚來電機技術

其實,筆者一直認為驅動電機的技術并非新能源汽車科技的核心(內燃機則是傳統汽車工業的核心),真正決定一臺純電動車性能的是電池包。這樣說吧,如果我們有一個同樣體積/重量、可以容下700kWh電量的蔚來電池包,請把EP9的驅動電機給我們的ES8、ES6、ET7裝上,公路與賽道上再無吾之對手。

不過,目前電池技術瓶頸依然未得到突破,我們想要一臺“力氣大、吃得少”的純電動車,就必須在性能與節能之間尋找均衡。

且看下圖,蔚來ES8的驅動模塊結構并不復雜,“逆變器 - 電機 - 減速器”即是完整結構,這就是0-100kW加速4.4秒的根源。

A、“雙三相拓撲結構”的逆變器

“逆變器”很好理解。我們用電網的交流電給車子充電之后,存儲在蔚來70kWh電池包內的電是直流的,這時候我們就要一個DC to AC的變壓器將其轉化為驅動電機轉子最愛的交流電。

雖然多數媒體很少關注逆變器,但其實逆變器需要執行的任務非常繁重,它是整套動力系統的第一個關鍵部件。

逆變器的核心部件是IGBT功率模塊,相當于逆變器的CPU指令中心。英飛凌(Infineon)為蔚來ES8提供了HPDrive IGBT功率模塊,它被聯入蔚來專利的雙三相拓撲結構中,具有更高功率密度更高集成化的特點。

值得一提的是,IGBT是可以“超頻”的。如果電池技術得到突破,在續航能力加強的前提下,英飛凌將強化這款IGBT功率模塊,將ES8的單臺驅動電機最大功率從240kW釋放到300kW。

那么,“雙三相拓撲結構”又是什么呢?對于純電動車而言,三相全橋逆變器拓撲結構完全夠用,但對于ES8這類有著較大功率需求的純電動汽車而言,單個三相拓撲架構容易造成功率器件運行不穩定。

沒有一頓火鍋談不攏的事情,有的話,來兩頓。逆變器也是同樣道理,當使用雙三相拓撲設計之后,兩塊逆變功率模塊并聯,峰值輸出翻倍,安全性和可靠性都得到了提升,還可對輸出扭矩精準控制。

B、異步感應驅動電機

說起電機,這話題太復雜了,我們先來用分類法簡化一下。首先,旋轉電機分為控制電機、功率電機、信號電機三大類,我們今天要說的“驅動電機”便是功率電機的一種,它是用來輸出功率的。

接下來,我們看看各種功率電機的優缺點:

功率電機性能對比
 直流電機交流異步電機交流同步電機
功率密度
轉矩性能一般優秀優秀
轉速范圍4000-6000prm9000-15000prm4000-10000prm
功率因素82-8590-93
峰值效率85-89%94-95%95-97%
負荷效率80-87%90%-(-92%)85-97%
過載能力200%300-500%300%
電機尺寸/質量大/重中/中小/輕
可靠性優秀優良
結構堅固性優秀一般
控制操作性能最佳優秀優秀
控制器成本低廉高昂高昂


我們來解讀一下表格:、

1、直流電機效率低、重量大、體積大、可靠性差,除了便宜之外就沒什么優點了,老年代步車至愛。

2、交流異步電機,各方面性能都非常優異,功率高、效率高、控制精準、可靠性強、動能回收實現難度低,但造價較高,反應沒交流同步電機快,這是蔚來和特斯拉的選擇。

3、交流同步電機,各方面性能同樣優異,轉子結構更復雜,精度更高,尺寸更小,但造價更高。(異步和同步的區別,在于轉子速度與定子旋轉磁場是否一致。)

接下來,我們來了解一下ES8的高性能電機。ES8搭載了兩臺異步感應驅動電機,采用銅轉子技術,屬于國內首創。銅轉子的導熱性相比鋁轉子高出了40%,有效提升了轉子效率并減少損耗;同時,電機采用了激光焊接,焊接熔深一致性好,強度高于同行業的釬焊方式。

蔚來的異步感應驅動電機在0-5500rpm范圍內均可輸出420Nm最大扭矩,在5000-6000rpm時的功率和扭矩輸出幾乎都能夠達到峰值,這意味著在對應的60km/h-80km/h時速下,只要駕駛者需要,ES8就能夠帶來遠超內燃機汽車的加速表現。

蔚來電池包經過了條件苛刻的耐久性試驗,驅動電機同樣如此:

1、以額定最高轉速15000rpm的1.2倍(即18000rpm)進行超速測試,保證轉子不會被破壞;

2、50g加速度的沖擊試驗;

3、在炎熱、濕熱、浸水等條件下,查看密封性能;

4、高低溫循環使用狀況。

C、大輸入功率減速箱

這個不是真的“降低速度”,而是進行轉速匹配(電動機轉速0-15000rpm,車輪不可能達到)。由于交流異步電機的本身調速范圍很廣,因此多數車型的減速箱只需要一個擋位,稱為“單前速變速箱”亦可。

減速箱可以將轉速降低以提升扭矩輸出,電機高速運轉的轉子與減速箱輸入軸上齒數少的齒輪相嚙合,然后再與輸出軸上齒數多的齒輪結合來達到減速的目的,而大小齒輪之間的齒數之比便是減速箱傳動比。

由于蔚來ES8的兩臺驅動電機功率非常大,大輸入功率減速箱成為必須,而其減速比為9.6:1。在制造工藝方面,這臺大輸入功率減速箱還做到了齒輪高精度貼合,從而確保了NVH特性。

編者結語

三電技術說起來簡單:電池、電控、電機;三電技術說起來也可以很復雜,目前筆者用6000字仍未深度解剖完這一套純電驅動系統。

我們總是說“歷史是螺旋式發展的”,這就是一個典型例子。純電動車比汽柴油車早了半個世紀到達這顆蔚藍星球(18世紀時還算是“蔚藍”),然而近一個世紀統治地球的卻是以數十億計算的汽柴油車。

如今,能源與環保的需求,同時推動著純電動車的井噴式發展。純電動車不是未來的必然,說不定哪天就被氫燃料電池車打趴下了;純電動車卻是歷史的必然,更節能、更高效、更安全的三電技術是期間必不可缺的驅動力量。

(文:黃恒樂)

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