造一个好的「电池组」,没那么容易

· Dec 06, 2017 333

1996 年,通用推出了 EV1 电动车,这被认为是电动车发展史上极具代表性的一款车。虽然 EV1 并未能成为主流,但它为通用日后研发电动车相关技术打下了基础。 2016 年 12 月,通用开始量产 Bolt 纯电动车,380 公里的续航(EPA)和 3 万美元的补贴后价格,让它经常被拿出来和特斯拉 Model 3 对标。从 EV1 到 Bolt,20 年时间过去了,通用的电动车技术也发生了天翻地覆的变化。同时,Bolt 也成为通用自动驾驶技术的试验平台,目前已经有超过 130 辆自动驾驶版 Bolt 上路。 那么在 20 年前就开始量产电动车的通用,如今电动车技术发展到了哪种地步?最有资格回答这个问题的,恐怕就是通用的工程师了。前两天,通用中国的工程师们就给我们「 上了一课」,深入浅出的为大家讲了讲电动车知识。 上课之前,先了解一下通用的新能源车型落地情况。在中国,你已经可以买到的新能源车型包括:迈锐宝 XL 混动、别克君越混动、别克君威混动、别克 Velite 5、凯迪拉克 CT6 混动、XT5 混动,覆盖了强混、弱混、插电式混合动力以及增程式混合动力车型。目前,通用还未把纯电动车型引进国内,不过根据我们推测,Bolt 国产也不远了… 面向未来,通用计划在 2023 年之前,在全球推出至少 20 款零排放车型,其中基于雪佛兰 Bolt 纯电动车研发经验打造的两款全新电动车型将在未来 18 个月内上市。 了解完背景再来看技术。先从电池开始,因为电池是一辆电动车上最贵、体积和重量最大的部件,成本可能占到整部车价格的 1/3。 对于汽车用的动力锂电池来说,有几个重要参数:电压、容量、能量密度、功率、寿命、安全和成本。毕竟电动车不是小时候玩的迷你四驱车,买两节 5 号电池装上就能用…… 通用的做法是坚持和供应商深度合作,全程参与电池的研发、设计、生产和电池性能的测试验证。当被问到电池技术突破和成本问题时,通用汽车中国公司电气化总工程师 Jennifer Goforth 也反复提到,和几个「key suppliers(核心供应商)」 的深度合作,是解决问题的关键。 电池组的设计 在研发电池的过程中,通用坚持了几个理念,除了「 安全第一」 之外,还有: 量体裁衣 :不同车型对于电池的具体需求是有所不同的。混合动力车型需要超高倍率性能的电池设计,纯电动车型更多需要考虑高能量密度的电池,而插电式车型更多需要倍率和能量的平衡。(所以电池不能直接买来就用,并且不同车型上的电池组看似相同,实际成分却不同)掌握全局 :亲身参与,才可以掌握整个电池生产环节中的细节,掌握更多数据,确立更为精确的数学模型,并不断在迭代中寻求优化提升的机会。 保持领先 :除了和电池供应商保持战略合作之外,通用汽车在北美和中国的电池研发中心也会开展前瞻电池技术开发,以确保通用汽车在电气化竞争中保持领先。 下面几张图就来自通用中国研发中心电池实验室:  在电池的设计过程中,也有几个关键的点: 材料的选择 : 三元材料的类型多样,如 111,532,622 等(三个数字分别代表正极材料中镍钴锰材料的占比),不同配比的三元材料锂电池的能量密度、稳定性各不相同,车企正在做的就是在保证安全性、成本的前提下,尽可能提高能量密度。前面提到的通用中国研发中心的电池实验室,目前正在开展的前沿研究就包括此部分内容,这是电池设计最重要的一步。 电池的封装形式 :通常情况下,电芯的封装形式有以下几种:圆铝壳、方形硬壳和软包。通用除了采用硬壳封装之外,也会采用软包设计这一封装形式。 软包电池使用铝塑膜通过焊接封装,轻便的铝塑膜,加上叠片工艺制作的电芯可以获得较高的电芯能量密度,软包的封装可以使得电芯和散热片完美贴合。 此外,正负电极极片的设计也需要根据不同车型来制作。包括电极的组成比例(导电碳的种类、多少,粘结剂的种类和含量,以及金属铝箔的种类)、厚度、压实密度、孔隙率以及正负极容量比例也至关重要。同样,通用汽车电池极片的设计也是和供应商一起完成。 也就是说,汽车的电池组其实是很难「 通用」 的,因为不同车型对电池性能的需求不一样。 在此,简单介绍一下通用的叠片式电池模块设计。这种设计的每个电池模块,由电芯、换热片、隔热片等组成, 使得电池模块的热管理效率得到大大的提高。 之前,我们都看过这样的通用电池「 三明治」 原理图: 不过这次我有幸拍到了实物,这样的制造工艺,可以说是很高超了:  电池技术的进步,可以直接反映在产品上:雪佛兰 Volt 上第一代电池容量为 16kWh,纯电续航 80km。而在别克 Velite 5 上,电池容量为 18.4kWh,纯电续航为 116km。 电池管理系统 电池组由成百上千个电池单体构成,比如雪佛兰 Bolt 有 288 节电池。 电池组系统符合木桶效应,也就是说系统的性能是由最差的那节电芯所决定的。因此只有准确监测到每一节电池、精确评估到每一节电池、并且高效的管理到每一节电池,确保所有电池保持一致的良好状态,才能够实现系统的高性能、长寿命、和安全的运行。 在实际运行过程中,电池管理系统的「 监测」 十分重要,对电池的感知能力是实现最优控制的基础。 通用的做法是在系统的每个区域内都放置温度传感器,同时还会监测电池的绝缘特性,确保电池高压与车身的充分隔离。与此同时电池管理系统还会对上述监测功能实时进行诊断和校验,一旦发现了监测系统故障,将会启动冗余方案。确保电池管理系统的感知能力始终处于灵敏的状态。 有了这些电池参数后,电池管理系统就可以对系统状态进行「 评估」,包括:荷电状态、当前功率边界、健康状态和故障状态等等。 有了「 评估」 之后,就可以给电池组「 下达命令」 了。前面提到,电池组是有木桶效应的,所以得所有的电池组得保持「 一致」。(说着简单,其实很考验技术…)电池的一致性可以认为是由两方面因素决定的,一方面,是「 先天的」 一致性,也就是在电池在生产制造过程中,通过先进的制造技术和工艺水平来保障电池的一致性。另一方面是「 后天」 的一致性,也就是通过电池管理系统,来继续维护这种一致性。所以电池管理系统强大的控制能力,主要体现在维护电池一致性的能力。 首先电池管理系统需要维护所有电池荷电状态的一致性,也就是所有电池始终保持相同的荷电状态。除此之外电池温度的一致性也是至关重要的。电池在不同温度下老化的速率是不同的,如果不能维护温度的一致性,那么一段时间之后电池间的差异将显现出来,并且这种不一致是无论怎么均衡都不可能修复的。 对于一家体量巨大的传统车企来说,对待安全问题更是谨慎。通用每一款电池在投放市场之前,都会在电池供应商和通用汽车自己电池实验室里,经历 3-5 年的电芯验证测试。 完整的电池包和以及使用该电池包的车型,还会继续在通用汽车内部进行完整的工况测试。(这下你应该知道为什么雪佛兰 Bolt 迟迟不进入国内了…)看了上面这些内容后,你就会发现造车这件事没那么简单,即使是一辆电动车。在大家都在发展电动车的时候,每家车企的电池的发展水平往往决定了其未来产品的竞争力。毕竟,消费者都希望用最低的价格买到续航最长、最安全的电动车。 原创声明: 本文为 GeekCar 原创作品,欢迎转载。转载时请在文章开头注明作者和「来源自 GeekCar」,并附上原文链接,不得修改原文内容,谢谢合作! 欢迎关注 GeekCar 微信公众号:     GeekCar 极客汽车     (微信号:GeekCar)& 极市     (微信号:geeket)。  

特斯拉 Model S 电池组的小秘密,背后原来是一盘大棋

· Jun 13, 2016 333

前几天,特斯拉面向全球开始销售 Model S 60 和 60D 车型,在国内,它的起售价是 68 万。也就是说,如果你想买一辆 Model S,购买门槛又降低了。 在中国,60 和 60D 车型分别可以提供 400 和 408 公里的续航里程(NEDC 工况),如果觉得这个数不够用,你还可以花 5 万块钱购买一个「 里程升级套件」,把 Model S 升级成 75kWh 电池,获得 19%的额外续航能力,分别达到 480 公里和 490 公里。这个升级包在美国的价格是 8500 美元。 不过好玩的是,这个里程升级套件,并不是把车里的电池组硬件从 60kWh 升级到 75kWh。实际上,就算是 Model S 60 车型,它里面搭载的电池组容量也是 75kWh,只不过,特斯拉通过软件限制的方式,把它限制在了 60kWh。 换句话说,用户花的那几万块钱,实际上是用来解除软件限制的。不过,特斯拉并没有大张旗鼓的说这件事。 但是他们已经不止一次这么玩了,最被人熟知的案例就是 Autopilot 自动驾驶功能的购买。它的硬件是标配在目前出厂的每辆 Model S 车上的,但是用户如果想使用 Autopilot 功能,需要在买车时或者以后的使用过程中向特斯拉购买这个服务。 再回到里程升级套件这件事上。在美国官网上有显示说,订车时选配这个套件需要 8500 美元,而提车以后升级,就需要 9000 美元。这也间接证明,特斯拉确实是对电池组容量做了软件限制,否则很难在交车之后再通过硬件更新的方式升级电池组。另外这也给出一个信息:用户可以不着急在买车的时候就激活这个套件,而是在用车过程中,随时都可以花钱「 解除封印」。 但是在国内有些例外:这个套件只能在提车之前选购。原因是国内的机动车备案政策。简单的说,备案上是 60kWh 的车,后来用户给升级成了 75kWh,这算不算非法改装? 技术上容易实现吗? 以上是购买层面的问题,再聊聊技术层面。 目前能确定的是,特斯拉用的是软件限制,但是具体怎么限制的,我们目前不得而知。你可以脑补两种办法:一是限制电池组的输出电量,二是限制车子的充电量,也就是充到 60kWh 的时候就结束充电。 另外我同事还提到电池一致性的问题。具体来说,我开了两年 Model S 60 之后,心血来潮想「 扩容」,怎么保证电池组里的几千颗电池具有像新车一样的一致性?这些细节,特斯拉目前也不会公开。 从技术上来说,问题的关键集中在 BMS 上。特斯拉的 BMS 那么强,限制电池容量的操作应该不难实现。 还有一个例子:当初在 Model S 的低配车型上,是不标配免费使用超级充电功能的,用户需要额外花钱激活。(Elon Musk 前几天说,也不会让 Model 3 用户免费使用超级充电功能)这个功能是否开通,其实和限制电池组容量的玩法性质类似。 买车的模式真的变了 这件事其实并不复杂,但是应该怎么看待这个玩法,恐怕会有挺多争议。我把这个话题抛到 GeekCar 的讨论群里,大伙儿的反应就比较热烈。在特斯拉官方论坛里,关于这个话题,也有很多不同意见。 比如,有观点认为,既然车里搭载的是 75kWh 电池组,是否意味着消费者要无形中承担 15kWh 电池的硬件成本?毕竟 15kWh 的电池,成本不低。 按照这个思路想,一定会有车主心里不爽。不过,也有观点认为,汽车的成本绝对不只是硬件物料本身,现在整车成本就已经包括了研发成本、生产成本等等,而在未来,软件方面的成本也是特别重要的一部分,只不过,按照现在绝大部分人的消费观念,大家还没有意识到软件的价值,也没有养成为软件买单的习惯。 特斯拉之所以这么玩,按照大家的分析,好处可能有这么几个: 1. 降低生产成本、提高生产效率:统一规格的产品生产起来要更容易,这样无形中可以降低一部分成本,以及提高生产效率。至于研发成本,用同一套硬件来做出两个配置,也比单独开发两个版本要省钱得多。现在在汽油车上这样的例子非常多,比如宝马 320 和 328,都是使用 2.0T 发动机,只不过区分出了高低功率(当然发动机里的某些部件还是有些区别,这也是为什么电动车比燃油车更容易玩「 内购」)。 如果未来 Model 3 也采用这种模式,相对于它的大产量来说,这个优势应该会更加凸显。 设想一个理想化情景:除了外观、内饰、轮毂这些个性化配置,车辆其他主要硬件在生产的时候无限趋近于标准化,这应该是工厂愿意看到的结果。而配置的增减,主要依靠软件层面的激活与否。 2. 降低购买门槛:这个是显而易见的。举个相对极端的例子,一个车主现阶段只能拿出有限的资金买一辆 60 车型,但是他又有大续航里程需求,于是在买车之后,可以等下一笔资金到位,再升级到 75kWh 版本。整体来说,这绝对有助于让更多人选择特斯拉。类似的购车心理,可能很多人都有:还是用宝马 3 系举例,我特别喜欢这车,看上了 328 的动力,但是预算只够 320,买还是不买?这个纠结的过程中,很有可能我会转而再考虑其他车型,对于特斯拉来说,他想做的就是让用户的购买决策过程尽可能缩短,办法就是,先把车买了,至于是 320 还是 328 这不重要,反正后期可以非常容易的从 320 升级成 328。 总之,最近特斯拉在「 内购」 这件事上玩的越来越 … 继续阅读