電池研究院：剖析蔚來(lái)ES8三電技術(shù)

在“電池研究院”欄目的第一集《比亞迪第三代DM技術(shù)如何節(jié)油？》當(dāng)中，我們分析了“P0+P3+P4”高階構(gòu)架下的插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)如何工作。然而，混動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于絕大多數(shù)車(chē)企而言還是過(guò)于復(fù)雜了，不僅開(kāi)發(fā)成本高昂，而且還撈不到幾個(gè)子兒補(bǔ)貼。

“簡(jiǎn)單暴力上純電”是目前絕大多數(shù)造車(chē)新勢(shì)力的選擇，蔚來(lái)便是其一。造純電是為了補(bǔ)貼？豪華車(chē)銷(xiāo)量太低，因而無(wú)法拿到這么多份固定額度的補(bǔ)貼，補(bǔ)貼比車(chē)價(jià)貴的那些低速電動(dòng)車(chē)改良版才是騙補(bǔ)神器。

閑話不多說(shuō)，直入技術(shù)主題吧。

A、電池越多越好？

很多朋友都會(huì)問(wèn)：為何不可以堆多一點(diǎn)電池，讓純電動(dòng)車(chē)的續(xù)航再高300km？

筆者先反問(wèn)一句：執(zhí)飛“廣州- 北京”的空客A380可以裝載250噸航空煤油，為什么每次只裝載50噸呢？

答案很簡(jiǎn)單：我們不應(yīng)該耗費(fèi)多余的能量，用于運(yùn)輸能量介質(zhì)本身。

舉個(gè)例子，特斯拉Model S 75電池能量的24%被用于運(yùn)輸電池本身。如果給Model S裝載4倍容量的電池，續(xù)航不可能是4倍，因?yàn)檫@時(shí)候大約60%電能用于運(yùn)輸電池了。

當(dāng)然，業(yè)界也有一些辦法來(lái)解決“電池能量密度過(guò)低”的世界難題：液流電池技術(shù)（很有可能是死胡同）、增程式發(fā)電技術(shù)（依然有較多污染）、石墨烯電池（商用化遙遙無(wú)期）、直流快充技術(shù)（只要成本降下來(lái)，這是突破口）。

B、電池能量密度越高越好？

電池技術(shù)瓶頸真的無(wú)法突破嗎？是的，目前全球電池研發(fā)與生產(chǎn)均沒(méi)有質(zhì)變式的突破，因?yàn)橐粔K簡(jiǎn)單的電芯（基礎(chǔ)元件）需要受到多達(dá)6個(gè)維度的因素制約：循環(huán)壽命、功率密度、能量密度、工作溫度區(qū)間、安全、成本。

6個(gè)維度的表現(xiàn)，就像是游戲里的“技能樹(shù)”，我們手中只有有限的技能點(diǎn)，不能讓所有維度的表現(xiàn)都全優(yōu)，除非你愿意用200萬(wàn)成本打造一臺(tái)15萬(wàn)家用車(chē)的電池組，以做慈善的方式促進(jìn)我國(guó)新能源事業(yè)發(fā)展。

C、蔚來(lái)的電池有何特點(diǎn)？

6個(gè)維度互相制約，自始至終都無(wú)法做到完美平衡，多方博弈之下，蔚來(lái)ES8的電池包選擇了安全與循環(huán)壽命作為首要提升目標(biāo)。

蔚來(lái)提出了“三縱三橫”的安全構(gòu)架：

我們來(lái)理解一下上述表格：

1、“電芯 - 模組 - 電池包”是從微觀到宏觀的排序，電芯得精巧，用電芯組合成的模組才安全，用模組組合成的電池包也才安全；

2、“電池包 - 模組 - 電芯”是從宏觀到微觀的排序，電池包外殼受損，模組外殼還能繼續(xù)保護(hù)；模組外殼也受損了，電芯本體還有自我保護(hù)能力；

3、“預(yù)防 - 控制 - 損控”是以時(shí)間順序排列的，先預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)；但是風(fēng)險(xiǎn)還是有的，所以需要用各種溫控、電控、密封來(lái)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)損害無(wú)法避免時(shí)，還有損控流程還降低損失。

D、硬殼電芯有何優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)？

既然蔚來(lái)選擇了安全優(yōu)先，硬殼電芯成為首選。剛剛我們提到，任何電芯電池都不可能是盡善盡美的，因此有了下表內(nèi)容：

我們來(lái)解讀一下上述表格：

1、硬殼電芯（方形電芯）的最大優(yōu)勢(shì)是安全，畢竟鋁合金/不銹鋼殼子硬；但是硬殼電池的整包能量密度普遍不高，太多重量被用來(lái)保護(hù)電芯本身。這是蔚來(lái)、大眾、豐田、寶馬、奧迪的選擇。

2、軟包電芯的本體重量較輕，單體電芯一致性非常好，問(wèn)題是加上冷卻系統(tǒng)之后，輕量化優(yōu)勢(shì)又沒(méi)剩太多了。愛(ài)馳、前途、通用等等車(chē)企都選擇了軟包，你的手機(jī)也是。

3、圓柱電芯運(yùn)用最廣泛，而且散熱好，單位重量的容量較高。圓柱電芯的供應(yīng)商特別多，中日美韓都有成熟的圓柱電芯生產(chǎn)企業(yè)，包括特斯拉在內(nèi)的最大多數(shù)車(chē)企都選擇了圓柱電芯，包括你的筆記本電腦。

E、說(shuō)了那么久，把數(shù)據(jù)請(qǐng)出來(lái)吧

先看一個(gè)總表：

我們繼續(xù)來(lái)解讀：

1、毫無(wú)疑問(wèn)，蔚來(lái)用了三元鋰離子“內(nèi)餡”。目前，三元鋰電池比出貨量更高的磷酸鐵鋰電池更具實(shí)用意義，研發(fā)潛力也更強(qiáng)一些，但耐用性并不如磷酸鐵鋰那么強(qiáng)（比亞迪e6鐵電池出租車(chē)可以運(yùn)營(yíng)50萬(wàn)公里）。

2、電池包重量525kg，蔚來(lái)ES8的整備質(zhì)量約為2200kg，占比不到1/4。實(shí)際上，我們可以看到ES8底盤(pán)內(nèi)部還有空間可以安放更多電池（下圖），但為何蔚來(lái)沒(méi)有這樣做呢？蔚來(lái)給的答復(fù)是：為了服務(wù)換電模式，蔚來(lái)電池包的外尺寸必須兼容品牌最小車(chē)型。也即是說(shuō)，電池包全品牌統(tǒng)一，車(chē)子越小，續(xù)航越長(zhǎng)。

4、服務(wù)換電模式可以，但為何不能在ES8的底盤(pán)空隙里面安放固定位置的電池包以增強(qiáng)續(xù)航？比如“70kWh可換電池包 + 20kWh固定電池包”。蔚來(lái)的答復(fù)是：電控難度加大，電池一致性非常難解決。（作者畫(huà)外音：記得大眾汽車(chē)的“高性能+高容量混搭電池包”嗎？搞砸了……）

5、蔚來(lái)硬殼電池包的整包能量密度為135Wh/kg，是目前量產(chǎn)的硬殼電池包里頭最高的，但比不上更具密度優(yōu)勢(shì)的軟包電池包與圓柱電池包（雖然已經(jīng)很接近主流水平）。不打緊，蔚來(lái)的下一款電池包是奔著160Wh/kg來(lái)的，非常值得期待。

F、蔚來(lái)電池包安全測(cè)試

蔚來(lái)電池包經(jīng)歷了將近1000天的安全測(cè)試，81個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，涵蓋用車(chē)過(guò)程中的各種可控、不可控風(fēng)險(xiǎn)，比如：

1、過(guò)冷/過(guò)熱的環(huán)境溫度，對(duì)電池包的影響遠(yuǎn)大于對(duì)內(nèi)燃機(jī)的影響。蔚來(lái)電池包需要在-40℃和+85℃之間的125℃溫差之間“生存”下來(lái)，頗為勵(lì)志。

2、內(nèi)燃機(jī)冷啟動(dòng)困難，純電動(dòng)車(chē)?yán)鋯?dòng)更是煎熬。蔚來(lái)的水冷系統(tǒng)可以自動(dòng)預(yù)熱，消耗一定電能，讓電池包迅速進(jìn)入工作狀態(tài)。

3、一般來(lái)說(shuō)，純電動(dòng)車(chē)自燃的逃生只有60-120秒。蔚來(lái)電池包在火燒130秒之后依然能使用（不是真的讓你繼續(xù)開(kāi)，而是告訴你這電池包還沒(méi)失控爆炸），因此在真正遭遇火情時(shí)，車(chē)主的逃生時(shí)間會(huì)大幅度增長(zhǎng)。

4、強(qiáng)大的防水性能，是一眾南方車(chē)主的福音。這里指的是涉水過(guò)隧道的能力比汽油車(chē)還強(qiáng)，而不是把車(chē)子泡在洪水中沒(méi)事。（即使電池包沒(méi)事，內(nèi)飾早就便淹了。）

5、最后是跌落測(cè)試，半噸中的電池包自由落體，杠杠的，硬殼電池的優(yōu)勢(shì)。

蔚來(lái)BMS電池管理系統(tǒng)擁有多項(xiàng)技術(shù)亮點(diǎn)，我們來(lái)一一細(xì)數(shù)：

A、液冷恒溫技術(shù)

之前有讀者問(wèn)過(guò)我們，“淺充淺放”是否能讓電池壽命更長(zhǎng)。是的，但并不如控制溫度那么有效。打個(gè)比方吧，如今手機(jī)快充技術(shù)已經(jīng)全面鋪開(kāi)，其實(shí)快充傷電池的速度，遠(yuǎn)不及高溫傷電池的速度（即使充電速度慢）。

因?yàn)樗谋葻崛莞?，整套溫控系統(tǒng)的換熱系數(shù)高，冷卻與加熱速度快，想要快速且精準(zhǔn)地控制電池溫度，液冷恒溫技術(shù)（俗稱(chēng)“水冷系統(tǒng)”）必不可少。蔚來(lái)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的每個(gè)電池模組內(nèi)置有3個(gè)電芯溫度傳感器，可實(shí)現(xiàn)溫度精確檢測(cè)和控制。

蔚來(lái)將鋁制液冷板鋪于電池模組下，在模組與液冷板之間加入一層導(dǎo)熱墊，并在液冷板與殼體底部之間再鋪設(shè)有隔熱和絕緣材料，確保電池整系統(tǒng)的恒溫和安全。工作時(shí)，電芯的溫度傳遞到模組與冷板接觸的底部，再通過(guò)導(dǎo)熱墊傳給液冷板，液冷板外壁再把熱量傳導(dǎo)到冷卻液，達(dá)到降為溫目的。加熱過(guò)程反之亦然。

然而，液冷恒溫技術(shù)并非黑科技，蔚來(lái)的技術(shù)重點(diǎn)是 —— 這套技術(shù)支持換電模式。也即是說(shuō)，當(dāng)蔚來(lái)車(chē)子進(jìn)入換電站之后，液冷系統(tǒng)的雙向截止閥會(huì)自動(dòng)關(guān)閉/打開(kāi)，讓液冷系統(tǒng)與電池包液冷回路斷開(kāi)/重連（耐久性為10000+次），實(shí)現(xiàn)液冷電池包快速更換。

B、精準(zhǔn)的SOC測(cè)量與估算

首先必須說(shuō)明一個(gè)知識(shí)點(diǎn)：電池包是非常復(fù)雜的一個(gè)電化學(xué)論題，剩余電量的曲線不是筆直的（剩余燃油的剩余能量是基本筆直的），需要視乎電芯的健康程度、外界溫度變化、充放電倍率來(lái)預(yù)估。

在純電動(dòng)車(chē)的實(shí)際使用過(guò)程中，時(shí)速會(huì)變，溫度會(huì)變，用戶(hù)的駕駛需求也會(huì)變，BMS預(yù)估的SOC永遠(yuǎn)都存在偏差。BMS想要盡可能地糾正測(cè)量誤差，就必須通過(guò)先進(jìn)的軟硬件性能提升精度，減少損耗性。

蔚來(lái)給出的解決方案有三個(gè)重點(diǎn)：

1、提升傳感器測(cè)量精度：整包電流傳感器采用德國(guó)進(jìn)口的伊莎貝拉傳感器，電流采樣精度高。

2、提升芯片的處理能力：新一代英飛凌主芯片，具備32位數(shù)據(jù)處理的能力。

3、強(qiáng)大的算法處理能力：蔚來(lái)獨(dú)立研發(fā)。

C、均衡策略

蔚來(lái)BMS不是一個(gè)單獨(dú)的控制器，它相當(dāng)于BMU（Battery Management Unit電池管理單元）+ N 個(gè)CSC（Cell Supervisory Controller電芯監(jiān)控控制器），即BMS= BMU + n × CSC。

內(nèi)置那么多CSC電芯監(jiān)控控制器，是因?yàn)殡娦镜囊恢滦允怯邢薜模ㄓ行╇姵匕仨氂猛慌蔚碾娦静拍芙M建），電芯與鄰居之間的性格有微量差異，這時(shí)候就必須執(zhí)行均衡策略。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是BMS通過(guò)均衡電阻對(duì)電芯進(jìn)行主動(dòng)控制，讓高電量與低電量電芯均衡一致。如此一來(lái)，即使每個(gè)電芯在經(jīng)過(guò)同一輪充放電循環(huán)后擁有了各自不同的特性，BMS還是能讓它們趨向于一致，此舉將減緩SOH衰減，延長(zhǎng)電池壽命。

D、實(shí)時(shí)監(jiān)控 & 大數(shù)據(jù)

為了達(dá)到蔚來(lái)宣稱(chēng)的“1500次充放電循環(huán)衰減不低于80%”的電池壽命，一套實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是BMS的必備，而這些傳感器在上文已經(jīng)表述過(guò)了，那就不再贅述。

我們需要知道的是蔚來(lái)對(duì)電池包的監(jiān)控與維護(hù)邏輯：

1、當(dāng)BMS監(jiān)測(cè)到電池健康狀態(tài)異常，就會(huì)報(bào)告給車(chē)輛，車(chē)載系統(tǒng)立即上傳數(shù)據(jù)給蔚來(lái)。

2、更換掉這塊疑似故障的電池并不困難，你可以APP/電話通知NIO Power，剩下的事情交給他們。

3、你也可以在換電站直接把現(xiàn)役電池包換走，裝載健康的電池包繼續(xù)行程。這就是換電站的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

4、云端大數(shù)據(jù)可以執(zhí)行很多事情，比如指導(dǎo)車(chē)主前往最近的換電站獲得健康的電池包、指導(dǎo)車(chē)主獲取迭代后的更高容量的電池包、為蔚來(lái)NIO Service / NIO Service提供數(shù)據(jù)支撐等等。

其實(shí)，筆者一直認(rèn)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的技術(shù)并非新能源汽車(chē)科技的核心（內(nèi)燃機(jī)則是傳統(tǒng)汽車(chē)工業(yè)的核心），真正決定一臺(tái)純電動(dòng)車(chē)性能的是電池包。這樣說(shuō)吧，如果我們有一個(gè)同樣體積/重量、可以容下700kWh電量的蔚來(lái)電池包，請(qǐng)把EP9的驅(qū)動(dòng)電機(jī)給我們的ES8、ES6、ET7裝上，公路與賽道上再無(wú)吾之對(duì)手。

不過(guò)，目前電池技術(shù)瓶頸依然未得到突破，我們想要一臺(tái)“力氣大、吃得少”的純電動(dòng)車(chē)，就必須在性能與節(jié)能之間尋找均衡。

且看下圖，蔚來(lái)ES8的驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，“逆變器 - 電機(jī) - 減速器”即是完整結(jié)構(gòu)，這就是0-100kW加速4.4秒的根源。

A、“雙三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”的逆變器

“逆變器”很好理解。我們用電網(wǎng)的交流電給車(chē)子充電之后，存儲(chǔ)在蔚來(lái)70kWh電池包內(nèi)的電是直流的，這時(shí)候我們就要一個(gè)DC to AC的變壓器將其轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子最?lèi)?ài)的交流電。

雖然多數(shù)媒體很少關(guān)注逆變器，但其實(shí)逆變器需要執(zhí)行的任務(wù)非常繁重，它是整套動(dòng)力系統(tǒng)的第一個(gè)關(guān)鍵部件。

逆變器的核心部件是IGBT功率模塊，相當(dāng)于逆變器的CPU指令中心。英飛凌(Infineon)為蔚來(lái)ES8提供了HPDrive IGBT功率模塊，它被聯(lián)入蔚來(lái)專(zhuān)利的雙三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，具有更高功率密度和更高集成化的特點(diǎn)。

值得一提的是，IGBT是可以“超頻”的。如果電池技術(shù)得到突破，在續(xù)航能力加強(qiáng)的前提下，英飛凌將強(qiáng)化這款I(lǐng)GBT功率模塊，將ES8的單臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率從240kW釋放到300kW。

那么，“雙三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”又是什么呢？對(duì)于純電動(dòng)車(chē)而言，三相全橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全夠用，但對(duì)于ES8這類(lèi)有著較大功率需求的純電動(dòng)汽車(chē)而言，單個(gè)三相拓?fù)浼軜?gòu)容易造成功率器件運(yùn)行不穩(wěn)定。

沒(méi)有一頓火鍋談不攏的事情，有的話，來(lái)兩頓。逆變器也是同樣道理，當(dāng)使用雙三相拓?fù)湓O(shè)計(jì)之后，兩塊逆變功率模塊并聯(lián)，峰值輸出翻倍，安全性和可靠性都得到了提升，還可對(duì)輸出扭矩精準(zhǔn)控制。

B、異步感應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)

說(shuō)起電機(jī)，這話題太復(fù)雜了，我們先來(lái)用分類(lèi)法簡(jiǎn)化一下。首先，旋轉(zhuǎn)電機(jī)分為控制電機(jī)、功率電機(jī)、信號(hào)電機(jī)三大類(lèi)，我們今天要說(shuō)的“驅(qū)動(dòng)電機(jī)”便是功率電機(jī)的一種，它是用來(lái)輸出功率的。

接下來(lái)，我們看看各種功率電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)：

我們來(lái)解讀一下表格：、

1、直流電機(jī)效率低、重量大、體積大、可靠性差，除了便宜之外就沒(méi)什么優(yōu)點(diǎn)了，老年代步車(chē)至愛(ài)。

2、交流異步電機(jī)，各方面性能都非常優(yōu)異，功率高、效率高、控制精準(zhǔn)、可靠性強(qiáng)、動(dòng)能回收實(shí)現(xiàn)難度低，但造價(jià)較高，反應(yīng)沒(méi)交流同步電機(jī)快，這是蔚來(lái)和特斯拉的選擇。

3、交流同步電機(jī)，各方面性能同樣優(yōu)異，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，精度更高，尺寸更小，但造價(jià)更高。（異步和同步的區(qū)別，在于轉(zhuǎn)子速度與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是否一致。）

接下來(lái)，我們來(lái)了解一下ES8的高性能電機(jī)。ES8搭載了兩臺(tái)異步感應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用銅轉(zhuǎn)子技術(shù)，屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。銅轉(zhuǎn)子的導(dǎo)熱性相比鋁轉(zhuǎn)子高出了40%，有效提升了轉(zhuǎn)子效率并減少損耗；同時(shí)，電機(jī)采用了激光焊接，焊接熔深一致性好，強(qiáng)度高于同行業(yè)的釬焊方式。

蔚來(lái)的異步感應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在0-5500rpm范圍內(nèi)均可輸出420Nm最大扭矩，在5000-6000rpm時(shí)的功率和扭矩輸出幾乎都能夠達(dá)到峰值，這意味著在對(duì)應(yīng)的60km/h-80km/h時(shí)速下，只要駕駛者需要，ES8就能夠帶來(lái)遠(yuǎn)超內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的加速表現(xiàn)。

蔚來(lái)電池包經(jīng)過(guò)了條件苛刻的耐久性試驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)同樣如此：

1、以額定最高轉(zhuǎn)速15000rpm的1.2倍（即18000rpm）進(jìn)行超速測(cè)試，保證轉(zhuǎn)子不會(huì)被破壞；

2、50g加速度的沖擊試驗(yàn)；

3、在炎熱、濕熱、浸水等條件下，查看密封性能；

4、高低溫循環(huán)使用狀況。

C、大輸入功率減速箱

這個(gè)不是真的“降低速度”，而是進(jìn)行轉(zhuǎn)速匹配（電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速0-15000rpm，車(chē)輪不可能達(dá)到）。由于交流異步電機(jī)的本身調(diào)速范圍很廣，因此多數(shù)車(chē)型的減速箱只需要一個(gè)擋位，稱(chēng)為“單前速變速箱”亦可。

減速箱可以將轉(zhuǎn)速降低以提升扭矩輸出，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與減速箱輸入軸上齒數(shù)少的齒輪相嚙合，然后再與輸出軸上齒數(shù)多的齒輪結(jié)合來(lái)達(dá)到減速的目的，而大小齒輪之間的齒數(shù)之比便是減速箱傳動(dòng)比。

由于蔚來(lái)ES8的兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率非常大，大輸入功率減速箱成為必須，而其減速比為9.6:1。在制造工藝方面，這臺(tái)大輸入功率減速箱還做到了齒輪高精度貼合，從而確保了NVH特性。

三電技術(shù)說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單：電池、電控、電機(jī)；三電技術(shù)說(shuō)起來(lái)也可以很復(fù)雜，目前筆者用6000字仍未深度解剖完這一套純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

我們總是說(shuō)“歷史是螺旋式發(fā)展的”，這就是一個(gè)典型例子。純電動(dòng)車(chē)比汽柴油車(chē)早了半個(gè)世紀(jì)到達(dá)這顆蔚藍(lán)星球（18世紀(jì)時(shí)還算是“蔚藍(lán)”），然而近一個(gè)世紀(jì)統(tǒng)治地球的卻是以數(shù)十億計(jì)算的汽柴油車(chē)。

如今，能源與環(huán)保的需求，同時(shí)推動(dòng)著純電動(dòng)車(chē)的井噴式發(fā)展。純電動(dòng)車(chē)不是未來(lái)的必然，說(shuō)不定哪天就被氫燃料電池車(chē)打趴下了；純電動(dòng)車(chē)卻是歷史的必然，更節(jié)能、更高效、更安全的三電技術(shù)是期間必不可缺的驅(qū)動(dòng)力量。

（文：黃恒樂(lè)）