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电池研究院：不好意思，蔚来的电池真的可靠吗？
分类：
行业资讯
作者：
来源：
皆电GeekNEV
2018/12/09 17:27
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在“电池研究院”栏目的第一集《比亚迪第三代DM技术如何节油？》当中，我们分析了“P0+P3+P4”高阶构架下的插电式混合动力系统如何工作。然而，混动系统对于绝大多数车企而言还是过于复杂了，不仅开发成本高昂，而且还捞不到几个子儿补贴。
“简单暴力上纯电”是目前绝大多数造车新势力的选择，蔚来便是其一。造纯电是为了补贴？豪华车销量太低，因而无法拿到这么多份固定额度的补贴，补贴比车价贵的那些低速电动车改良版才是骗补神器。
闲话不多说，直入技术主题吧。
蔚来电池技术
A、电池越多越好？
很多朋友都会问：为何不可以堆多一点电池，让纯电动车的续航再高300km？笔者先反问一句：执飞“广州- 北京”的空客A380可以装载250吨航空煤油，为什么每次只装载50吨呢？答案很简单：我们不应该耗费多余的能量，用于运输能量介质本身。举个例子，特斯拉Model S 75电池能量的24%被用于运输电池本身。如果给Model S装载4倍容量的电池，续航不可能是4倍，因为这时候大约60%电能用于运输电池了。当然，业界也有一些办法来解决“电池能量密度过低”的世界难题：液流电池技术（很有可能是死胡同）、增程式发电技术（依然有较多污染）、石墨烯电池（商用化遥遥无期）、直流快充技术（只要成本降下来，这是突破口）。
B、电池能量密度越高越好？
电池技术瓶颈真的无法突破吗？是的，目前全球电池研发与生产均没有质变式的突破，因为一块简单的电芯（基础元件）需要受到多达6个维度的因素制约：循环寿命、功率密度、能量密度、工作温度区间、安全、成本。
6个维度的表现，就像是游戏里的“技能树”，我们手中只有有限的技能点，不能让所有维度的表现都全优，除非你愿意用200万成本打造一台15万家用车的电池组，以做慈善的方式促进我国新能源事业发展。
C、蔚来的电池有何特点？
6个维度互相制约，自始至终都无法做到完美平衡，多方博弈之下，蔚来ES8的电池包选择了安全与循环寿命作为首要提升目标。
蔚来提出了“三纵三横”的安全构架：
我们来理解一下上述表格：
1、“电芯 - 模组 - 电池包”是从微观到宏观的排序，电芯得精巧，用电芯组合成的模组才安全，用模组组合成的电池包也才安全；
2、“电池包 - 模组 - 电芯”是从宏观到微观的排序，电池包外壳受损，模组外壳还能继续保护；模组外壳也受损了，电芯本体还有自我保护能力；
3、“预防 - 控制 - 损控”是以时间顺序排列的，先预防风险；但是风险还是有的，所以需要用各种温控、电控、密封来规避风险；当损害无法避免时，还有损控流程还降低损失。
D、硬壳电芯有何优势和劣势？
既然蔚来选择了安全优先，硬壳电芯成为首选。刚刚我们提到，任何电芯电池都不可能是尽善尽美的，因此有了下表内容：
我们来解读一下上述表格：
1、硬壳电芯（方形电芯）的最大优势是安全，毕竟铝合金/不锈钢壳子硬；但是硬壳电池的整包能量密度普遍不高，太多重量被用来保护电芯本身。这是蔚来、大众、丰田、宝马、奥迪的选择。
2、软包电芯的本体重量较轻，单体电芯一致性非常好，问题是加上冷却系统之后，轻量化优势又没剩太多了。爱驰、前途、通用等等车企都选择了软包，你的手机也是。
3、圆柱电芯运用最广泛，而且散热好，单位重量的容量较高。圆柱电芯的供应商特别多，中日美韩都有成熟的圆柱电芯生产企业，包括特斯拉在内的最大多数车企都选择了圆柱电芯，包括你的笔记本电脑。
E、说了那么久，把数据请出来吧
先看一个总表：
我们继续来解读：
1、毫无疑问，蔚来用了三元锂离子“内馅”。目前，三元锂电池比出货量更高的磷酸铁锂电池更具实用意义，研发潜力也更强一些，但耐用性并不如磷酸铁锂那么强（比亚迪e6铁电池出租车可以运营50万公里）。
2、4P96S电芯排列方式，也即是96颗电芯为一个模组，4个模组组成蔚来电池包，里头共计384颗方形电芯，比特斯拉的7000多颗圆柱电芯好控制多了。
3、电池包重量525kg，蔚来ES8的整备质量约为2460kg，占比不到1/4。实际上，我们可以看到ES8底盘内部还有空间可以安放更多电池（下图），但为何蔚来没有这样做呢？蔚来给的答复是：为了服务换电模式，蔚来电池包的外尺寸必须兼容品牌最小车型。也即是说，电池包全品牌统一，车子越小，续航越长。
4、服务换电模式可以，但为何不能在ES8的底盘空隙里面安放固定位置的电池包以增强续航？比如“70kWh可换电池包 + 20kWh固定电池包”。蔚来的答复是：电控难度加大，电池一致性非常难解决。（作者画外音：记得大众汽车的“高性能+高容量混搭电池包”吗？搞砸了……）
5、蔚来硬壳电池包的整包能量密度为135Wh/kg，是目前量产的硬壳电池包里头最高的，但比不上更具密度优势的软包电池包与圆柱电池包（虽然已经很接近主流水平）。不打紧，蔚来的下一款电池包是奔着160Wh/kg来的，非常值得期待。
F、蔚来电池包安全测试
蔚来电池包经历了将近1000天的安全测试，81个测试项目，涵盖用车过程中的各种可控、不可控风险，比如：
1、过冷/过热的环境温度，对电池包的影响远大于对内燃机的影响。蔚来电池包需要在-40℃和+85℃之间的125℃温差之间“生存”下来，颇为励志。
2、内燃机冷启动困难，纯电动车冷启动更是煎熬。蔚来的水冷系统可以自动预热，消耗一定电能，让电池包迅速进入工作状态。
3、一般来说，纯电动车自燃的逃生只有60-120秒。蔚来电池包在火烧130秒之后依然能使用（不是真的让你继续开，而是告诉你这电池包还没失控爆炸），因此在真正遭遇火情时，车主的逃生时间会大幅度增长。
4、强大的防水性能，是一众南方车主的福音。这里指的是涉水过隧道的能力比汽油车还强，而不是把车子泡在洪水中没事。（即使电池包没事，内饰早就便淹了。）
5、最后是跌落测试，半吨中的电池包自由落体，杠杠的，硬壳电池的优势。
蔚来电控技术
蔚来BMS电池管理系统拥有多项技术亮点，我们来一一细数：
A、液冷恒温技术
之前有读者问过我们，“浅充浅放”是否能让电池寿命更长。是的，但并不如控制温度那么有效。打个比方吧，如今手机快充技术已经全面铺开，其实快充伤电池的速度，远不及高温伤电池的速度（即使充电速度慢）。
因为水的比热容高，整套温控系统的换热系数高，冷却与加热速度快，想要快速且精准地控制电池温度，液冷恒温技术（俗称“水冷系统”）必不可少。蔚来电储能系统的每个电池模组内置有3个电芯温度传感器，可实现温度精确检测和控制。
蔚来将铝制液冷板铺于电池模组下，在模组与液冷板之间加入一层导热垫，并在液冷板与壳体底部之间再铺设有隔热和绝缘材料，确保电池整系统的恒温和安全。工作时，电芯的温度传递到模组与冷板接触的底部，再通过导热垫传给液冷板，液冷板外壁再把热量传导到冷却液，达到降为温目的。加热过程反之亦然。
然而，液冷恒温技术并非黑科技，蔚来的技术重点是 —— 这套技术支持换电模式。也即是说，当蔚来车子进入换电站之后，液冷系统的双向截止阀会自动关闭/打开，让液冷系统与电池包液冷回路断开/重连（耐久性为10000+次），实现液冷电池包快速更换。
B、精准的SOC测量与估算
首先必须说明一个知识点：电池包是非常复杂的一个电化学论题，剩余电量的曲线不是笔直的（剩余燃油的剩余能量是基本笔直的），需要视乎电芯的健康程度、外界温度变化、充放电倍率来预估。
在纯电动车的实际使用过程中，时速会变，温度会变，用户的驾驶需求也会变，BMS预估的SOC永远都存在偏差。BMS想要尽可能地纠正测量误差，就必须通过先进的软硬件性能提升精度，减少损耗性。
蔚来给出的解决方案有三个重点：
1、提升传感器测量精度：整包电流传感器采用德国进口的伊莎贝拉传感器，电流采样精度高。
2、提升芯片的处理能力：新一代英飞凌主芯片，具备32位数据处理的能力。
3、强大的算法处理能力：蔚来独立研发。
C、均衡策略
蔚来BMS不是一个单独的控制器，它相当于BMU（Battery Management Unit电池管理单元）+ N 个CSC（Cell Supervisory Controller电芯监控控制器），即BMS= BMU + n × CSC。
内置那么多CSC电芯监控控制器，是因为电芯的一致性是有限的（有些电池包必须用同一批次的电芯才能组建），电芯与邻居之间的性格有微量差异，这时候就必须执行均衡策略。
简单来说，就是BMS通过均衡电阻对电芯进行主动控制，让高电量与低电量电芯均衡一致。如此一来，即使每个电芯在经过同一轮充放电循环后拥有了各自不同的特性，BMS还是能让它们趋向于一致，此举将减缓SOH衰减，延长电池寿命。
D、实时监控 & 大数据
为了达到蔚来宣称的“1500次充放电循环衰减不低于80%”的电池寿命，一套实时监控系统是BMS的必备，而这些传感器在上文已经表述过了，那就不再赘述。
我们需要知道的是蔚来对电池包的监控与维护逻辑：
1、当BMS监测到电池健康状态异常，就会报告给车辆，车载系统立即上传数据给蔚来。
2、更换掉这块疑似故障的电池并不困难，你可以APP/电话通知NIO Power，剩下的事情交给他们。
3、你也可以在换电站直接把现役电池包换走，装载健康的电池包继续行程。这就是换电站的另一个优势。
4、云端大数据可以执行很多事情，比如指导车主前往最近的换电站获得健康的电池包、指导车主获取迭代后的更高容量的电池包、为蔚来NIO Service / NIO Service提供数据支撑等等。
蔚来电机技术
其实，笔者一直认为驱动电机的技术并非新能源汽车科技的核心（内燃机则是传统汽车工业的核心），真正决定一台纯电动车性能的是电池包。这样说吧，如果我们有一个同样体积/重量、可以容下700kWh电量的蔚来电池包，请把EP9的驱动电机给我们的ES8、ES6、ET7装上，公路与赛道上再无吾之对手。
不过，目前电池技术瓶颈依然未得到突破，我们想要一台“力气大、吃得少”的纯电动车，就必须在性能与节能之间寻找均衡。
且看下图，蔚来ES8的驱动模块结构并不复杂，“逆变器 - 电机 - 减速器”即是完整结构，这就是0-100kW加速4.4秒的根源。
A、“双三相拓扑结构”的逆变器
“逆变器”很好理解。我们用电网的交流电给车子充电之后，存储在蔚来70kWh电池包内的电是直流的，这时候我们就要一个DC to AC的变压器将其转化为驱动电机转子最爱的交流电。
虽然多数媒体很少关注逆变器，但其实逆变器需要执行的任务非常繁重，它是整套动力系统的第一个关键部件。
逆变器的核心部件是IGBT功率模块，相当于逆变器的CPU指令中心。英飞凌(Infineon)为蔚来ES8提供了HPDrive IGBT功率模块，它被联入蔚来专利的双三相拓扑结构中，具有更高功率密度和更高集成化的特点。
值得一提的是，IGBT是可以“超频”的。如果电池技术得到突破，在续航能力加强的前提下，英飞凌将强化这款IGBT功率模块，将ES8的单台驱动电机最大功率从240kW释放到300kW。
那么，“双三相拓扑结构”又是什么呢？对于纯电动车而言，三相全桥逆变器拓扑结构完全够用，但对于ES8这类有着较大功率需求的纯电动汽车而言，单个三相拓扑架构容易造成功率器件运行不稳定。
没有一顿火锅谈不拢的事情，有的话，来两顿。逆变器也是同样道理，当使用双三相拓扑设计之后，两块逆变功率模块并联，峰值输出翻倍，安全性和可靠性都得到了提升，还可对输出扭矩精准控制。
B、异步感应驱动电机
说起电机，这话题太复杂了，我们先来用分类法简化一下。首先，旋转电机分为控制电机、功率电机、信号电机三大类，我们今天要说的“驱动电机”便是功率电机的一种，它是用来输出功率的。
接下来，我们看看各种功率电机的优缺点：
1、直流电机效率低、重量大、体积大、可
靠性差，除了便宜之外就没什么优点了，老年代步车至爱。
2、交流异步电机，各方面性能都非常优异，功率高、效率高、控制精准、可靠性强、动能回收实现难度低，但造价较高，反应没交流同步电机快，这是蔚来和特斯拉的选择。
3、交流同步电机，各方面性能同样优异，转子结构更复杂，精度更高，尺寸更小，但造价更高。（异步和同步的区别，在于转子速度与定子旋转磁场是否一致。）
接下来，我们来了解一下ES8的高性能电机。ES8搭载了两台异步感应驱动电机，采用铜转子技术，属于国内首创。铜转子的导热性相比铝转子高出了40%，有效提升了转子效率并减少损耗；同时，电机采用了激光焊接，焊接熔深一致性好，强度高于同行业的钎焊方式。
蔚来的异步感应驱动电机在0-5500rpm范围内均可输出420Nm最大扭矩，在5000-6000rpm时的功率和扭矩输出几乎都能够达到峰值，这意味着在对应的60km/h-80km/h时速下，只要驾驶者需要，ES8就能够带来远超内燃机汽车的加速表现。
蔚来电池包经过了条件苛刻的耐久性试验，驱动电机同样如此：
1、以额定最高转速15000rpm的1.2倍（即18000rpm）进行超速测试，保证转子不会被破坏；
2、50g加速度的冲击试验；
3、在炎热、湿热、浸水等条件下，查看密封性能；
4、高低温循环使用状况。
C、大输入功率减速箱
这个不是真的“降低速度”，而是进行转速匹配（电动机转速0-15000rpm，车轮不可能达到）。由于交流异步电机的本身调速范围很广，因此多数车型的减速箱只需要一个挡位，称为“单前速变速箱”亦可。
减速箱可以将转速降低以提升扭矩输出，电机高速运转的转子与减速箱输入轴上齿数少的齿轮相啮合，然后再与输出轴上齿数多的齿轮结合来达到减速的目的，而大小齿轮之间的齿数之比便是减速箱传动比。
由于蔚来ES8的两台驱动电机功率非常大，大输入功率减速箱成为必须，而其减速比为9.6:1。在制造工艺方面，这台大输入功率减速箱还做到了齿轮高精度贴合，从而确保了NVH特性。
编者结语
三电技术说起来简单：电池、电控、电机；三电技术说起来也可以很复杂，目前笔者用6000字仍未深度解剖完这一套纯电驱动系统。
我们总是说“历史是螺旋式发展的”，这就是一个典型例子。纯电动车比汽柴油车早了半个世纪到达这颗蔚蓝星球（18世纪时还算是“蔚蓝”），然而近一个世纪统治地球的却是以数十亿计算的汽柴油车。如今，能源与环保的需求，同时推动着纯电动车的井喷式发展。纯电动车不是未来的必然，说不定哪天就被氢燃料电池车打趴下了；纯电动车却是历史的必然，更节能、更高效、更安全的三电技术是期间必不可缺的驱动力量。