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为什么特斯拉跑16万公里,电池才衰减2.5%?

技术 发布于:2019-11-07 22:59:38

对电动车而言,电池衰减一直是个棘手的问题。

无论是咱们的车友群还是后台留言,处处都能看到大家对这个问题的担忧。

来自央视财经的一份调查也显示,电池衰减是仅次于充电桩、续航的第三大问题,它不仅会影响到日常用车,还会决定二手出手的保值率。

特斯拉电池衰减(传不了图)

电池到底耐不耐用?续航是不是一天不如一天?凡是涉及到电池衰减的负面新闻,网上随便一抓就是一把。或许就是因为这样的对比反差,最近一条来自特斯拉的新闻显得如此振奋人心。

首辆10万英里Model 3诞生!电池衰减仅2.5%

今年10月,全球第一辆行驶里程突破10万英里的特斯拉Model 3诞生(10万英里=16.09万公里,为阅读习惯下文均采用公里制)。

首辆10万英里Model 3诞生!电池衰减仅2.5%

这辆Model 3的车主Arthur Driessen来自美国洛杉矶,在2016年Model 3开放预定的第一天(3月31日)就订了一辆长续航版车型;2018年交付到手后,Driessen就开启了他的Model 3公路旅行计划。仅仅在最初的半年内,行驶里程就超过了3.22万公里,随后这一数字不断增加,直到近日突破16.09万公里。

首辆10万英里Model 3诞生!电池衰减仅2.5%
图片出自Arthur Driessen的Instagram

比这个里程数据更神奇的是,这辆Model 3的电池衰减——仅为2.5%!

Driessen在接受Electrek采访时表示,这辆Model 3没有更换过电池,现在的实际续航约为486-496公里,比当时新车499公里的额定续航里程减少仅约2.5%。并且!这还是在他一直在使用特斯拉超充桩的情况下!(Driessen家中没有充电桩,而且公路旅行基本只能依赖超充网络)。

当然,这也不是一般人能做到的。Driessen的电池之所以能保持这么好的健康状态,主要是他一直坚持『浅充浅放』的习惯,在这16.09万公里的用车过程中,他仅有两次将Model 3的电量跑至10%以下,并且使用超充时也从来不会充电超过60%。

首辆10万英里Model 3诞生!电池衰减仅2.5%

如果说这个案例比较极端,不具普适性,那我们还可以看看更多来自普通车主的案例。

Teslanomics,一个来自美国的特斯拉车主社区,它曾对2636辆特斯拉(包括Model S/X/3)的电池健康状况进行了调查采样。调查结果发现,大部分特斯拉汽车在行驶16.09万公里(即10万英里)后,电池组仍然保持90%以上的有效容量。

特斯拉电池衰减(传不了图)

另一个来自荷兰-比利时的特斯拉车主论坛,也有一份1462辆特斯拉(多车型)的续航样本调查。在前8.05万公里(5万英里)时,绝大部分车辆都保持在95%的电池健康水平,到16.06万公里(10万英里)时,大部分车辆的实际续航也都保持在92%以上。

特斯拉电池衰减(传不了图)

这些来自特斯拉车主的真实样本,纷纷指向了一个事实:特斯拉车型的电池寿命确实非常强悍,8万公里依旧有95%之上,16万公里可以保证90%甚至更高(用个例来反驳的朋友就不要来杠啦,咱们讨论的是平均水平)。

那么问题就来了。

为什么特斯拉的电池这么坚挺?

其实,这是一道很简单的数学题:

标称续航450km的主流国产车型,实际续航大概是350km,假设每年跑3万公里(中高强度用车),那每年就是86次循环;标称续航660km的Model S,实际续航可能达550km,同样每年跑3万公里,每年循环次数只有56次。5年下来,就相差150次循环,循环次数更少、寿命衰减就更慢。就是这么简单。

特斯拉电池衰减(传不了图)

记住一个公式:电池生命周期续航 = 电池循环次数 x 单次续航

在电池循环次数相同的情况下,单次续航越高,整个电池在生命周期的行驶里程也越长;也可以说,跑同样的里程,车辆单次续航越高、所需的循环次数越低,电池衰减的速度也就越慢。

何况,特斯拉的电池循环寿命本就不短

先科普一个基础知识:电池的命与使用时间、使用次数关系不大,主要取决于『完全充放循环次数』。它是指电池完成一次100%用电充电的使用循环,譬如『用完再充,一次性从0%充至100%』和『充50%用50%,两次从30%充到80%』这都是一次完整的充电循环。

所以延长电池的寿命,关键在于提高电池的循环次数。

在2017年3月22日召开的国际电池研讨会暨展览会上,来自Dalhousie大学的Jeff Dahn教授展示了其与特斯拉合作的动力电池新技术——通过抑制电池在高电压下的副反应产气,保证单体电池在循环1200次后还能保持95%以上的健康性能。

下面是实验过程,内容较硬核,没耐心的朋友可以快速跳到下一个分割线

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第一阶段,Jeff Dahn通过实验室中的多组对比实验,先确认了电池内部阻抗的增加会导致电池容量的衰减。

特斯拉电池衰减(传不了图)

特斯拉电池衰减(传不了图)

接着,为了弄明白阻抗增加的原因,Dahn把目光赶在了正极/负极电极的产气问题。他首先将充满电的软包电池Pouch Cell拆开,取出正极极片NMC442和负极极片Graphite,然后再将正/负极极片分别封装在铝塑膜袋Pouch Bag中,并加入相应电解液和添加剂,封装好之后在60℃下存储500小时,同时监测产生的气体。

特斯拉电池衰减(传不了图)

对比Pouch Cell和Pouch Bag的反应状态可发现,Pouch Cell产生的气体不到0.3mL,并且在500小时内气体没有增加;而Pouch Bag + NMC442产生的气体从大约0.3mL上升到0.8mL;Pouch Bag + Graphite产生的气体大约是0.05mL,且整个过程没有增加。也就是说,Pounch Cell中正极NMC产生气体应该迁移到负极Graphite被消耗掉了。

与此同时,Dahn采用对称阻塞电极分别测试60℃下的阻抗变化。发现Pouch Bag中的正极阻抗远远大于Pouch Cell内的阻抗。

结合这两项实验结果可以推断出,因为在Pouch Bag中反应产生的气体无法被负极Graphite消耗,所以造成了正极界面阻抗增大。

特斯拉电池衰减(传不了图)

验证过程中,Dahn可喜地发现,实验将溶剂EC+EMC换成FEC+TFEC时,Pouch Bag中的正极界面阻抗大幅度减小,接近于Pouch Cell的阻抗。这就改善了溶剂的选择。

特斯拉电池衰减(传不了图)

解决溶剂的问题后,Dahn继续攻克电极材料。实验组包括NMC532+Coating A;NMC532+Coating B;NMC662+Coating A;NMC662+Coating B;以及两组特别改进的NMC(Improved NMC,材料保密)。

从实验结果来看,NMC662+Coating A产生的气体最多,而两种Improved NMC材料没有任何气体产生。TGA/MS分析进一步显示,这两种Improved NMC在4.5V、200℃之前没有任何气体产生。由此得出,新的Improved NMC材料能有效减少副反应排气、降低电池内阻抗。

特斯拉电池衰减(传不了图)

所以最终的实验结果是,当使用以PES211为添加剂的FEC+TFEC电解液体系以及Improved NMC材料为电极时,电池有效减缓电池的衰减过程,得到良好的循环性能。

特斯拉电池衰减(传不了图)

针对这项新技术,Dahn给出的结论是:1200次充放电循环后衰减仅为5%。

——————硬核内容结束———————

这就是为什么特斯拉电池寿命这么长的缘由。Dahn在当时就表示,新技术已经实现了商业化,特斯拉也确认将在产品中(Model 3)应用。这一点也在马斯克本人的推特上得到确认。

马斯克曾对外表示,Model 3的动力单元和车身设计寿命高达100万英里,其中电池最低使用寿命为1500次充电循环,可以保证它行驶48~80万公里(30~50万英里)。

特斯拉电池衰减(传不了图)

根据美国交通部联邦公路管理局的数据显示,美国人平均每年行驶2.2万公里(1.35英里):

特斯拉电池衰减(传不了图)

换句话说,对于普通车主而言,想要达到Model 3的理论续航寿命——48~80万公里——至少需要20年。所以特斯拉车主在日常用车中,基本无需操心电池衰减的问题。

到此为止,材料秘方解决了电池的循环寿命问题。这是很重要的一部分,但不是全部。

因为还有下一个问题:

特斯拉的续航,为什么比其它车型更长更稳定?

首先,特斯拉的电池能量密度遥遥领先。

据国内电池龙头企业宁德时代CATL的官方资料显示,他们目前大规模投产的电芯能量密度目前能达到240Wh/kg;而一个新能源主机厂老大比亚迪的官方资料显示,其NCM电池的能量密度目前能达到200Wh/kg。

特斯拉电池衰减(传不了图)

然而,特斯拉与松下合作研发的18650电芯(上一代电池),能量密度大概在250 Wh/kg的水平;而用在Model 3上的21700电芯(新一代电池),因为采用硅碳负极的新技术,电芯能量密度能够超过300Wh/kg。

特斯拉电池衰减(传不了图)

电池能量密度的提升,不仅意味着有空间去搭载更大容量的电池,也意味着车辆的整备质量也可以优化得更轻(电池包更轻)。

反馈到具体车型上,效果也很明显。搭载70kWh电池的ES8基准版,整备质量2460kg,续航355km;搭载100kWh电池的Model X长续航版,整备质量2530kg,续航575km。电量相差30kWh,质量只差70kg,续航自然相去甚远。

特斯拉电池衰减(传不了图)

当然,除了轻量化设计,续航的长短和稳定性还取决于电机的工作效率、电池的管理效率。这又可以另起两篇“特斯拉为什么续航这么长”的技术分析文章了,篇幅受限我们下次有机会再聊。

特斯拉电池衰减(传不了图)

Model S 100D单次续航1078km

总之,还是记住这个公式:电池生命周期续航 = 电池循环次数 x 单次续航。特斯拉的电池衰减之所以比其它车型更慢,就是因为它拥有同级最长的续航能力,还有不输其它车型的电池循环寿命。

如果你不是特斯拉车主,但又担心电池衰减怎么办?

——养成好的用车习惯。

就在文章开头的那个例子中,Driessen已经教了大家一个方法:坚持『浅充浅放』的用车习惯。Driessen在16.09万公里的用车过程中,仅有两次将Model 3的电量跑至10%以下,并且在超充过程中也从来不会充电超过60%。

是的,无论是理论还是实践都证明——『浅充浅放』对电池健康有好处。锂电池的充放电过程,就是一个锂离子嵌入脱出的过程。在充放电过程中,每一次参与运动的锂离子越少,对结构破坏越小;每一次参与运动的锂离子跑得越慢,对结构破坏也越小。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。

特斯拉电池衰减(传不了图)

也就是说,慢充+浅充浅放就是延长电池寿命的最好方法。如下图所示,理论上,如果你坚持50%的浅充浅放,电池可实现1200次健康续航;那你坚持30%的浅充浅放,电池就可以实现1600次的健康循环。

特斯拉电池衰减(传不了图)

图表来自 Stephen Grinwis

对于大部分有家用充电桩的车主,浅充浅放并不是什么问题。但对充电条件不太好的车主来说,浅充浅放相当于将续航砍半,导致用车不方便怎么办呢?——那就搭配快充使用。综合“电池健康”和“使用便利性”两个维度来看,如果非要给用车习惯排个序,那么最好的方式依次是:

慢充+浅充浅放 》 快充+浅充浅放 》 慢充+深度充放 》快充+深度充放

总之,现在的电池还是一门关于平衡的技术。无论是在实验室,还是在日常道路上,想要发挥某一个优势,可能就要牺牲一定的体验。对于厂商来说,谁能尽量做到各个方面的平衡,谁就是行业的领军者;对于消费者来说,找到符合自己用车环境的习惯,也能尽可能地减缓电池的衰减。

期待赶超特斯拉

最后,我们回到文章最开头的问题——『为什么特斯拉的电池衰减这么坚挺』。这里面的影响因素有很多,包括密度更大、容量更大、寿命更长的电池组,更轻量化的车身,更高效且稳定的能量系统等等,这些都促成了特斯拉电池的超长寿命里程。

特斯拉电池衰减(传不了图)

每次当我们夸特斯拉的时候,很多国产粉都会跳出来喷,可蒙眼狂奔并不是寻求进步的好方法。技术摆在眼前,事实也不会因为主观喜好而改变。很多东西都是这样,看起来都差不多,其实差很远。认识到距离、才会拉近距离。

(图/文:皆电 唐科)

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唐科

简介:不喜欢汽车的摄影师不是好铲屎官,喵!

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