鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：934次 | 2021年04月14日
為何特斯拉電池它跑得久，而它的循環(huán)壽命卻不高
目前業(yè)內(nèi)對電池的重要關(guān)注點(diǎn)是，要降低電池的成本，提高電池的容量，同時(shí)又希望電池的壽命不要降低太多，能夠滿足消費(fèi)者日常的使用。聽上去十分有理想。
張華在此就提醒到，假如你看到電池某一方面的性能特別強(qiáng)，你一定要反思一下，它付出的代價(jià)到底是什么。
在動力鋰電池的性能上，我們目前最看重的是能量密度和壽命，其次就是充放電的速度和對溫度的響應(yīng)。能量密度提高，通常的代價(jià)是電池的循環(huán)壽命會變差，充放電速度也會變差。
張華拿特斯拉舉例。比如說，和比亞迪的磷酸鐵鋰離子電池比起來，特斯拉的電池的確能量密度更高，但是它的循環(huán)壽命和磷酸鐵鋰卻有兩倍左右的差距。
特斯拉18650和寶馬i3電池的循環(huán)壽命比較
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
等等。特斯拉不是續(xù)航里程高，電池能量密度高，可以慢充也可以快充，同時(shí)衰減得也很慢嗎。
特斯拉的這張續(xù)航里程衰減圖被廣為傳播。
來源:特斯拉論壇
你看圖中的這條曲線，在行駛20萬公里之后，特斯拉的續(xù)航里程還能保持在初始續(xù)航里程的90%到95%之間。這是來自286位ModelS車主的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。在圖中，車主用他們可計(jì)量的單位「續(xù)航里程」來評估電池的衰減情況。
這個(gè)沒有問題。只是，續(xù)航里程代表的是在一次充放電過程中車輛所能行駛的距離。而循環(huán)壽命代表的是在一個(gè)電池有效的生命周期里，可以充放電多少次。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備
我們來做一個(gè)粗略的數(shù)學(xué)題。同樣跑20萬公里，特斯拉充放電一次跑500公里，跑完全程要充放電400次。其他電動汽車充放電一次跑200公里，跑完全程要充放電1000次。
簡單說，就是電池生命周期總續(xù)航=單次續(xù)航里程??循環(huán)壽命。也就是說，盡管特斯拉電池的循環(huán)壽命并沒有那么優(yōu)秀，但是它一次充放電可以跑的續(xù)航里程高，則在電池生命周期里，特斯拉能跑的總續(xù)航里程是可以比對手更高的。
所以，我們看到的結(jié)果是，特斯拉的電池不易于衰減這件事被車主們廣為稱道。但是，這并不代表特斯拉電池的循環(huán)壽命更高。
電池結(jié)構(gòu)是參透循環(huán)壽命的關(guān)鍵問題
電池的循環(huán)壽命是怎么被影響的呢？首先，我們來看電池是怎么充放電的。
鋰離子電池的放電過程
鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的運(yùn)動過程。從學(xué)術(shù)上來說，鋰離子重要做兩個(gè)運(yùn)動，一個(gè)叫嵌入，一個(gè)叫脫出。
鋰離子是嵌在電池結(jié)構(gòu)中的，在每次運(yùn)動過程中，鋰離子都要從原來的結(jié)構(gòu)中脫身，跑到另外一邊。張華打了個(gè)比方，這有點(diǎn)像你從一個(gè)房間搬運(yùn)一堆東西到另一個(gè)房間。
不管是放電還是充電，鋰離子都是從電池的一極跑到另外一極。
對電池壽命的認(rèn)識，要建立在對電池結(jié)構(gòu)認(rèn)識的基礎(chǔ)上。在充放電過程中，每一次參與運(yùn)動的鋰離子越少，對結(jié)構(gòu)的破壞越小。每一次參與運(yùn)動的鋰離子跑得越慢，對結(jié)構(gòu)的破壞也越小。假如鋰離子跑得差不多了，還要持續(xù)從里面抽取鋰離子，對電池就會有損傷。
結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，被破壞得越多，循環(huán)壽命自然就會變差。所以，我們通常強(qiáng)調(diào)，鋰離子電池的充放電要淺充淺放，不要挑戰(zhàn)電池的「極限」。
其次，我們來關(guān)心材料。不同的電極材料有不同的電池結(jié)構(gòu)。我們通過改變電極的材料比例來提高電池的能量密度的時(shí)候，電池的循環(huán)壽命也在發(fā)生變化。比如，特斯拉的NCA電池就比比亞迪的磷酸鐵鋰離子電池循環(huán)壽命更差。
而特斯拉在21700電池上應(yīng)用硅碳負(fù)極，硅加得越多，電池結(jié)構(gòu)越容易被破壞，循環(huán)壽命就越容易受到影響。電極材料對壽命的影響，也建立在電池結(jié)構(gòu)上。
最后，溫度也是相同。零度以下的低溫也會對電池的結(jié)構(gòu)帶來負(fù)面影響，甚至是永久損傷。
因此，充放電過程（深度/速度）、電池材料以及溫度這三個(gè)因素，都可以通過對電池結(jié)構(gòu)的影響，影響電池的循環(huán)壽命。
說到這里，我們順便可以理解一下電池管理系統(tǒng)的用途。電池管理系統(tǒng)的核心目的就是為了保障電池在性能和壽命上的穩(wěn)定。所以，電池管理系統(tǒng)重要做兩件事，一個(gè)管理內(nèi)部環(huán)境與外界的交互，也就是管理電池的充放電過程。一個(gè)管理外部環(huán)境與電池的交互，也就是溫度（熱）管理。
有人說，車輛上表顯數(shù)據(jù)顯示電池消耗為0了，但是車還能再跑一會兒，這也是防止電池放電深度過高的一種管理。
大電池在充放電過程中可以更任性一點(diǎn)
那電池究竟充放電多少比較合適呢？
我們來認(rèn)識三個(gè)詞。一個(gè)是SoC（StateofCapacity），表示電池的當(dāng)前容量。一個(gè)是DoD（DepthofDischarge），表示電池放電的深度。還有一個(gè)是C（Current），表示電池充放電的倍率。
深度和速度，是充放電過程中的重要影響因素。
SoC和DoD
首先來看深度。
電池放電的深度是跟整個(gè)電池的容量有關(guān)的。比如說特斯拉的電池是90度電，其他電動汽車45度電。同樣開百公里5秒，特斯拉用了0.1%的電池容量，其他電動汽車用了0.2%的電池容量，對電池的傷害程度是不同的。
放電深度對循環(huán)壽命的影響，來源:StephenGrinwis；也就是說，深度考察的不是絕對數(shù)值，而是容量比例。大電池在這里占了一定的優(yōu)勢。
而在速度上，充放電的倍率越高，所要的時(shí)間就越短，循環(huán)壽命也會越短。在同一輛車上，迅速地啟動，和緩慢地啟動，對電池的消耗是不相同的，損傷也是不相同的。快速加速，相當(dāng)于電池快速地放電。
那我們期待的快速充電對電池是不是有損耗呢？肯定有，但我們更關(guān)心的問題是，這個(gè)損耗有多大。
假如一般充電樁慢充的循環(huán)壽命是700次，相匹配的快充的循環(huán)壽命是500次，對正常用車影響不會特別大。假如慢充的循環(huán)壽命是700次，快充的循環(huán)壽命是100次，那強(qiáng)推快充就沒有太大意義了。這也是為何不建議用充Macbook的電源去充iPhone的原因。
而談到不同的車型，由于特斯拉電池大，在同樣的加速度下，電流更小，相當(dāng)于是一次慢放過程。從慢放的角度來說，電池衰減得更慢。
假如在這個(gè)基礎(chǔ)上，把電池的充放電速度提升25%。那么特斯拉的25%增速是0.1%的25%，其他電動汽車的25%增速是0.2%的25%，結(jié)果是不同的。
在駕駛過程中，同樣一次充放電過程，特斯拉消耗的電池容量比例低，進(jìn)而降低了循環(huán)壽命的負(fù)面影響。所以說，特斯拉用大電池，彌補(bǔ)了循環(huán)壽命的缺點(diǎn)。盡管特斯拉電池可用的次數(shù)少，但是它跑得遠(yuǎn)啊。這也是為何，盡管特斯拉循環(huán)壽命不高，但是用戶在感知上認(rèn)為特斯拉的電池是足夠使用的。
這就是在和張華交流的過程中，讓我感受最深的一點(diǎn)。
看上去特斯拉所采用的NCA電池有很多短板，然而特斯拉通過電芯數(shù)量的堆積克服了電池性能上的短板。我們以為做的是加法，但這卻不是你以為的那種簡單的加法。
當(dāng)然，張華并不推崇盲目提高電池續(xù)航，犧牲電池其他性能的做法。畢竟，電池續(xù)航數(shù)字是最容易被評估的，而對電池的其他性能則要車主們付出大量時(shí)間才能體驗(yàn)到。
只是，在目前的充電環(huán)境下，在撬動車主對電動汽車的興趣下，續(xù)航是一個(gè)無法避開的問題。除非，我們要探索其他的新能源，這個(gè)話題下次可以繼續(xù)聊。
最后，張華的建議是，電池的充放電深度通常在20%到80%之間比較好。
特斯拉的電池續(xù)航能力到底有多強(qiáng)？
42號車庫
特斯拉的粉絲一直堅(jiān)定地認(rèn)為，特斯拉的技術(shù)水平是遙遙領(lǐng)先的（不對，這個(gè)詞現(xiàn)在已經(jīng)不能隨便用了）。
傳統(tǒng)公司的工程師出來反駁，特斯拉并沒有你們以為的那么牛。粉絲不服，那你們的續(xù)航怎么沒有超過特斯拉？工程師不想解釋，卻在私下嘀咕，我們的能量密度也很高，只是成本太高沒人用而已。
工程師覺得粉絲啥也不懂，粉絲覺得工程師都是老頑固。兩個(gè)群體就這么互相標(biāo)簽化，離多維度地還原事情的本質(zhì)這件事越來越遠(yuǎn)。兩邊的對立常常讓我困惑，為何不能好好交流呢。
越來越多的人問我這個(gè)問題，特斯拉的電池續(xù)航能力到底有多強(qiáng)。三言兩語說不清，不如嘗試著寫一寫吧。當(dāng)然，我并不是專業(yè)工程師，有不對的地方歡迎指正。
在試著探討這個(gè)問題之前，我們先界定一下這個(gè)問題的前提條件，梳理幾個(gè)基礎(chǔ)概念。
1、車輛續(xù)航除了跟電池有關(guān)以外，還跟不同工況下的運(yùn)行有關(guān)。由于后者的問題比較復(fù)雜，今天重要來談電池。
2、電池最重要的性能參數(shù)是能量密度，能量密度有體積能量密度（Wh/L），也有質(zhì)量能量密度（Wh/kg）。我們在電池上更多談?wù)摰氖琴|(zhì)量能量密度（Wh/kg），它決定了單位重量的電池所儲存能量的大小。
3、電池的能量密度常常指向兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)，一個(gè)是電池系統(tǒng)的能量密度，一個(gè)是電芯的能量密度。
電芯（Cell）是一個(gè)電池系統(tǒng)的最小單元，也有人描述為單體電池。你理解為單節(jié)電池就行，比如說，一節(jié)五號電池。M個(gè)電芯組成一個(gè)模組（Module），N個(gè)模組組成一個(gè)電池包（Pack），這就是車用動力鋰電池的基本結(jié)構(gòu)。也有人直接把電池包叫做電池組。
NissanLeaf使用的是軟包電池，從上到下依次為電芯，電池模組和電池包。
其實(shí)就是一個(gè)很簡單的公式，電池包=N模組=N（M電芯）。
4、由于電池包關(guān)系到電池最終的形狀和車輛布置，大部分廠家會選擇采購電芯，自己來做電池系統(tǒng)。電池系統(tǒng)的能量密度和電芯選型有關(guān)，比如圓柱電池因?yàn)閱蝹€(gè)電芯容量小，電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在單個(gè)電芯能量密度占優(yōu)勢的前提下，電池系統(tǒng)的能量密度相對會低一些。（結(jié)論參考來自麥肯錫的報(bào)告）
電動汽車制造商的電池供應(yīng)鏈策略，原圖來自麥肯錫，42號車庫翻譯。
5、從結(jié)構(gòu)上劃分，電芯重要有三種類型，方殼電池（Prismatic），軟包電池（Pouch）和圓柱電池（Cylindrical）。
從左到右分別為圓柱電池、方殼電池和軟包電池。
從原材料劃分，電芯有磷酸鐵鋰、鎳鈷錳（NCM）和鎳鈷鋁（NCA）等不同類型，這里的材料重要指的是正極材料。在原材料的影響中，正極材料對電芯的能量密度影響較大。
負(fù)極材料普遍以石墨為主，目前主流研究方向在探索硅碳負(fù)極的商業(yè)化。
電芯的結(jié)構(gòu)和原材料組成的不同，對電芯的能量密度均有影響。
以上這些內(nèi)容，我再把要點(diǎn)總結(jié)一下。
在我們討論電池對車輛續(xù)航里程的影響時(shí)，重要討論的是電池系統(tǒng)的能量密度和總體重量的結(jié)構(gòu)布置。而電池系統(tǒng)的能量密度重要由電芯正負(fù)極材料和結(jié)構(gòu)選型決定。
建立了框架上的基礎(chǔ)認(rèn)識之后，我們現(xiàn)在可以針對具體的車型來談細(xì)節(jié)了。
我們由大到小來看。
首先，是電池包的整體結(jié)構(gòu)。
在麥肯錫的報(bào)告中，提出一個(gè)很重要的結(jié)論，那就是不同車輛結(jié)構(gòu)上布置的電池系統(tǒng)樣式，對電池系統(tǒng)的能量密度大小有重要影響。
關(guān)于這一點(diǎn)，我們直接看圖感受。
先來看一看在第二次電動汽車?yán)顺崩铮a(chǎn)了第一款量產(chǎn)電動汽車EV1的老牌廠商通用。
