鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：4084次 | 2018年04月23日
特斯拉的電池續(xù)航能力到底有多牛！
特斯拉的粉絲一直堅(jiān)定地認(rèn)為，特斯拉的技術(shù)水平是遙遙領(lǐng)先的（不對(duì)，這個(gè)詞現(xiàn)在已經(jīng)不能隨便用了）。
傳統(tǒng)企業(yè)的工程師出來反駁，特斯拉并沒有你們以為的那么牛。
粉絲不服，那你們的續(xù)航怎么沒有超過特斯拉？
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。
工程師覺得粉絲啥也不懂，粉絲覺得工程師都是老頑固。兩個(gè)群體就這么互相標(biāo)簽化，離多維度地還原事情的本質(zhì)這件事越來越遠(yuǎn)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
兩邊的對(duì)立常常讓我困惑，為什么不能好好交流呢。
越來越多的人問我這個(gè)問題，特斯拉的電池續(xù)航能力到底有多強(qiáng)。三言兩語說不清，不如嘗試著寫一寫吧。當(dāng)然，我并不是專業(yè)工程師，有不對(duì)的地方歡迎指正。在試著探討這個(gè)問題之前，我們先界定一下這個(gè)問題的前提條件，梳理幾個(gè)基礎(chǔ)概念。
1、車輛續(xù)航除了跟電池有關(guān)以外，還跟不同工況下的運(yùn)行有關(guān)。由于后者的問題比較復(fù)雜，今天主要來談電池。
2、電池最重要的性能參數(shù)是能量密度，能量密度有體積能量密度（Wh/L），也有質(zhì)量能量密度（Wh/kg）。我們?cè)陔姵厣细嗾務(wù)摰氖琴|(zhì)量能量密度（Wh/kg），它決定了單位重量的電池所儲(chǔ)存能量的大小。
3、電池的能量密度常常指向兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)，一個(gè)是電池系統(tǒng)的能量密度，一個(gè)是電芯的能量密度。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
電芯（Cell）是一個(gè)電池系統(tǒng)的最小單元，也有人描述為單體電池。你理解為單節(jié)電池就行，比如說，一節(jié)五號(hào)電池。M個(gè)電芯組成一個(gè)模組（Module），N個(gè)模組組成一個(gè)電池包（Pack），這就是車用動(dòng)力電池的基本結(jié)構(gòu)。也有人直接把電池包叫做電池組。
▲NissanLeaf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(shí)就是一個(gè)很簡單的公式，電池包=N·模組=N·（M·電芯）。
4、由于電池包關(guān)系到電池最終的形狀和車輛布置，大部分廠家會(huì)選擇采購電芯，自己來做電池系統(tǒng)。電池系統(tǒng)的能量密度和電芯選型有關(guān)，比如圓柱電池因?yàn)閱蝹€(gè)電芯容量小，電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在單個(gè)電芯能量密度占優(yōu)勢(shì)的前提下，電池系統(tǒng)的能量密度相對(duì)會(huì)低一些。（結(jié)論參考來自麥肯錫的報(bào)告）
▲電動(dòng)車制造商的電池供應(yīng)鏈策略，原圖來自麥肯錫，42號(hào)車庫翻譯。
5、從結(jié)構(gòu)上劃分，電芯主要有三種類型，方殼電池（Prismatic），軟包電池（Pouch）和圓柱電池（Cylindrical）。
▲從左到右分別為圓柱電池、方殼電池和軟包電池。
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，這里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(duì)電芯的能量密度影響較大。
負(fù)極材料普遍以石墨為主，目前主流研究方向在探索硅碳負(fù)極的商業(yè)化。
電芯的結(jié)構(gòu)和原材料組成的不同，對(duì)電芯的能量密度均有影響。
以上這些內(nèi)容，我再把要點(diǎn)總結(jié)一下。
在我們討論電池對(duì)車輛續(xù)航里程的影響時(shí)，主要討論的是電池系統(tǒng)的能量密度和總體重量的結(jié)構(gòu)布置。而電池系統(tǒng)的能量密度主要由電芯正負(fù)極材料和結(jié)構(gòu)選型決定。
建立了框架上的基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)之后，我們現(xiàn)在可以針對(duì)具體的車型來談細(xì)節(jié)了。我們由大到小來看。
首先，是電池包的整體結(jié)構(gòu)。
在麥肯錫的報(bào)告中，提出一個(gè)很重要的結(jié)論，那就是不同車輛結(jié)構(gòu)上布置的電池系統(tǒng)樣式，對(duì)電池系統(tǒng)的能量密度大小有重要影響。
對(duì)于這一點(diǎn)，我們直接看圖感受。
先來看一看在第二次電動(dòng)車?yán)顺崩?，生產(chǎn)了第一款量產(chǎn)電動(dòng)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，SparkEV和最新款的雪佛蘭Bolt的電池系統(tǒng)。其中，Volt為插電混動(dòng)車型，SparkEV和Bolt是純電動(dòng)車型，SparkEV是自EV1停產(chǎn)之后通用推出的第一款量產(chǎn)電動(dòng)車型。
▲照片來自JefferySauger
來看一下SparkEV的電池布置和電池結(jié)構(gòu)。
▲雪佛蘭SparkEV
2014款SparkEV用的是磷酸鐵鋰電池，由A123提供，容量21.3kWh。
2015款SparkEV的電池改用LGChem，96組，每組2個(gè)電芯，每個(gè)電芯27Ah，3.75V，一共有192個(gè)電芯，電池容量為19.44kWh（192x27Ahx3.75V）。
整個(gè)電池系統(tǒng)體積135L，總重215kg，比老款減重39kg。根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算，2015款SparkEV電池系統(tǒng)體積和質(zhì)量的能量密度分別為144Wh/L和90Wh/kg。
電池更換后，兩款車EPA標(biāo)準(zhǔn)下的續(xù)航里程均為132km。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(xù)航里程保持不變。但是一百多公里的續(xù)航顯然沒太大意義。
要繼續(xù)提升車輛續(xù)航的話怎么辦呢。
要么繼續(xù)提升電芯的能量密度，要么就辦法多裝一點(diǎn)電芯。簡單說，要么繼續(xù)用這個(gè)平臺(tái)，要么就得改了。
舊平臺(tái)改造（AEP：AdaptedElectricPlatform）分為兩種類型，一種是基于舊平臺(tái)的舊設(shè)計(jì)，一種是基于舊平臺(tái)的新設(shè)計(jì)。SparkEV屬于前一種，用的是GammaII平臺(tái)，雪佛蘭Bolt就屬于后面一種，基于GammaG2SC平臺(tái)設(shè)計(jì)。
▲雪佛蘭Bolt
請(qǐng)看，肉眼可見的，電池結(jié)構(gòu)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(cuò)，雪佛蘭Bolt的電芯增加到了288個(gè)，依然是96組，但是每組增加到3個(gè)電芯。
電芯由LGChem提供，每個(gè)電芯55Ah，3.75V。電池容量近60kWh（實(shí)際是288x55Ahx3.75V=59.4kWh）。
電池體積285L，總重435kg，電池系統(tǒng)的能量密度為246Wh/L和137Wh/kg，EPA續(xù)航里程為383km。
可以看出，從SparkEV到Bolt，電芯數(shù)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(tǒng)的能量密度也增加了一半，而車輛續(xù)航里程則增加了兩倍。
重新設(shè)計(jì)后的車輛底盤，更有利于電池系統(tǒng)的布局。
除了具有歷史代表意義的通用電動(dòng)車（特斯拉也曾經(jīng)借鑒過EV1的設(shè)計(jì)）以外，另外一款全球知名的暢銷電動(dòng)車是NissanLeaf。
要說SparkEV的電池布置雖然局促，但形狀還算平整。到了NissanLeaf身上，本來形狀非常規(guī)則的軟包電芯堆疊到一起，被布置出一個(gè)不規(guī)則形狀，來適應(yīng)車輛上的座位結(jié)構(gòu)。
一個(gè)電池包里，有橫著放的，有豎著放的，簡直逼死強(qiáng)迫癥。完全沒有體現(xiàn)出日本人應(yīng)有的處女座特質(zhì)。
▲NissanLeaf
NissanLeaf說是自己的EV平臺(tái)，其實(shí)也是參照Tiida做的。這么多年過去了，動(dòng)力系統(tǒng)的布置一直在調(diào)整，但是電池的形狀和位置卻基本沒什么變化。
▲NissanLeaf新舊款對(duì)比
經(jīng)過剛才Bolt電池結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，看到這里你是不是可以猜一猜，Leaf的續(xù)航提升可能有限。
對(duì)的。
NissanLeaf一共用了三種電池，從24kWh到30kWh再到40kWh，電芯數(shù)量始終不變，一直是192個(gè)，EPA續(xù)航里程從135km提升到172km再到241km。
然而，Bolt已經(jīng)快400km了喂！
當(dāng)然，你要換一種標(biāo)準(zhǔn)看的話，數(shù)據(jù)看起來還是可以的。
▲NissanLeaf在JC08標(biāo)準(zhǔn)下的續(xù)航表現(xiàn)
結(jié)論說完了，來看一下具體數(shù)據(jù)。
24kWh的電池使用的是AESC的錳酸鋰LMO電芯，每個(gè)電芯33.1Ah，3.8V。電芯總重量為151.1kg，電芯的能量密度為317Wh/L和157Wh/kg。
30kWh的電池用的是鎳鈷錳（NCM）電池，重量比24kWh的增重21kg。電芯的能量密度為396Wh/L和174Wh/kg。
▲NissanLeaf的電池變化
到了2017款，NissanLeaf新增了40kWh的電池，EPA續(xù)航里程241km。對(duì)，此時(shí)已經(jīng)2017年了。
在通用宣稱自己每賣出一輛Bolt就虧損9000美金時(shí)，不知道說日產(chǎn)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(xiàn)在來看德國。
大眾的MQB平臺(tái)很多人都很熟悉了，e-Golf就是MQB平臺(tái)下的產(chǎn)物。e-Golf是大眾繼e-up！之后推出的第二款量產(chǎn)電動(dòng)車。
▲大眾e-Golf
有沒有一種熟悉的感覺，那種傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)平臺(tái)下誕生的不規(guī)則電池結(jié)構(gòu)的尷尬又來了。
e-Golf的電池在Volt的T型結(jié)構(gòu)（T型結(jié)構(gòu)最早來源于通用EV1車型）上還加了一對(duì)小翅膀，企圖做一點(diǎn)空間上的掙扎。
然而，數(shù)據(jù)顯示，2015款e-Golf的EPA續(xù)航里程是134km。
2015款e-Golf用的是松下三洋的方殼電池，電池容量24.2kWh，重330kg。一共27個(gè)模組，264個(gè)電芯（88s3p)，每個(gè)電芯25Ah。
▲大眾e-Golf電池
到了2017款，大眾更換了e-Golf的電池供應(yīng)商。最新款35.8kWh的電池來自三星SDI，選用的是37Ah電芯，EPA續(xù)航里程為201km。
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(yǎng)出三星SDI和寧德時(shí)代兩家重量級(jí)電池供應(yīng)商的寶馬。
終于說到寶馬i3。寶馬i系列是全新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品線，從i3的電池結(jié)構(gòu)可以看到，非常平整的一個(gè)長方體，電池外殼就像一個(gè)抽屜一樣，里面裝了96個(gè)電芯。
▲寶馬i3
i3老款電池容量22kWh，EPA續(xù)航里程僅130km，使用的是60Ah電芯。
i3新款的電芯尺寸不變，采用了來自三星SDI的94Ah和3.7V的鎳鈷錳（NCM）電芯，電芯能量密度為357.4Wh/L和173.9Wh/kg。電池總?cè)萘繛?3kWh，EPA續(xù)航里程提升到182km。
看來，光有結(jié)構(gòu)的平整也沒用，裝不下大電池，就是裝不下。
而奔馳，最早Smart和B-Class的電動(dòng)力系統(tǒng)都是由特斯拉供應(yīng)的，后來經(jīng)更換后，結(jié)構(gòu)上沒有大的改動(dòng)，篇幅有限就不展開了。
▲奔馳Smart
▲奔馳B-Class
▲雷諾Zoe
看完了這些傳統(tǒng)車企的電動(dòng)車產(chǎn)品之后，我們最后來看特斯拉的底盤，這個(gè)應(yīng)該是大家最熟悉的圖了。有一種滿滿一車電池的富有感。
▲特斯拉ModelS
特斯拉有從60kWh到100kWh的不同電池版本。中間升級(jí)過一次18650的電芯，從每節(jié)2.9Ah升級(jí)到3.1Ah，在保持結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，70kWh的版本直接升級(jí)到75kWh。
我們來看一下特斯拉在EPA標(biāo)準(zhǔn)下的續(xù)航數(shù)據(jù)。
▲特斯拉ModelS的續(xù)航里程，截圖來自Wikipedia
截圖里可以看到，以ModelS為例，特斯拉EPA標(biāo)準(zhǔn)的續(xù)航里程覆蓋300多到500多公里。而在最新公布的EPA數(shù)據(jù)里可以看到，Model3長續(xù)航版的續(xù)航里程也已達(dá)到了499公里。
從市售產(chǎn)品上來看，完全是碾壓級(jí)的勝利。
所以，大眾公布了要打造全新的電動(dòng)車MEB平臺(tái)，MEB平臺(tái)的技術(shù)將在大眾集團(tuán)內(nèi)共享。這個(gè)平臺(tái)長這樣。
▲大眾MEB平臺(tái)
奔馳全新的電動(dòng)車平臺(tái)EQ長這樣。
▲奔馳EQ平臺(tái)
裝不下大電池的老平臺(tái)注定只是過渡。
當(dāng)然，一個(gè)新平臺(tái)的打造往往需要上百億的投入，在電動(dòng)車還僅是小眾市場(chǎng)時(shí)，傳統(tǒng)車企在財(cái)務(wù)上的保守表現(xiàn)是非常正常的。這也帶來了特斯拉的機(jī)會(huì)點(diǎn)和領(lǐng)先市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)。
市售產(chǎn)品的性能對(duì)比，實(shí)際比較的是產(chǎn)品層面。
產(chǎn)品，其實(shí)是企業(yè)綜合策略的體現(xiàn)。要考慮市場(chǎng)規(guī)模，品牌定位，還要核算成本及價(jià)格。比如，一個(gè)低端品牌，在沒有品牌溢價(jià)的定價(jià)能力的前提下，不敢輕易打造像特斯拉這樣百萬級(jí)價(jià)位的豪華電動(dòng)車。
當(dāng)你定義了自己是未來市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者，還是跟隨者的時(shí)候，你也同時(shí)定義下了，你的產(chǎn)品是不是一定要應(yīng)用最新最好的技術(shù)。而這一點(diǎn)，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(chǎn)品的差別，現(xiàn)在我們談技術(shù)層面，也就是從電池系統(tǒng)要談到電芯了。
從上一個(gè)部分的電芯演變，或許你可以注意到，大家都開始采用鎳鈷錳（NCM）電池了。NCM是電池的正極材料，根據(jù)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(yīng)用更廣。比亞迪由于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(fēng)。在乘用車上，我們主要認(rèn)識(shí)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。
▲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，由于鈷價(jià)太高，提高鎳的比例的同時(shí)降低鈷的比例，能夠成功降低電芯成本，這也是高鎳電芯發(fā)展趨勢(shì)的重要原因。
而我們常見的NCM111/523/622/811指的都是這三種元素之間的比例。也就是說，NCM811是目前鎳比例最高的電芯。
▲寶馬的電池路線圖
我們從寶馬的電池路線圖里就可以看到，NCM會(huì)從111的比例逐漸調(diào)整到811。2018款寶馬i3會(huì)用到三星SDI的NCM622電芯，而直到2021年以后，寶馬才會(huì)在i5上應(yīng)用NCM811電芯。
而奔馳的EQ平臺(tái)在2018年的第三季度就會(huì)使用SKinnovation的NCM811電芯。
從LGChem的資料上來看，計(jì)劃使用他們最新款811電池的車型有以下這些：
日產(chǎn)LeafE-Plus(60kWh版本)
現(xiàn)代KonaEV
現(xiàn)代IONIQElectric(電池升級(jí)版)
起亞NiroEV
第二代RenaultZoe(2019)
大眾ID（2019）
歐寶CorsaEV(2019)
標(biāo)致208EV(2019)
也就是，應(yīng)用NCM811電芯的車型最早會(huì)在2018年看到。
雖然這些廠家沒有提供目前NCM811電芯的能量密度數(shù)據(jù)，但是我們可以看一份SolidPower提供的數(shù)據(jù)。
▲來源：SolidPower
采用NCM811正極和石墨負(fù)極的電芯，可以達(dá)到255Wh/kg，536Wh/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(dá)到240Wh/kg。
▲來源：CATL美國官網(wǎng)
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(dá)到200Wh/kg。
▲來源：比亞迪的公開演講
特斯拉目前18650電芯的能量密度大概在250Wh/kg的水平，而在Model3的2170電芯上，特斯拉將采用硅碳負(fù)極，將電芯能量密度提升到300Wh/kg。
也就是說，單純比較電芯能量密度的話，其他廠家可以達(dá)到特斯拉18650電芯的能量密度水平，但是在已經(jīng)開始對(duì)外交付的Model3上，特斯拉又領(lǐng)先了。
除了在正極材料上提高鎳的比例以外，在負(fù)極材料中使用硅碳也是業(yè)內(nèi)認(rèn)可的一個(gè)方向。因?yàn)槭睦碚撃芰棵芏仁?72mAh/g，而硅負(fù)極的理論能量密度高達(dá)4200mAh/g。
只是硅負(fù)極材料存在膨脹的問題，可能會(huì)導(dǎo)致電池容量喪失，影響電池的循環(huán)壽命。目前在量產(chǎn)電芯上，只有特斯拉宣布成功應(yīng)用了硅碳負(fù)極材料。
▲電池路線演變，來源：SolidEnergy
在《促進(jìn)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》中，工信部提出，新型鋰離子動(dòng)力東池的電芯能量密度要超過300Wh/kg，電池系統(tǒng)能量密度達(dá)到260Wh/kg，而到2025年，電池系統(tǒng)能量密度要達(dá)到350Wh/kg。
目前，NCM811已經(jīng)把鎳的比例提高到很難再大幅提升的水平了，使用硅碳負(fù)極或者研究不同的正極材料將會(huì)是一個(gè)提升點(diǎn)。而到300Wh/kg以上，固態(tài)電池的技術(shù)突破將會(huì)成為關(guān)鍵。
在產(chǎn)品層面上，車企早就可以應(yīng)用更新更好的技術(shù)，但由于早期電動(dòng)車市場(chǎng)太小，車企沒有大規(guī)模資金投入到電動(dòng)車新平臺(tái)的開發(fā)上，內(nèi)燃機(jī)車型平臺(tái)的先天因素導(dǎo)致無法裝載大電池。
▲大眾的續(xù)航時(shí)間表
▲日產(chǎn)的續(xù)航時(shí)間表
▲雷諾的續(xù)航時(shí)間表
另一方面，有調(diào)研公司的市場(chǎng)調(diào)查顯示，三四百公里的續(xù)航已經(jīng)足以滿足當(dāng)前用戶的需求。老奸巨猾，不，經(jīng)驗(yàn)豐富的老牌車企并不想冒冒失失地推出成本高昂的車型。
在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車型的市場(chǎng)上，他們?cè)缇土?xí)慣如此。在新創(chuàng)公司搶著用華麗數(shù)據(jù)吸引眼球的時(shí)候，他們不急，一邊慢慢推進(jìn)自己的新平臺(tái)計(jì)劃，一邊想辦法在輿論上攻擊競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
所以，特斯拉的電池續(xù)航能力到底強(qiáng)在哪兒呢。
第一，在電芯技術(shù)層面，大家選擇了不同的技術(shù)路線，在250Wh/kg水平的能量密度上不分上下。但是特斯拉在硅碳負(fù)極材料上成功突破到300Wh/kg，又早一步領(lǐng)先業(yè)內(nèi)水平。
第二，由于沒有歷史包袱，特斯拉得以拋去內(nèi)燃機(jī)底盤的包袱，開發(fā)全新的電動(dòng)車平臺(tái)，在電池系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)上獲得了很高的自由度，可以很早就推出100kWh的電池容量，領(lǐng)先行業(yè)幾年。
第三，在馬斯克一流的營銷能力下，特斯拉成功打造了高品牌定位，從而可以在高價(jià)位的市場(chǎng)區(qū)間快速應(yīng)用最新最好的技術(shù)。
