为什么特斯拉电池的循环寿命不高,但是它跑得久?

36氪的朋友们 · 2018-01-14
尽管特斯拉电池的循环寿命并没有那么优秀,但是它一次充放电可以跑的续航里程高,则在电池生命周期里,特斯拉能跑的总续航里程是可以比对手更高的。

编者按:本文来自42号车库(ID:iCar123),作者大吉,36氪经授权转载。

本文是 42 号车库推出的〔 HOW 奇心〕科普栏目电池系列的第二篇内容,上一篇我们讲的是特斯拉的电池续航能力到底有多强?

栏目嘉宾

张华博士:复旦大学材料物理专业本科,美国加州大学洛杉矶分校材料科学与工程博士,发射资本董事。

今天我们谈艺术。

不要紧张,你没看错,就是艺术。

今天我们谈关于电池性能的平衡的艺术。

这是在我和张华博士聊完之后,最强烈的感受。

我问张华,目前动力电池的续航究竟还可以提升多少,快速充电可以有多快,有什么办法可以减少电池的衰减。

张华回了我一句,你要是觉得有一个电池,续航超级牛逼,对其他性能又没有影响,那你可能就太过于天真。

电池是一个很全方位的产品,你要提升某一方面的性能,注定会牺牲其他方面的性能,你得到一样东西,注定会失去一样东西,这是电池设计研发的理解基础。

我楞了一下,没想到我浓浓的八卦之魂突然进入了禅定时刻。

张华是谁?

在写完「特斯拉的电池续航能力到底有多强?」之后,我在微博和朋友圈预告过,电池系列会有续篇。只是,和之前不同的是,这次我邀请了一位比我更了解电池的朋友,来帮助我一起完成关于电池性能的系列内容。

张华,就是我提到的这位朋友。他是毕业于 UCLA 的材料科学与工程专业的博士,同时也是发射资本的董事,在电池相关领域深耕多年。

在他的帮助下,我们对电池问题的探讨可以回到更本质的层面上来。

特斯拉能跑很远没错,但是它的循环寿命并不高

目前业内对电池的主要关注点是,要降低电池的成本,提高电池的容量,同时又希望电池的寿命不要降低太多,能够满足消费者日常的使用。

听上去十分有理想。

张华在此就提醒到,如果你看到电池某一方面的性能特别强,你一定要反思一下,它付出的代价到底是什么。

在动力电池的性能上,我们目前最看重的是能量密度和寿命,其次就是充放电的速度和对温度的响应。

能量密度提高,通常的代价是电池的循环寿命会变差,充放电速度也会变差。

张华拿特斯拉举例。比如说,和比亚迪的磷酸铁锂电池比起来,特斯拉的电池的确能量密度更高,但是它的循环寿命和磷酸铁锂却有两倍左右的差距。

等等。

特斯拉不是续航里程高,电池能量密度高,可以慢充也可以快充,同时衰减得也很慢吗。

特斯拉的这张续航里程衰减图被广为传播。

你看图中的这条曲线,在行驶 20 万公里之后,特斯拉的续航里程还能保持在初始续航里程的 90% 到 95% 之间。

这是来自 286 位 Model S 车主的统计数据。

在图中,车主用他们可计量的单位「续航里程」来评估电池的衰减情况。

这个没有问题。

只是,续航里程代表的是在一次充放电过程中车辆所能行驶的距离。而循环寿命代表的是在一个电池有效的生命周期里,可以充放电多少次。

我们来做一个粗略的数学题。

同样跑 20 万公里,特斯拉充放电一次跑 500 公里,跑完全程需要充放电 400 次。其他电动车充放电一次跑 200 公里,跑完全程需要充放电 1000 次。

简单说,就是电池生命周期总续航 = 单次续航里程 ✖️ 循环寿命。

也就是说,尽管特斯拉电池的循环寿命并没有那么优秀,但是它一次充放电可以跑的续航里程高,则在电池生命周期里,特斯拉能跑的总续航里程是可以比对手更高的。

所以,我们看到的结果是,特斯拉的电池不易于衰减这件事被车主们广为称道。

但是,这并不代表特斯拉电池的循环寿命更高。

电池结构是参透循环寿命的关键问题

电池的循环寿命是怎么被影响的呢?

首先,我们来看电池是怎么充放电的。

锂离子电池的放电过程

锂离子电池的充放电过程,就是锂离子的运动过程。

从学术上来说,锂离子主要做两个运动,一个叫嵌入,一个叫脱出。

锂离子是嵌在电池结构中的,在每次运动过程中,锂离子都要从原来的结构中脱身,跑到另外一边。张华打了个比方,这有点像你从一个房间搬运一堆东西到另一个房间。

不管是放电还是充电,锂离子都是从电池的一极跑到另外一极。

对电池寿命的认识,要建立在对电池结构认识的基础上。

在充放电过程中,每一次参与运动的锂离子越少,对结构的破坏越小。每一次参与运动的锂离子跑得越慢,对结构的破坏也越小。如果锂离子跑得差不多了,还要持续从里面抽取锂离子,对电池就会有损伤。

结构越不稳定,被破坏得越多,循环寿命自然就会变差。所以,我们通常强调,锂离子电池的充放电要浅充浅放,不要挑战电池的「极限」。

其次,我们来关心材料。

不同的电极材料有不同的电池结构。

我们通过改变电极的材料比例来提高电池的能量密度的时候,电池的循环寿命也在发生变化。比如,特斯拉的 NCA 电池就比比亚迪的磷酸铁锂电池循环寿命更差。

而特斯拉在 21700 电池上应用硅碳负极,硅加得越多,电池结构越容易被破坏,循环寿命就越容易受到影响。

电极材料对寿命的影响,也建立在电池结构上。

最后,温度也是一样。

零度以下的低温也会对电池的结构带来负面影响,甚至是永久损伤。

因此,充放电过程(深度/速度)、电池材料以及温度这三个因素,都可以通过对电池结构的影响,影响电池的循环寿命。

说到这里,我们顺便可以理解一下电池管理系统的作用。

电池管理系统的核心目的就是为了保障电池在性能和寿命上的稳定。所以,电池管理系统主要做两件事,一个管理内部环境与外界的交互,也就是管理电池的充放电过程。一个管理外部环境与电池的交互,也就是温度(热)管理。

有人说,车辆上表显数据显示电池消耗为 0 了,但是车还能再跑一会儿,这也是防止电池放电深度过高的一种管理。

大电池在充放电过程中可以更任性一点

那电池究竟充放电多少比较合适呢?

我们来认识三个词。一个是 SoC(State of Charge),表示电池的当前容量。一个是 DoD(Depth of Discharge),表示电池放电的深度。还有一个是 C(Current),表示电池充放电的倍率。

深度和速度,是充放电过程中的重要影响因素。

SoC 和 DoD

首先来看深度。

电池放电的深度是跟整个电池的容量有关的。

比如说特斯拉的电池是 90 度电,其他电动车 45 度电。同样开百公里 5 秒,特斯拉用了 0.1% 的电池容量,其他电动车用了 0.2% 的电池容量,对电池的伤害程度是不同的。

放电深度对循环寿命的影响,来源: Stephen Grinwis ;

也就是说,深度考察的不是绝对数值,而是容量比例。大电池在这里占了一定的优势。

而在速度上,充放电的倍率越高,所需要的时间就越短,循环寿命也会越短。

在同一辆车上,迅速地启动,和缓慢地启动,对电池的消耗是不一样的,损伤也是不一样的。快速加速,相当于电池快速地放电。

那我们期待的快速充电对电池是不是有损耗呢?

肯定有,但我们更关心的问题是,这个损耗有多大。

如果一般充电桩慢充的循环寿命是 700 次,相匹配的快充的循环寿命是 500 次,对正常用车影响不会特别大。如果慢充的循环寿命是 700 次,快充的循环寿命是 100 次,那强推快充就没有太大意义了。这也是为什么不建议用充 Macbook 的电源去充 iPhone 的原因。

而谈到不同的车型,由于特斯拉电池大,在同样的加速度下,电流更小,相当于是一次慢放过程。从慢放的角度来说,电池衰减得更慢。

如果在这个基础上,把电池的充放电速度提升 25% 。那么特斯拉的 25% 增速是 0.1% 的 25% ,其他电动车的 25% 增速是 0.2% 的 25% ,结果是不同的。

在驾驶过程中,同样一次充放电过程,特斯拉消耗的电池容量比例低,进而降低了循环寿命的负面影响。

所以说,特斯拉用大电池,弥补了循环寿命的缺点。尽管特斯拉电池可用的次数少,但是它跑得远啊。

这也是为什么,尽管特斯拉循环寿命不高,但是用户在感知上认为特斯拉的电池是足够使用的。

这就是在和张华交流的过程中,让我感受最深的一点。

看上去特斯拉所采用的 NCA 电池有很多短板,然而特斯拉通过电芯数量的堆积克服了电池性能上的短板。

我们以为做的是加法,但这却不是你以为的那种简单的加法。

当然,张华并不推崇盲目提高电池续航,牺牲电池其他性能的做法。毕竟,电池续航数字是最容易被评估的,而对电池的其他性能则需要车主们付出大量时间才能体验到。

只是,在目前的充电环境下,在撬动车主对电动车的兴趣下,续航是一个无法避开的问题。

除非,我们要探索其他的新能源,这个话题下次可以继续聊。

最后,张华的建议是,电池的充放电深度通常在 20% 到 80% 之间比较好。

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