蔚来75kWh三元-铁锂电池的核心方案是什么?

蔚来想推磷酸铁锂的电池系统,但又不能像其他企业那样直白的推出来,它定位的是高端市场,尤其要注重用户体验,所以就有了三元-铁锂这个AB电池包。
在今天的发布会上,蔚来进一步透露了它的三元-铁锂电池包技术方案,这里我们以此来探讨下。概况地讲有3个:
(1)双体系控制算法,主要用于实现SOC精准估算;
(2)创新的保温+加热,主要用于实现优秀的低温性能;
(3)CATL二代CTP,主要用于提高集成效率。

1、双体系控制算法

蔚来需要解决的首个核心问题:磷酸铁锂(LFP)电芯SOC估计不准确的问题,因为如果SOC估计不准,在放电时整车就无法为用户提供实时、正确的电量信息,导致续航差异过大;在充电时,充电时间估计不准或无法充电。根本的原因在于LFP的OCV-SOC曲线大部分区间太过平缓,这个在《Model 3 LFP低温快充策略的更新》已经提到过,比如下图中的红线电压数值,但对应的X轴SOC却有多个。

而三元电芯,在整个SOC区间内的曲线斜率都是较大的,与电压可以做到一一对应。但磷酸铁锂在放电末期(如<5%>95% SOC)它的OCV-SOC曲线斜率是非常大的,能够非常好地估计出SOC,所以对于磷酸铁锂往往会选择在满充的条件下进行SOC的校准。

三元和铁锂电芯的这种特性,让蔚来想到了混搭两种电芯,以提高对磷酸铁锂电池SOC的估计精度。具体地说,就是利用三元电芯较大的曲线斜率+磷酸铁电芯在曲线两端处的较大斜率来复合成整个电池系统的SOC估计,这就是蔚来AB电池的双体系控制算法。

简单的例子来看,比如:

(1)在5%-95%的SOC情况下采用三元电池的OCV对整个系统的SOC进行估计;

(2)在0-5%或95%-100%的SOC时,采用铁锂和三元电池的OCV对整个系统进行SOC的估计。

实际的算法要比这复杂的多,而且还要考虑在后期的使用过程中,铁锂电芯和三元电芯不同衰减情况下,对SOC估计策略的调整,这部分可以参考蔚来的专利CN112599932A。我觉得双控体系控制算法的核心在于完成三元电芯SOC到整个系统SOC的映射关系。

AB电池技术的优点有很多,最重要的两点可以概况为:可以兼顾能量密度与安全、可以实现低成本(的铁锂)与好的用户体验。

从蔚来当前75kWh电池包三元-铁锂的配比来看,三元电芯只是很少的一部分,也就是说这个阶段,三元电芯的主要作用在于为铁锂电池系统提供一个更为精确的SOC估计。这个效果相当明显,蔚来给出的数据显示,SOC精度误差从10%降低至3%。

本质上,蔚来75kWh这个方案就是奔着低成本去的,所以它磷酸铁锂的配比一定是占绝对优势,这个配方的成本是可以大幅度下来的,这部分利润蔚来可以选择让利给消费者(降价)或留给自己(不降价)。

AB电池比能与安全的兼顾就要把三元电芯的比例提高上去,我觉得这是后面蔚来可以做的事情,当前没有实施,部分原因在于要收获一波铁锂低成本的红利,另外的原因可能在于双体系控制算法还需要不断去迭代和验证。
双体系控制算法是蔚来AB电池技术的最核心部分,其他东西都是硬件层面的,大家看了你的包就可以去仿照和改进的,只有算法和软件是难以拿走的。

2、低温保温和加热技术

这个主要是为了解决磷酸铁锂的另一个问题,低温性能差。特斯拉的应对策略是预加热,蔚来的应对策略是:保温+主要加热。

概况地讲:在结构上,尽可能降低电池系统所有零部件对外的导热性;在材料上,增加相应的隔热材料,进一步隔离外界与电池包的热交换(这就是蔚来所说的“全散热路径物理阻隔”,它主要运用低导热材料和创新的结构设计);在加热方面,选择具有热辐射式的方案,非接触式。

另外,就是三元电芯的布置、主动加热器的布置,通常来看,低温环境下,四周的电芯温度是相对低的,所以三元电芯会优先选择布置在四个角;而加热应该是布置在了3个侧边,如下图所示。具体的位置是经过仿真等最终来确定。

关于结构和材料这块,目前可以从专利上推测一二。蔚来可能在侧梁这个部件上进行些创新,选用了低导热材料,侧梁的横截面有加强筋设计,加强筋之间填充有吸能、隔热材料。

保温和加热这块其实亮点不是很多,业内大家也都是这些技术。

3、新一代CTP技术

蔚来的这个75kWh电池包采用的是宁德二代的CTP技术,即接近于电芯直接摆放在箱体内,从下图可以看出,整个箱体被分隔成6个区域,分别应用电芯的装配。

蔚来的上一代电池包100kWh的方案是宁德一代CTP的技术,可以看出它在新技术上的采用还是比较大胆的。蔚来所有的包必须能够兼容、换电,这个技术在不同的方案下一直能保持到现在,还是让人很佩服。

小结:

最后,我们来对比下特斯拉和蔚来对于采用磷酸铁锂的、如何解决铁锂固有问题的不同思路。

特斯拉的基本出发点在于快速降低成本,进一步推进车子的销量,所以它在原有的技术基础上没有引入过多的新技术(除了自已新开发BMS算法),而且基本是先下水再学游泳(即用户发现问题,然后快速OTA解决);对于用户来说,是低成本、但性能上短期会有不好的体验。

蔚来的基本出发点在于降低成本,提高自己的单车利润,但不降低用户的性能体验,所以它的开发成本要高,引入了很多新的技术来解决铁锂的问题,是准备充份了再下水游泳;对于用户来说,售价没有便宜但性能上也不会差很多。

蔚来的这套AB电池系统究竟实际成效有多大,是否真能如其所述;到底是直截了当地上铁锂,还是软、硬件倍加呵护地来应用,我们大约在冬季就能知道结果。


DATA BACKUP

蔚来75kWh主要专利:

1、CN112582722A(PACK集成、加热+保温);

2、CN112698223A(SOC算法);

3、CN112599932A(SOC算法);

4、CN112599891A(三元电芯布置+加热);


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