相較其他汽車大廠 特斯拉的電池續航能力到底有多強?

作者:42號車庫   |   2018 / 01 / 10

文章來源:雪球   |   圖片來源:Jayroz


特斯拉 (Tesla) 的粉絲一直堅定地認為,特斯拉的技術水平是遙遙領先的 (不對,這個詞現在已經不能隨便用了) 。

傳統企業的工程師出來反駁,特斯拉並沒有你們以為的那麼厲害。粉絲不服,那你們的續航怎麼沒有超過特斯拉?

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。工程師覺得粉絲也不懂,粉絲覺得工程師都是老頑固。兩個群體就這麼互相標籤化,離多維度地還原事情的本質這件事越來越遠。

在試著探討這個問題之前,我們先界定一下這個問題的前提條件,梳理幾個基礎概念。

1. 車輛續航除了跟電池有關以外,還跟不同工況下的運行有關。由於後者的問題比較複雜,今天主要來談電池。

2. 電池最重要的性能參數是能量密度,能量密度有體積能量密度 (Wh/L) ,也有質量能量密度 (Wh/kg) 。我們在電池上更多談論的是質量能量密度 (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不同的數據,一個是電池系統的能量密度,一個是電芯的能量密度。

電芯 (Cell) 是一個電池系統的最小單元,也有人描述為單體電池。你理解為單節電池就行,比如說,一節五號電池。M 個電芯組成一個模組 (Module) ,N 個模組組成一個電池包 (Pack) ,這就是車用動力電池的基本結構。也有人直接把電池包叫做電池組。

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(Nissan Leaf 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。)

其實就是一個很簡單的公式,電池包 = N·模組 = N· (M·電芯) 。

4. 由於電池包關係到電池最終的形狀和車輛佈置,大部分廠家會選擇採購電芯,自己來做電池系統。電池系統的能量密度和電芯選型有關,比如圓柱電池因為單個電芯容量小,電池系統結構複雜,在單個電芯能量密度占優勢的前提下,電池系統的能量密度相對會低一些。 (結論參考來自麥肯錫的報告)

簡轉繁雪球)相較其他汽車大廠 特斯拉的電池續航能力到底有多強?-01
(電動車製造商的電池供應鏈策略,原圖來自麥肯錫,42號車庫翻譯。)

5. 從結構上劃分,電芯主要有三種類型,方殻電池 (Prismatic) 、軟包電池 (Pouch) 和圓柱電池 (Cylindrical) 。

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(從左到右分別為圓柱電池、方殻電池和軟包電池。)

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,這裡的材料主要指的是正極材料。在原材料的影響中,正極材料對電芯的能量密度影響較大。

負極材料普遍以石墨為主,目前主流研究方向在探索矽碳負極的商業化。

電芯的結構和原材料組成的不同,對電芯的能量密度均有影響。

以上這些內容,我再把要點總結一下。

在我們討論電池對車輛續航里程的影響時,主要討論的是電池系統的能量密度和總體重量的結構佈置。而電池系統的能量密度主要由電芯正負極材料和結構選型決定。

建立了框架上的基礎認識之後,我們現在可以針對具體的車型來談細節了。我們由大到小來看。

首先,是電池包的整體結構。

在麥肯錫的報告中,提出一個很重要的結論,那就是不同車輛結構上佈置的電池系統樣式,對電池系統的能量密度大小有重要影響。對於這一點,我們直接看圖感受。

先來看一看在第二次電動車浪潮裡,生產了第一款量產電動車 EV1 的老牌廠商通用。

以下這張圖,從左到右分別為第一代 Volt,第二代 Volt,Spark EV 和最新款的雪佛蘭 Bolt 的電池系統。其中,Volt 為插電混動車型,Spark EV 和 Bolt 是純電動車型,Spark EV 是自 EV1 停產之後通用推出的第一款量產電動車型。

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(照片來自 Jeffery Sauger)

來看一下 Spark EV 的電池佈置和電池結構。

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(雪佛蘭 Spark EV)

2014 款 Spark EV 用的是磷酸鐵鋰電池,由 A123 提供,容量 21.3 kWh。

2015 款 Spark EV 的電池改用 LG Chem,96 組,每組 2 個電芯,每個電芯 27 Ah,3.75 V,一共有 192 個電芯,電池容量為 19.44 kWh (192 x 27 Ah x 3.75 V ) 。

整個電池系統體積 135 L,總重 215 kg,比老款減重 39 kg。根據以上數據計算,2015 款 Spark EV 電池系統體積和質量的能量密度分別為 144 Wh/L 和 90 Wh/kg。

電池更換後,兩款車 EPA 標準下的續航里程均為 132 km。也就是說,雖然電池容量和重量都減少了,但是新款電池的能量密度提升了,車輛續航里程保持不變。但是 100 多公里的續航顯然沒太大意義。

要繼續提升車輛續航的話怎麼辦呢。要麼繼續提升電芯的能量密度,要麼就辦法多裝一點電芯。簡單說,要麼繼續用這個平台,要麼就得改了。

舊平台改造 (AEP:Adapted Electric Platform) 分為兩種類型,一種是基於舊平台的舊設計,一種是基於舊平台的新設計。Spark EV 屬於前一種,用的是 Gamma II 平台,雪佛蘭 Bolt 就屬於後面一種,基於 Gamma G2SC 平台設計。

請看,肉眼可見的,電池結構變得更加平坦,電池體積也增加了,可以裝下更多電芯了。沒錯,雪佛蘭 Bolt 的電芯增加到了 288 個,依然是 96 組,但是每組增加到 3 個電芯。

電芯由 LG Chem 提供,每個電芯 55 Ah,3.75 V。電池容量近 60 kWh  (實際是 288 x 55 Ah x 3.75 V = 59.4 kWh) 。

電池體積 285 L,總重 435 kg,電池系統的能量密度為 246 Wh/L 和 137 Wh/kg,EPA 續航里程為 383 km。

可以看出,從 Spark EV 到 Bolt,電芯數量增加了一半,電池體積增加了 0.7 倍,電池重量增加了一倍,電池系統的能量密度也增加了一半,而車輛續航里程則增加了兩倍。

重新設計後的車輛底盤,更有利於電池系統的佈局。

除了具有歷史代表意義的通用電動車 (特斯拉也曾經借鑒過 EV1 的設計) 以外,另外一款全球知名的暢銷電動車是 Nissan Leaf。

要說 Spark EV 的電池佈置雖然侷促,但形狀還算平整。到了 Nissan Leaf 身上,本來形狀非常規則的軟包電芯堆疊到一起,被佈置出一個不規則形狀,來適應車輛上的座位結構。

一個電池包裡,有橫著放的,有豎著放的,簡直逼死強迫症。完全沒有體現出日本人應有的處女座特質。

Nissan Leaf 說是自己的 EV 平台,其實也是參照 Tiida 做的。這麼多年過去了,動力系統的佈置一直在調整,但是電池的形狀和位置卻基本沒什麼變化。

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(Nissan Leaf 新舊款對比)

經過剛才 Bolt 電池結構的學習,看到這裡你是不是可以猜一猜,Leaf 的續航提升可能有限。

對的。

Nissan Leaf 一共用了三種電池,從 24 kWh 到 30 kWh 再到 40 kWh,電芯數量始終不變,一直是 192 個,EPA 續航里程從 135 km 提升到 172 km 再到 241 km。

然而,Bolt 已經快 400 km 了喂!

當然,你要換一種標準看的話,數據看起來還是可以的。

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(Nissan Leaf 在 JC08 標準下的續航表現)

結論說完了,來看一下具體數據。

24 kWh 的電池使用的是 AESC 的錳酸鋰 LMO 電芯,每個電芯 33.1 Ah,3.8 V。電芯總重量為 151.1 kg,電芯的能量密度為 317 Wh/L 和 157 Wh/kg。

30 kWh 的電池用的是鎳鈷錳 (NCM) 電池,重量比 24 kWh 的增重 21 kg。電芯的能量密度為 396 Wh/L 和 174 Wh/kg。

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(
Nissan Leaf 的電池變化)

到了 2017 款,Nissan Leaf 新增了 40 kWh 的電池,EPA 續航里程 241 km。對,此時已經 2017 年了。

在通用宣稱自己每賣出一輛 Bolt 就虧損 9000 美金時,不知道說日產是省錢好呢還是省錢好呢還是省錢好呢。

美國和日本的代表作都看過了,我們現在來看德國。

福斯 (Volkswagen) 的 MQB 平台很多人都很熟悉了,e-Golf 就是 MQB 平台下的產物。e-Golf 是福斯繼 e-up!之後推出的第二款量產電動車。

有沒有一種熟悉的感覺,那種傳統內燃機平台下誕生的不規則電池結構的尷尬又來了。

e-Golf 的電池在 Volt 的 T 型結構 ( T 型結構最早來源於通用 EV1 車型) 上還加了一對小翅膀,企圖做一點空間上的掙扎。

然而,數據顯示,2015 款 e-Golf 的 EPA 續航里程是 134 km。2015 款 e-Golf 用的是松下三洋的方殻電池,電池容量 24.2 kWh,重 330 kg。一共 27 個模組,264 個電芯 (88s3p),每個電芯 25 Ah。到了 2017 款,福斯更換了 e-Golf 的電池供應商。最新款 35.8 kWh 的電池來自三星 SDI,選用的是 37 Ah 電芯,EPA 續航里程為 201 km。

依然長路漫漫。德國另外一家不能忽視的廠家就是傳說中培養出三星 SDI 和寧德時代兩家重量級電池供應商的BMW。

終於說到BMW i3。BMW i 系列是全新設計的產品線,從 i3 的電池結構可以看到,非常平整的一個長方體,電池外殼就像一個抽屜一樣,裡面裝了 96 個電芯。i3 老款電池容量 22 kWh,EPA 續航里程僅 130 km,使用的是 60 Ah 電芯。i3 新款的電芯尺寸不變,採用了來自三星 SDI 的 94 Ah 和 3.7 V 的鎳鈷錳 (NCM) 電芯,電芯能量密度為 357.4 Wh/L 和 173.9 Wh/kg。電池總容量為 33 kWh,EPA 續航里程提升到 182 km。

看來,光有結構的平整也沒用,裝不下大電池,就是裝不下。而賓士,最早 Smart 和 B-Class 的電動力系統都是由特斯拉供應的,後來經更換後,結構上沒有大的改動,篇幅有限就不展開了。

特斯拉有從 60 kWh 到 100 kWh 的不同電池版本。中間升級過一次 18650 的電芯,從每節 2.9 Ah 升級到 3.1 Ah,在保持結構不變的基礎上,70 kWh 的版本直接升級到 75 kWh。

我們來看一下特斯拉在 EPA 標準下的續航數據。

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(特斯拉 Model S 的續航里程,截圖來自 Wikipedia)

截圖裡可以看到,以 Model S 為例,特斯拉 EPA 標準的續航里程覆蓋 300 多到 500 多公里。而在最新公佈的 EPA 數據裡可以看到,Model 3 長續航版的續航里程也已達到了 499 公里。

從市售產品上來看,完全是碾壓級的勝利。

當然,一個新平台的打造往往需要上百億的投入,在電動車還僅是小眾市場時,傳統車企在財務上的保守表現是非常正常的。這也帶來了特斯拉的機會點和領先市場的優勢。

市售產品的性能對比,實際比較的是產品層面。

產品,其實是企業綜合策略的體現。要考慮市場規模,品牌定位,還要核算成本及價格。比如,一個低端品牌,在沒有品牌溢價的定價能力的前提下,不敢輕易打造像特斯拉這樣百萬級價位的豪華電動車。

當你定義了自己是未來市場的領導者,還是跟隨者的時候,你也同時定義下了,你的產品是不是一定要應用最新最好的技術。而這一點,正是科技愛好者最為看重的事情。

為了更客觀地比較各家產品的差別,現在我們談技術層面,也就是從電池系統要談到電芯了。

從上一個部分的電芯演變,或許你可以注意到,大家都開始採用鎳鈷錳 (NCM) 電池了。NCM 是電池的正極材料,根據正極材料劃分,目前主流的電池主要有三種類型,磷酸鐵鋰、鎳鈷錳 (NCM) 和鎳鈷鋁 (NCA) 。

磷酸鐵鋰電池的安全性更高,能量密度更低,在客車上的應用更廣。比亞迪由於押寶在磷酸鐵鋰路線上,而在三元鋰電池的探索上占了下風。在乘用車上,我們主要認識的就是兩種電池,NCM 和 NCA。特斯拉的松下圓柱電池就是 NCA 材料。

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(NCM 電池組成)

想要提高電池能量密度,第一條要做的就是提高電芯正極材料的比容量。鎳的含量越高,電芯的比容量就越高。另外,由於鈷價太高,提高鎳的比例的同時降低鈷的比例,能夠成功降低電芯成本,這也是高鎳電芯發展趨勢的重要原因。

而我們常見的 NCM 111 / 523 / 622 / 811 指的都是這三種元素之間的比例。也就是說,NCM 811 是目前鎳比例最高的電芯。

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(BMW 的電池路線圖)

我們從 BMW 的電池路線圖裡就可以看到,NCM 會從 111 的比例逐漸調整到 811。2018 款 BMW i3 會用到三星 SDI 的 NCM 622 電芯,而直到 2021 年以後,BMW才會在 i5 上應用 NCM 811 電芯。

而賓士的 EQ 平台在 2018 年的第三季度就會使用 SK innovation 的 NCM 811 電芯。

從 LG Chem 的資料上來看,計劃使用他們最新款 811 電池的車型有以下這些:

  • 日產 Leaf E-Plus ( 60 kWh 版本)
  • 現代 Kona EV
  • 現代 IONIQ Electric (電池升級版)
  • 起亞 Niro EV
  • 第二代 Renault Zoe ( 2019 )
  • 福斯 ID (2019)
  • 歐寶 Corsa EV (2019)
  • 標緻 208 EV (2019)

也就是,應用 NCM 811 電芯的車型最早會在 2018 年看到。

雖然這些廠家沒有提供目前 NCM 811 電芯的能量密度數據,但是我們可以看一份 Solid Power 提供的數據。

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(來源:Solid Power)

採用 NCM 811 正極和石墨負極的電芯,可以達到 255 Wh/kg,536 Wh/L 的能量密度。而 CATL 的官方資料顯示,他們電芯的能量密度目前能達到 240 Wh/kg。

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(來源:CATL 美國官網)

另外,來自比亞迪的官方資料顯示,比亞迪 NCM 電池的能量密度目前能達到 200 Wh/kg。

特斯拉目前 18650 電芯的能量密度大概在 250 Wh/kg 的水平,而在 Model 3 的 2170 電芯上,特斯拉將採用矽碳負極,將電芯能量密度提升到 300 Wh/kg。

也就是說,單純比較電芯能量密度的話,其他廠家可以達到特斯拉 18650 電芯的能量密度水平,但是在已經開始對外交付的 Model 3 上,特斯拉又領先了。

除了在正極材料上提高鎳的比例以外,在負極材料中使用矽碳也是業內認可的一個方向。因為石墨的理論能量密度是 372 mAh/g,而矽負極的理論能量密度高達 4200 mAh/g。

只是矽負極材料存在膨脹的問題,可能會導致電池容量喪失,影響電池的循環壽命。目前在量產電芯上,只有特斯拉宣佈成功應用了矽碳負極材料。

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(電池路線演變,來源:Solid Energy)

在《促進汽車動力電池產業發展行動方案》中,工信部提出,新型鋰離子動力東池的電芯能量密度要超過 300 Wh/kg,電池系統能量密度達到 260 Wh/kg,而到 2025 年,電池系統能量密度要達到 350 Wh/kg。

目前,NCM 811 已經把鎳的比例提高到很難再大幅提升的水平了,使用矽碳負極或者研究不同的正極材料將會是一個提升點。而到 300 Wh/kg 以上,固態電池的技術突破將會成為關鍵。

在產品層面上,車企早就可以應用更新更好的技術,但由於早期電動車市場太小,車企沒有大規模資金投入到電動車新平台的開發上,內燃機車型平台的先天因素導致無法裝載大電池。

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(福斯的續航時間表)

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(日產的續航時間表)

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(雷諾的續航時間表)

另一方面,有調研公司的市場調查顯示,三四百公里的續航已經足以滿足當前用戶的需求。老奸巨猾,不,經驗豐富的老牌車企並不想冒冒失失地推出成本高昂的車型。

在傳統內燃機車型的市場上,他們早就習慣如此。在新創公司搶著用華麗數據吸引眼球的時候,他們不急,一邊慢慢推進自己的新平台計劃,一邊想辦法在輿論上攻擊競爭對手。

所以,特斯拉的電池續航能力到底強在哪兒呢。

第一,在電芯技術層面,大家選擇了不同的技術路線,在 250 Wh/kg 水平的能量密度上不分上下。但是特斯拉在矽碳負極材料上成功突破到 300Wh/kg,又早一步領先業內水平。

第二,由於沒有歷史包袱,特斯拉得以拋去內燃機底盤的包袱,開發全新的電動車平台,在電池系統的佈局設計上獲得了很高的自由度,可以很早就推出 100 k/Wh 的電池容量,領先行業幾年。

第三,在馬斯克 (Elon Musk) 一流的行銷能力下,特斯拉成功打造了高品牌定位,從而可以在高價位的市場區間快速應用最新最好的技術。

雪球》授權轉載

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