电池研究院:剖析蔚来ES8三电技术
技术 发布于:2018-09-26 18:46:00
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。
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:
蔚来电池包安全构架 | |||
电芯 | 模组 | 电池包 | |
预防 | 电芯设计 运行条件 | 模组设计 电芯堆垛工艺 运行条件 | 机械强度 电路设计 电池管理系统设计 |
控制 | 电压控制 内阻控制 容量控制 温度控制 | 电芯单体电压 电芯单体温控 电池模组电压 模组安全测试 | 电芯单体电压 电池模组电压 电池包电压 电池包电流 继电器状态 电池储存电荷能力 |
损控 | 绝缘陶瓷涂覆 | 隔燃垫 膨胀力控制 电气绝缘 | 泄压 保险丝熔断 隔燃材料 |
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:
主流电芯性能对比 | |||
硬壳电池 | 软包电芯 | 圆柱电芯 | |
案例 | 蔚来 大众 长安 丰田 | 爱驰 前途 | 特斯拉 |
外壳坚固程度 | 铝合金/不锈钢 非常坚固 | 铝塑膜外壳 金属框加固后也坚固 | 铝合金/不锈钢 较为坚固 |
循环寿命 | 长 | 长 | 一般 |
电控难度 | 容易 | 普通 | 很难 |
热失控 | 小概率 | 有一定概率 但不易爆炸 | 散热好 但也有热失控可能 |
制造难度 | 工艺简单但可靠性好 自动化程度一般 | 工艺复杂 自动化程度低 | 工艺复杂但成熟 自动化程度高 |
电芯一致性 | 好 | 较好 | 弱 |
整包能量密度 | 一般 | 高 | 较高 |
最大优势 | 安全 | 容量较高 | 高容量 |
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:
蔚来电池包信息 | ||
高压电芯单体 | 类型 | 三元锂离子 |
额定电压 | 3.65V(按1/3C工况充放计算) | |
额定容量 | 50Ah (按1/3C工况充放计算) | |
高压电池包系统 | 额定电压 | 350V(按1/3C工况充放计算) |
额定容量 | 200Ah(按1/3C工况充放计算) | |
长宽高 | 2062/1539/136mm | |
电池包内电芯数量 | 384个 | |
电池包重量 | 525kg | |
电池包能量 | 70kWh | |
能量密度 | 135Wh/kg | |
电池电芯排列方式 | 4P96S |
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2200kg,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。
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:
功率电机性能对比 | |||
直流电机 | 交流异步电机 | 交流同步电机 | |
功率密度 | 低 | 中 | 高 |
转矩性能 | 一般 | 优秀 | 优秀 |
转速范围 | 4000-6000prm | 9000-15000prm | 4000-10000prm |
功率因素 | — | 82-85 | 90-93 |
峰值效率 | 85-89% | 94-95% | 95-97% |
负荷效率 | 80-87% | 90%-(-92%) | 85-97% |
过载能力 | 200% | 300-500% | 300% |
电机尺寸/质量 | 大/重 | 中/中 | 小/轻 |
可靠性 | 差 | 优秀 | 优良 |
结构坚固性 | 差 | 优秀 | 一般 |
控制操作性能 | 最佳 | 优秀 | 优秀 |
控制器成本 | 低廉 | 高昂 | 高昂 |
我们来解读一下表格:、
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。
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。
(文:皆电 黄恒乐)