三元和磷酸铁锂的混合电池,蔚来是怎么做出来的?

汽车市场笼罩在缺芯的阴影之下,但新能源车市场增长的步伐却没有停下。2021年8月,新能源车市场新车上险数达到220,649辆,同比增长145.58%,占乘用车销量比例达到了历史最高的14.41%。

随着消费者对于电动汽车的接纳程度越来越高,对于电池的需求和技术要求也会逐渐增高。在目前电动汽车市场上,主流的电池种类分为三元锂电池和磷酸铁锂电池,两者在能量密度、低温性能、制造成本上都各有优劣。由于磷酸铁锂电池在制造成本上有优势,化学性质也更加稳定,在电池能量密度已经接近现有材料体系的上限时,越来越多的厂商开始重新使用磷酸铁锂电池包。

不过,磷酸铁锂电池的劣势也非常突出,低温性能,尤其是低温下SoC的估算不准问题,让磷酸铁锂电池在冬季的使用,并不那么友好。

于是,如何充分发挥磷酸铁锂电池在成本、稳定性上的优势,规避其低温性能的劣势,就成了今天众多新能源车企的一大课题。这其中,也包括蔚来。

蔚来早期也有使用磷酸铁锂电池的计划,曾经还尝试研发过68kWh的磷酸铁锂电池包。但用户使用体验方面的差距,让蔚来最终没有量产此电池包。但是,蔚来对于磷酸铁锂电池的探索并没有因此而停止,历时一年多的研发后,蔚来量产了全球首个三元锂+磷酸铁锂的混合电池。而这也成为磷酸铁锂电池“扬长避短”的又一全新思路。

三元和磷酸铁锂的混合电池,蔚来是怎么做出来的?

上文我们有提及,磷酸铁锂电池的优点是稀有金属的使用减少,因此制造成本比较低,而缺点就是低温性能差、SoC估算不准。而蔚来研发的三元铁锂电池,就是将三元锂电池和磷酸铁锂电池混合配制在一起,借三元锂电池之手,拥有了低温下更加精准的SoC估算能力。那么,两种电池的巧妙组合,是如何能规避降低磷酸铁锂电池的缺点对用户使用体验造成的影响呢?

低温续航损失降低25%

对于磷酸铁锂电池低温性能差的问题,究其源头是电池的工作温度太低,因此最直接的解决办法就是做好保温。

蔚来针对三元铁锂电池包,设计了完整的热管理软硬件体系,使该电池包相比磷酸铁锂电池包低温续航损失降低25%。主要方式包括如下四点:

其一,全散热路径物理阻隔。对于电池包整体所有散热路径进行了热量流通分析,根据大数据分析得出极冷环境下的热量损失来源,运用了低导热材料及创新的结构设计,在所有路径上的关键结合点进行热量阻隔设计,因此能够提升驻车时电池包的温度,避免了电池温度低带来的能量损失,有效提升被动保温性能。

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其二,耦合电池产热智能热管理。根据电池低温下内阻升高的特性,开发出了电池的产热模型,结合整车的热管理和电池产热动态调整热控制目标,以此来达到驾驶体验和能耗的完美平衡,提升低温性能。

三元和磷酸铁锂的混合电池,蔚来是怎么做出来的?

三元和磷酸铁锂的混合电池,蔚来是怎么做出来的?

其三,辐射式主动热补偿。如果车辆长时间处在低温环境下,电池包会主动开启辐射加热系统,均匀加热电芯,确保电池包快速到底最优的工作温度,同时兼顾能耗。根据测试,12小时极冷环境下,电池的最低温度能够提升40%,温度均匀性可以提升60%。

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其四,双体系控制算法。由于三元锂电池拥有更好的低温性能,因此蔚来独创了一套双体系算法,实现了对三元锂和磷酸铁锂电芯低温性能的精准控制,提高了电池系统低温能量效率,保证了整包的低温性能。

电量估算精度与三元锂电池一致

在广泛认知中,磷酸铁锂电池和三元锂电池在不同区间的SoC估算精度是不同的,那么有了三元锂电池的加入,就可以利用三元锂电池作为一把标尺,来实时校准磷酸铁锂电池在平台段的SoC,而在高低段就可以利用磷酸铁锂的优势,校准三元锂电池的SoC。为此蔚来自主研发了双体系SoC算法,充分利用三元铁锂双体系的优势。

三元和磷酸铁锂的混合电池,蔚来是怎么做出来的?

与此同时,三元锂电池和磷酸铁锂电池各自特性也有不同,比如自放电的不同。为此,蔚来在电池包内放入了自主开发的大功率DC-DC高低压转换系统,以此实现快速、实时、均衡的SoC校准,甚至还可以帮助电池降低静态功耗且延长电池寿命。

蔚来的这套自主研发的三元铁锂电池包电量估算体系,结合了软件算法与硬件应用的创新,将电量估算误差降低至3%以内,与三元锂电池水平相当。

除了解决电池低温性能和SoC估算问题,使用磷酸铁锂材料后,电池能量密度也是必须要面对的问题。与众多使用磷酸铁锂电池的车企思路一致,蔚来也在全新的三元铁锂电池包中应用了CTP技术,即电芯不经过模组直接整合成为电池包,以此提升电池包的体积能量密度。

三元和磷酸铁锂的混合电池,蔚来是怎么做出来的?

相比之前70kWh的三元电池包,蔚来的三元铁锂电池包,在应用CTP技术后,能量达到了75kWh,制造装配简化10% ,体积利用率提升5%,能量密度提升14%,可达142Wh/kg。

写在最后

蔚来的目标,是成为汽车行业内第一家用户型企业,用户体验一直都是蔚来最为看重的。所以新的三元铁锂电池包,不仅是蔚来需要攻克的技术壁垒,更重要的是它需要给用户带去与三元锂电池同样甚至更好的使用体验。蔚来给出的答案,是更长的续航、同样的价格、不必焦虑的冬季性能。

三元和磷酸铁锂的混合电池,蔚来是怎么做出来的?

有了这组全新的三元铁锂电池包,蔚来的电池包体系也将更新换代,全新的75kWh三元铁锂电池将会取代之前的70kWh三元锂电池,蔚来新购车用户可以选择三元铁锂标准续航电池包(75kWh)或三元锂长续航电池包(100kWh)。从10月份正式开始,所有交付的标准续航版本车型,搭载的都将是全新的三元铁锂电池包,而其售价、BaaS价格等与原三元锂70kWh电池包相同。

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