造一个好的「电池组」，没那么容易
1996 年，通用推出了 EV1 电动车，这被认为是电动车发展史上极具代表性的一款车。虽然 EV1 并未能成为主流，但它为通用日后研发电动车相关技术打下了基础。 2016 年 12 月，通用开始量产 Bolt 纯电动车，380 公里的续航（EPA）和 3 万美元的补贴后价格，让它经常被拿出来和特斯拉 Model 3 对标。从 EV1 到 Bolt，20 年时间过去了，通用的电动车技术也发生了天翻地覆的变化。同时，Bolt 也成为通用自动驾驶技术的试验平台，目前已经有超过 130 辆自动驾驶版 Bolt 上路。 那么在 20 年前就开始量产电动车的通用，如今电动车技术发展到了哪种地步？最有资格回答这个问题的，恐怕就是通用的工程师了。前两天，通用中国的工程师们就给我们「 上了一课」，深入浅出的为大家讲了讲电动车知识。 上课之前，先了解一下通用的新能源车型落地情况。在中国，你已经可以买到的新能源车型包括：迈锐宝 XL 混动、别克君越混动、别克君威混动、别克 Velite 5、凯迪拉克 CT6 混动、XT5 混动，覆盖了强混、弱混、插电式混合动力以及增程式混合动力车型。目前，通用还未把纯电动车型引进国内，不过根据我们推测，Bolt 国产也不远了… 面向未来，通用计划在 2023 年之前，在全球推出至少 20 款零排放车型，其中基于雪佛兰 Bolt 纯电动车研发经验打造的两款全新电动车型将在未来 18 个月内上市。 了解完背景再来看技术。先从电池开始，因为电池是一辆电动车上最贵、体积和重量最大的部件，成本可能占到整部车价格的 1/3。 对于汽车用的动力锂电池来说，有几个重要参数：电压、容量、能量密度、功率、寿命、安全和成本。毕竟电动车不是小时候玩的迷你四驱车，买两节 5 号电池装上就能用…… 通用的做法是坚持和供应商深度合作，全程参与电池的研发、设计、生产和电池性能的测试验证。当被问到电池技术突破和成本问题时，通用汽车中国公司电气化总工程师 Jennifer Goforth 也反复提到，和几个「key suppliers（核心供应商）」 的深度合作，是解决问题的关键。 电池组的设计 在研发电池的过程中，通用坚持了几个理念，除了「 安全第一」 之外，还有： 量体裁衣 ：不同车型对于电池的具体需求是有所不同的。混合动力车型需要超高倍率性能的电池设计，纯电动车型更多需要考虑高能量密度的电池，而插电式车型更多需要倍率和能量的平衡。（所以电池不能直接买来就用，并且不同车型上的电池组看似相同，实际成分却不同）掌握全局 ：亲身参与，才可以掌握整个电池生产环节中的细节，掌握更多数据，确立更为精确的数学模型，并不断在迭代中寻求优化提升的机会。 保持领先 ：除了和电池供应商保持战略合作之外，通用汽车在北美和中国的电池研发中心也会开展前瞻电池技术开发，以确保通用汽车在电气化竞争中保持领先。 下面几张图就来自通用中国研发中心电池实验室： 在电池的设计过程中，也有几个关键的点： 材料的选择 ： 三元材料的类型多样，如 111，532，622 等（三个数字分别代表正极材料中镍钴锰材料的占比），不同配比的三元材料锂电池的能量密度、稳定性各不相同，车企正在做的就是在保证安全性、成本的前提下，尽可能提高能量密度。前面提到的通用中国研发中心的电池实验室，目前正在开展的前沿研究就包括此部分内容，这是电池设计最重要的一步。 电池的封装形式 ：通常情况下，电芯的封装形式有以下几种：圆铝壳、方形硬壳和软包。通用除了采用硬壳封装之外，也会采用软包设计这一封装形式。 软包电池使用铝塑膜通过焊接封装，轻便的铝塑膜，加上叠片工艺制作的电芯可以获得较高的电芯能量密度，软包的封装可以使得电芯和散热片完美贴合。 此外，正负电极极片的设计也需要根据不同车型来制作。包括电极的组成比例（导电碳的种类、多少，粘结剂的种类和含量，以及金属铝箔的种类）、厚度、压实密度、孔隙率以及正负极容量比例也至关重要。同样，通用汽车电池极片的设计也是和供应商一起完成。 也就是说，汽车的电池组其实是很难「 通用」 的，因为不同车型对电池性能的需求不一样。 在此，简单介绍一下通用的叠片式电池模块设计。这种设计的每个电池模块，由电芯、换热片、隔热片等组成， 使得电池模块的热管理效率得到大大的提高。 之前，我们都看过这样的通用电池「 三明治」 原理图： 不过这次我有幸拍到了实物，这样的制造工艺，可以说是很高超了： 电池技术的进步，可以直接反映在产品上：雪佛兰 Volt 上第一代电池容量为 16kWh，纯电续航 80km。而在别克 Velite 5 上，电池容量为 18.4kWh，纯电续航为 116km。 电池管理系统 电池组由成百上千个电池单体构成，比如雪佛兰 Bolt 有 288 节电池。 电池组系统符合木桶效应，也就是说系统的性能是由最差的那节电芯所决定的。因此只有准确监测到每一节电池、精确评估到每一节电池、并且高效的管理到每一节电池，确保所有电池保持一致的良好状态，才能够实现系统的高性能、长寿命、和安全的运行。 在实际运行过程中，电池管理系统的「 监测」 十分重要，对电池的感知能力是实现最优控制的基础。 通用的做法是在系统的每个区域内都放置温度传感器，同时还会监测电池的绝缘特性，确保电池高压与车身的充分隔离。与此同时电池管理系统还会对上述监测功能实时进行诊断和校验，一旦发现了监测系统故障，将会启动冗余方案。确保电池管理系统的感知能力始终处于灵敏的状态。 有了这些电池参数后，电池管理系统就可以对系统状态进行「 评估」，包括：荷电状态、当前功率边界、健康状态和故障状态等等。 有了「 评估」 之后，就可以给电池组「 下达命令」 了。前面提到，电池组是有木桶效应的，所以得所有的电池组得保持「 一致」。（说着简单，其实很考验技术…）电池的一致性可以认为是由两方面因素决定的，一方面，是「 先天的」 一致性，也就是在电池在生产制造过程中，通过先进的制造技术和工艺水平来保障电池的一致性。另一方面是「 后天」 的一致性，也就是通过电池管理系统，来继续维护这种一致性。所以电池管理系统强大的控制能力，主要体现在维护电池一致性的能力。 首先电池管理系统需要维护所有电池荷电状态的一致性，也就是所有电池始终保持相同的荷电状态。除此之外电池温度的一致性也是至关重要的。电池在不同温度下老化的速率是不同的，如果不能维护温度的一致性，那么一段时间之后电池间的差异将显现出来，并且这种不一致是无论怎么均衡都不可能修复的。 对于一家体量巨大的传统车企来说，对待安全问题更是谨慎。通用每一款电池在投放市场之前，都会在电池供应商和通用汽车自己电池实验室里，经历 3-5 年的电芯验证测试。 完整的电池包和以及使用该电池包的车型，还会继续在通用汽车内部进行完整的工况测试。（这下你应该知道为什么雪佛兰 Bolt 迟迟不进入国内了…）看了上面这些内容后，你就会发现造车这件事没那么简单，即使是一辆电动车。在大家都在发展电动车的时候，每家车企的电池的发展水平往往决定了其未来产品的竞争力。毕竟，消费者都希望用最低的价格买到续航最长、最安全的电动车。 原创声明： 本文为 GeekCar 原创作品，欢迎转载。转载时请在文章开头注明作者和「来源自 GeekCar」，并附上原文链接，不得修改原文内容，谢谢合作！ 欢迎关注 GeekCar 微信公众号： GeekCar 极客汽车 （微信号：GeekCar）& 极市 （微信号：geeket）。
特斯拉 Model S 电池组的小秘密，背后原来是一盘大棋
前几天，特斯拉面向全球开始销售 Model S 60 和 60D 车型，在国内，它的起售价是 68 万。也就是说，如果你想买一辆 Model S，购买门槛又降低了。 在中国，60 和 60D 车型分别可以提供 400 和 408 公里的续航里程（NEDC 工况），如果觉得这个数不够用，你还可以花 5 万块钱购买一个「 里程升级套件」，把 Model S 升级成 75kWh 电池，获得 19%的额外续航能力，分别达到 480 公里和 490 公里。这个升级包在美国的价格是 8500 美元。 不过好玩的是，这个里程升级套件，并不是把车里的电池组硬件从 60kWh 升级到 75kWh。实际上，就算是 Model S 60 车型，它里面搭载的电池组容量也是 75kWh，只不过，特斯拉通过软件限制的方式，把它限制在了 60kWh。 换句话说，用户花的那几万块钱，实际上是用来解除软件限制的。不过，特斯拉并没有大张旗鼓的说这件事。 但是他们已经不止一次这么玩了，最被人熟知的案例就是 Autopilot 自动驾驶功能的购买。它的硬件是标配在目前出厂的每辆 Model S 车上的，但是用户如果想使用 Autopilot 功能，需要在买车时或者以后的使用过程中向特斯拉购买这个服务。 再回到里程升级套件这件事上。在美国官网上有显示说，订车时选配这个套件需要 8500 美元，而提车以后升级，就需要 9000 美元。这也间接证明，特斯拉确实是对电池组容量做了软件限制，否则很难在交车之后再通过硬件更新的方式升级电池组。另外这也给出一个信息：用户可以不着急在买车的时候就激活这个套件，而是在用车过程中，随时都可以花钱「 解除封印」。 但是在国内有些例外：这个套件只能在提车之前选购。原因是国内的机动车备案政策。简单的说，备案上是 60kWh 的车，后来用户给升级成了 75kWh，这算不算非法改装？ 技术上容易实现吗？ 以上是购买层面的问题，再聊聊技术层面。 目前能确定的是，特斯拉用的是软件限制，但是具体怎么限制的，我们目前不得而知。你可以脑补两种办法：一是限制电池组的输出电量，二是限制车子的充电量，也就是充到 60kWh 的时候就结束充电。 另外我同事还提到电池一致性的问题。具体来说，我开了两年 Model S 60 之后，心血来潮想「 扩容」，怎么保证电池组里的几千颗电池具有像新车一样的一致性？这些细节，特斯拉目前也不会公开。 从技术上来说，问题的关键集中在 BMS 上。特斯拉的 BMS 那么强，限制电池容量的操作应该不难实现。 还有一个例子：当初在 Model S 的低配车型上，是不标配免费使用超级充电功能的，用户需要额外花钱激活。（Elon Musk 前几天说，也不会让 Model 3 用户免费使用超级充电功能）这个功能是否开通，其实和限制电池组容量的玩法性质类似。 买车的模式真的变了 这件事其实并不复杂，但是应该怎么看待这个玩法，恐怕会有挺多争议。我把这个话题抛到 GeekCar 的讨论群里，大伙儿的反应就比较热烈。在特斯拉官方论坛里，关于这个话题，也有很多不同意见。 比如，有观点认为，既然车里搭载的是 75kWh 电池组，是否意味着消费者要无形中承担 15kWh 电池的硬件成本？毕竟 15kWh 的电池，成本不低。 按照这个思路想，一定会有车主心里不爽。不过，也有观点认为，汽车的成本绝对不只是硬件物料本身，现在整车成本就已经包括了研发成本、生产成本等等，而在未来，软件方面的成本也是特别重要的一部分，只不过，按照现在绝大部分人的消费观念，大家还没有意识到软件的价值，也没有养成为软件买单的习惯。 特斯拉之所以这么玩，按照大家的分析，好处可能有这么几个： 1. 降低生产成本、提高生产效率：统一规格的产品生产起来要更容易，这样无形中可以降低一部分成本，以及提高生产效率。至于研发成本，用同一套硬件来做出两个配置，也比单独开发两个版本要省钱得多。现在在汽油车上这样的例子非常多，比如宝马 320 和 328，都是使用 2.0T 发动机，只不过区分出了高低功率（当然发动机里的某些部件还是有些区别，这也是为什么电动车比燃油车更容易玩「 内购」）。 如果未来 Model 3 也采用这种模式，相对于它的大产量来说，这个优势应该会更加凸显。 设想一个理想化情景：除了外观、内饰、轮毂这些个性化配置，车辆其他主要硬件在生产的时候无限趋近于标准化，这应该是工厂愿意看到的结果。而配置的增减，主要依靠软件层面的激活与否。 2. 降低购买门槛：这个是显而易见的。举个相对极端的例子，一个车主现阶段只能拿出有限的资金买一辆 60 车型，但是他又有大续航里程需求，于是在买车之后，可以等下一笔资金到位，再升级到 75kWh 版本。整体来说，这绝对有助于让更多人选择特斯拉。类似的购车心理，可能很多人都有：还是用宝马 3 系举例，我特别喜欢这车，看上了 328 的动力，但是预算只够 320，买还是不买？这个纠结的过程中，很有可能我会转而再考虑其他车型，对于特斯拉来说，他想做的就是让用户的购买决策过程尽可能缩短，办法就是，先把车买了，至于是 320 还是 328 这不重要，反正后期可以非常容易的从 320 升级成 328。 总之，最近特斯拉在「 内购」 这件事上玩的越来越 … 继续阅读