從專利看蔚來--大功率動力電池

最近有朋友問起純電力車如果把動力總成定額在660馬力，4秒百公里加速，需要配備怎樣的電池組？這是道計算題，但是小星想把它答成簡答題，甚至小作文。今天我們就通過蔚來汽車發布的專利，來聊一下大功率動力電池的市場狀況和應用需求。

大功率電機的瞬時加速，對電池的功率密度提出了很高的要求。但是純電動或插電混動車型又要求很高的能量密度來保證續航里程。如圖鋰電池特性曲線，功率密度高則能量密度低。多用於輕混和全混動HEV車型，快速回收能量。能量密度高則功率密度低，多用於純電動EV車型，保證續航里程。但高性能純電動車型對電池提出了更高的要求，在保證續航的同時，又要求瞬時輸出功率大，提升駕駛性能。

↑電池特性對比圖

計算

純電力車如果把動力總成定額在660馬力，折算到功率為660horsepower x 0.74 = 488kW。4秒百公里加速，也就是對電池的10s瞬間功率輸出能力提出了很高的要求。考慮各種電機和電力傳輸損失，我們假定效率在85%～90%之間。則瞬間輸出功率需要在542～574kW之間。

電池特性分類

↑UBS投資銀行電動汽車行業分析報告

如果大家關心過UBS投行對雪佛蘭Bolt的拆解報告，就會知道實際上中國以外的電動車市場實際上被三家電池供應商所統治。而且它們分別代表三種電池分類。那就是松下的18650代表圓柱形電池，LG化學代表軟包電池以及三星代表方殼電池。而松下電池為特斯拉所買斷，LG化學和三星電池則收到政策影響在中國推廣受限。因此小星非常看好特性非常平衡且安全性好的中國本土電池供應商CATL寧德新能源代表的方殼電池。當然BYD也是無法忽略的電池供應商和新能源整車廠。

↑電池的分類與特性

電池特性分明

1.t圓柱形電池

能量密度和功率密度都很高

適合標準化生產

電池管理複雜

2.t軟包電池

能量密度極高

重量輕

需要額外防護防止電池受損和熱失控

3.t方殼電池

能量密度和功率密度性能平衡

外殼堅硬易防護和管理

下面我們就著這幾個典型的電池分類來按照典型車型對比一下。

蔚來汽車

ES8

隨著蔚來汽車宣布年內12月份正式上市純電動車型ES8。越來越多的ES8電池和動力總成信息浮出水面。ES8車型正是採用了CATL的方殼電芯。那麼我們基於蔚來汽車公布的相關信息一起來分析一下吧。

↑上海車展發布的蔚來汽車ES8車型

基於上海車展展出的ES8車型底盤系統和動力總成可以看到鋰電池組置於底盤底部。前後軸分別由兩組大功率感應電機驅動。據目前蔚來汽車公布的參數，前後軸動力電機功率均為240kW。因此總功率正好是480kW。對應百公里加速成績為4.4秒。而它採用的鋰電池使用CATL的方殼電芯。總電量70kWh，最大輸出功率可瞬時達到550kW。純電綜合續航里程355公里。這樣既保證了不錯的續航里程，又擁有出色的加速性能。來自CATL的方殼電芯良好的能量密度和功率密度平衡表現功不可沒。

↑上海車展展示的ES8車型鋰電池組

↑上海車展展示的ES8車型動力總成

除了使用優質的方殼電芯，蔚來汽車也依託專利技術增強鋰電池組的散熱性能和模塊化特性。幫助鋰電池組在大功率輸出時能夠更好的散熱。同時不同車型可以基於模塊化概念配置不同容量的鋰電池組。並且整車底部與鋰電池組的介面也充分考慮了換電的設計。

↑蔚來汽車模塊化電池專利申報圖

通過交叉框架結構，鋰電池組各個模塊當中的電芯可以得到有效散熱。並且增加了結構強度，保護了電池。蔚來汽車公布了鋰電池組的測試規範。整個鋰電池組需要經過灼燒阻燃測試、跌落測試、海水浸蝕測試和熱衝擊測試。其中鋰電池組的專利交叉框架結構起了巨大作用。

↑蔚來汽車鋰電池交叉框架結構專利申報圖

方殼電芯基於專利的模組化設計可裁剪出不同的鋰電池組容量。從而靈活適配不同配置的車型。充分發揮方殼電池布置管理容易的優勢。

↑蔚來汽車模塊化靈活裁剪電池容量專利申報圖

通用

↑通用押寶純電動車型雪佛蘭Bolt

雪佛蘭Bolt一直是通用集團發力純電動車型的重中之重。它和別克VELITE5增程式混動和凱迪拉克CT6插電式混動車型都採用了來自LG化學的軟包電芯。並且使用了通用集團專利的軟包電芯配套水冷鰭片的散熱方案。

↑來自LG化學的軟包電芯和配套的鰭片散熱方案

通用集團新能源車型大量使用LG化學軟包電芯的最大原因就是它能量密度大的優點。整個雪佛蘭Bolt的鋰電池組由266塊LG軟包電芯組成。結構為3並96串，輸出總電壓365V。共分成10個模組。總電量為60kWh，續航300公里。動力總成總功率200馬力（148kW），百公里加速6.5秒。很明顯為了純電續航里程，鋰電池組更傾向於高能量密度，而對功率密度適當妥協。

↑雪佛蘭Bolt的鋰電池組和動力電機

↑雪佛蘭Bolt鋰電池組細節

這邊要額外提一下，實際上通用集團也大量使用方殼電池。方殼電池具有很高的功率密度非常適合需要瞬間回收能量降低油耗的輕混和全混動HEV車型。比如剛剛發布的凱迪拉克XT5 28E輕混車型和全新君越30H、全新君威混動版及全新雪佛蘭邁銳寶混動版都使用了來自日立的方殼電池組成的風冷鋰電池組。

↑通用集團輕混和全混動車型使用的日立方殼電池

↑日立方殼電池組成的鋰電池組

寶馬

↑寶馬i3及使用的方殼鋰電池組

寶馬車型以駕駛著稱，因此寶馬設計的新能源車型也注入了運動的基因。寶馬i3純電動車型甚至與主打運動的3系320車型百公里加速成績相當。秘訣就是寶馬i3使用的三星方殼鋰電池組。

↑寶馬i3鋰電池組和動力電機特寫

寶馬i3的方殼鋰電池組由8個模塊組成。每個模塊12個方殼電芯。總電量30.5kWh，可以驅動160馬力（118kW）的動力總成。屬於能量密度和功率密度比較均衡的電池技術。同時寶馬在國內開發的新能源車型都用上了CATL的方殼電池，比如寶馬530Le和之諾純電動X1。

↑寶馬i3使用的方殼電芯

特斯拉

特斯拉Model S P100D作為目前量產電動車百公里加速的保持者，使用的是如下來自松下的18650圓柱形電池組成的鋰電池組。純電續航500公里，百公里加速2.5秒。

↑松下18650電池

Model S P100D的動力總成總功率為567W（760馬力）。它的電池組為100kWh 400V鋰電池組。瞬時輸出電流可達1600A。折算成功率也就是640kW。也就是說特斯拉將電機和電力傳輸效率控制在了88%左右。

↑特斯拉Model S動力總成

特斯拉使用的松下18650圓柱形電池高能量密度和高功率密度的特點就是成就Model S車型長續航又加速快的秘密武器。但是由於其電池技術為特斯拉獨佔，而且每個電池組對18650電芯的用量驚人。因此電池組製造和管理系統都很複雜。特斯拉Model S P100D電池組使用了超過7千個18650電芯。

綜上所述，功率密度和能量密度是電池技術的雙刃劍。一輛加速性能優秀的純電動汽車如何同時保證足夠的續航里程是一大挑戰。因此小星非常看好特性非常平衡且安全性好的中國本土電池供應商CATL寧德新能源代表的方殼電芯。蔚來汽車為代表的車企正在做著類似嘗試，期待ES8車型上市後的表現。

參考文獻與擴展閱讀：

專利US20170225558 Vehicle having a battery pack directly attached to the cross rails of a frame structure.

專利US 20170225588 Modular battery assembly

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