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传统大佬通用、大众、宝马VS新秀特斯拉 新能源之争谁胜谁负

女司机来谈车

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新能源汽车越来越火了,不再是以前的超前概念,实实在在的新能源汽车已经走上了马路,无论是大众出行的公交,还是日益增多的乘用车;其中特斯拉作为一匹黑马越来越受到人们的喜爱,成为新能源汽车行业的新秀;于此同时,传统汽车行业大佬如通用、大众、宝马等也纷纷布局新能源产业,未来新能源之争将鹿死谁手?我们大概可以从特斯拉分数与传统车企的纷争开始说起。

特斯拉的粉丝一直坚定地认为,特斯拉的技术水平是遥遥领先的(不对,这个词现在已经不能随便用了,小编怕说多了挨打)。

传统车企的工程师出来反驳,特斯拉并没有你们以为的那么牛。

粉丝不服,那你们的续航怎么没有超过特斯拉?

工程师不想解释,却在私下嘀咕,我们的能量密度也很高,只是成本太高没人用而已。

工程师觉得粉丝啥也不懂,粉丝觉得工程师都是老顽固。两个群体就这么互相标签化,离多维度地还原事情的本质这件事越来越远。

两边的对立常常让我困惑,为什么不能好好交流呢。

越来越多的人问我这个问题,特斯拉的电池续航能力到底有多强。三言两语说不清,不如尝试着写一写吧。当然,我并不是专业的电芯工程师(小编的工作是PCAK结构工程师),有不对的地方欢迎指正。

在试着探讨这个问题之前,我们先界定一下这个问题的前提条件,梳理几个基础概念。

1、车辆续航除了跟电池有关以外,还跟不同工况下的运行有关。由于后者的问题比较复杂,我们避开运行工况,主要来谈下电池。

2、电池最重要的性能参数是能量密度,能量密度有体积能量密度(Wh/L),也有质量能量密度(Wh/kg)。我们在电池上更多谈论的是质量能量密度(Wh/kg),它决定了单位重量的电池所储存能量的大小。

3、电池的能量密度常常指向两个不同的数据,一个是电池系统的能量密度,一个是电芯的能量密度。

电芯(Cell)是一个电池系统的最小单元,也有人描述为单体电池。你理解为单节电池就行,比如说,一节五号电池。M 个电芯组成一个模组(Module),N 个模组组成一个电池包(Pack),这就是车用动力电池的基本结构。也有人直接把电池包叫做电池组。

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Nissan Leaf 使用的是软包电池,从上到下依次为电芯,电池模组和电池包

其实就是一个很简单的公式,电池包 = N·模组 = N·(M·电芯)。

4、由于电池包关系到电池最终的形状和车辆布置,大部分厂家会选择采购电芯,自己来做电池系统。电池系统的能量密度和电芯选型有关,比如圆柱电池因为单个电芯容量小,电池系统结构复杂,在单个电芯能量密度占优势的前提下,电池系统的能量密度相对会低一些。

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电动车制造商的电池供应链策略

5、从结构上划分,电芯主要有三种类型,方壳电池(Prismatic),软包电池(Pouch)和圆柱电池(Cylindrical)。

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从左到右分别为圆柱电池、方壳电池和软包电池

从原材料划分,电芯有磷酸铁锂、镍钴锰(NCM)和镍钴铝(NCA)等不同类型,这里的材料主要指的是正极材料。在原材料的影响中,正极材料对电芯的能量密度影响较大。

负极材料普遍以石墨为主,目前主流研究方向在探索硅碳负极的商业化。

电芯的结构和原材料组成的不同,对电芯的能量密度均有影响。

以上这些内容,我再把要点总结一下。

在我们讨论电池对车辆续航里程的影响时,主要讨论的是电池系统的能量密度和总体重量的结构布置。而电池系统的能量密度主要由电芯正负极材料和结构选型决定。

建立了框架上的基础认识之后,我们现在可以针对具体的车型来谈细节了。

我们由大到小来看。

首先,是电池包的整体结构。

有一个很重要的结论,那就是不同车辆结构上布置的电池系统样式,对电池系统的能量密度大小有重要影响。

对于这一点,我们直接看图感受。

先来看一看在第二次电动车浪潮里,生产了第一款量产电动车 EV1 的老牌厂商通用。

以下这张图,从左到右分别为第一代 Volt ,第二代 Volt ,Spark EV 和最新款的雪佛兰 Bolt 的电池系统。其中,Volt 为插电混动车型,Spark EV 和 Bolt 是纯电动车型,Spark EV 是自 EV1 停产之后通用推出的第一款量产电动车型。

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照片来自 Jeffery Sauger

来看一下 Spark EV 的电池布置和电池结构。

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雪佛兰 Spark EV

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雪佛兰 Spark EV

2014 款 Spark EV 用的是磷酸铁锂电池,由 A123 提供,容量 21.3 kWh 。

2015 款 Spark EV 的电池改用 LG Chem ,96 组,每组 2 个电芯,每个电芯 27 Ah ,3.75 V ,一共有 192 个电芯,电池容量为 19.44 kWh(192 x 27 Ah x 3.75 V )。

整个电池系统体积 135 L ,总重 215 kg ,比老款减重 39 kg 。根据以上数据计算,2015 款 Spark EV 电池系统体积和质量的能量密度分别为 144 Wh/L 和 90 Wh/kg 。

电池更换后,两款车 EPA 标准下的续航里程均为 132 km 。也就是说,虽然电池容量和重量都减少了,但是新款电池的能量密度提升了,车辆续航里程保持不变。但是一百多公里的续航显然没太大意义。

要继续提升车辆续航的话怎么办呢。

要么继续提升电芯的能量密度,要么就办法多装一点电芯。简单说,要么继续用这个平台,要么就得改了。

旧平台改造(AEP:Adapted Electric Platform)分为两种类型,一种是基于旧平台的旧设计,一种是基于旧平台的新设计。Spark EV 属于前一种,用的是 Gamma II 平台,雪佛兰 Bolt 就属于后面一种,基于 Gamma G2SC 平台设计。

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雪佛兰 Bolt

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雪佛兰 Bolt

请看,肉眼可见的,电池结构变得更加平坦,电池体积也增加了,可以装下更多电芯了。没错,雪佛兰 Bolt 的电芯增加到了 288 个,依然是 96 组,但是每组增加到 3 个电芯。

电芯由 LG Chem 提供,每个电芯 55 Ah ,3.75 V 。电池容量近 60 kWh (实际是 288 x 55 Ah x 3.75 V = 59.4 kWh)。

电池体积 285 L ,总重 435 kg ,电池系统的能量密度为 246 Wh/L 和 137 Wh/kg ,EPA 续航里程为 383 km 。

可以看出,从 Spark EV 到 Bolt ,电芯数量增加了一半,电池体积增加了 0.7 倍,电池重量增加了一倍,电池系统的能量密度也增加了一半,而车辆续航里程则增加了两倍。

重新设计后的车辆底盘,更有利于电池系统的布局。

除了具有历史代表意义的通用电动车(特斯拉也曾经借鉴过 EV1 的设计)以外,另外一款全球知名的畅销电动车是 Nissan Leaf 。

要说 Spark EV 的电池布置虽然局促,但形状还算平整。到了 Nissan Leaf 身上,本来形状非常规则的软包电芯堆叠到一起,被布置出一个不规则形状,来适应车辆上的座位结构。

一个电池包里,有横着放的,有竖着放的,简直逼死强迫症。完全没有体现出日本人应有的处女座特质。

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Nissan Leaf

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Nissan Leaf

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Nissan Leaf

Nissan Leaf 说是自己的 EV 平台,其实也是参照 Tiida 做的。这么多年过去了,动力系统的布置一直在调整,但是电池的形状和位置却基本没什么变化。

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Nissan Leaf 新旧款对比

经过刚才 Bolt 电池结构的学习,看到这里你是不是可以猜一猜,Leaf 的续航提升可能有限。

对的。

Nissan Leaf 一共用了三种电池,从 24 kWh 到 30 kWh 再到 40 kWh ,电芯数量始终不变,一直是 192 个,EPA 续航里程从 135 km 提升到 172 km 再到 241 km 。

然而,Bolt 已经快 400 km 了喂!

当然,你要换一种标准看的话,数据看起来还是可以的。

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Nissan Leaf 在 JC08 标准下的续航表现

结论说完了,来看一下具体数据。

24 kWh 的电池使用的是 AESC 的锰酸锂 LMO 电芯,每个电芯 33.1 Ah ,3.8 V 。电芯总重量为 151.1 kg ,电芯的能量密度为 317 Wh/L 和 157 Wh/kg 。

30 kWh 的电池用的是镍钴锰(NCM)电池,重量比 24 kWh 的增重 21 kg 。电芯的能量密度为 396 Wh/L 和 174 Wh/kg 。

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Nissan Leaf 的电池变化

到了 2017 款,Nissan Leaf 新增了 40 kWh 的电池,EPA 续航里程 241 km 。对,此时已经 2017 年了。

在通用宣称自己每卖出一辆 Bolt 就亏损 9000 美金时,不知道说日产是省钱好呢还是省钱好呢还是省钱好呢。

美国和日本的代表作都看过了,我们现在来看德国。

大众的 MQB 平台很多人都很熟悉了,e-Golf 就是 MQB 平台下的产物。e-Golf 是大众继 e-up!之后推出的第二款量产电动车。

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大众 e-Golf

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大众 e-Golf

有没有一种熟悉的感觉,那种传统内燃机平台下诞生的不规则电池结构的尴尬又来了。

e-Golf 的电池在 Volt 的 T 型结构( T 型结构最早来源于通用 EV1 车型)上还加了一对小翅膀,企图做一点空间上的挣扎。

然而,数据显示,2015 款 e-Golf 的 EPA 续航里程是 134 km 。

2015 款 e-Golf 用的是松下三洋的方壳电池,电池容量 24.2 kWh ,重 330 kg 。一共 27 个模组,264 个电芯( 88s3p ) ,每个电芯 25 Ah 。

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大众 e-Golf 电池

到了 2017 款,大众更换了 e-Golf 的电池供应商。最新款 35.8 kWh 的电池来自三星 SDI ,选用的是 37 Ah 电芯,EPA 续航里程为 201 km 。

依然长路漫漫。

德国另外一家不能忽视的厂家就是传说中培养出三星 SDI 和宁德时代两家重量级电池供应商的宝马。

终于说到宝马 i3 。宝马 i 系列是全新设计的产品线,从 i3 的电池结构可以看到,非常平整的一个长方体,电池外壳就像一个抽屉一样,里面装了 96 个电芯。

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宝马 i3

i3 老款电池容量 22 kWh ,EPA 续航里程仅 130 km ,使用的是 60 Ah 电芯。

i3 新款的电芯尺寸不变,采用了来自三星 SDI 的 94 Ah 和 3.7 V 的镍钴锰(NCM)电芯,电芯能量密度为 357.4 Wh/L 和 173.9 Wh/kg 。电池总容量为 33 kWh ,EPA 续航里程提升到 182 km 。

看来,光有结构的平整也没用,装不下大电池,就是装不下。

而奔驰,最早 Smart 和 B-Class 的电动力系统都是由特斯拉供应的,后来经更换后,结构上没有大的改动,篇幅有限就不展开了。

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奔驰 Smart

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奔驰 B-Class

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雷诺 Zoe

看完了这些传统车企的电动车产品之后,我们最后来看特斯拉的底盘,这个应该是大家最熟悉的图了。有一种满满一车电池的富有感。

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特斯拉 Model S

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特斯拉 Model S

特斯拉有从 60 kWh 到 100 kWh 的不同电池版本。中间升级过一次 18650 的电芯,从每节 2.9 Ah 升级到 3.1 Ah ,在保持结构不变的基础上,70 kWh 的版本直接升级到 75 kWh 。

我们来看一下特斯拉在 EPA 标准下的续航数据。

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特斯拉 Model S 的续航里程,截图来自 Wikipedia

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特斯拉 Model S 的续航里程,截图来自 Wikipedia

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特斯拉 Model S 的续航里程,截图来自 Wikipedia

截图里可以看到,以 Model S 为例,特斯拉 EPA 标准的续航里程覆盖 300 多到 500 多公里。而在最新公布的 EPA 数据里可以看到,Model 3 长续航版的续航里程也已达到了 499 公里。

从市售产品上来看,完全是碾压级的胜利。

所以,大众公布了要打造全新的电动车 MEB 平台,MEB 平台的技术将在大众集团内共享。这个平台长这样。

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大众 MEB 平台

奔驰全新的电动车平台 EQ 长这样。

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奔驰 EQ 平台

装不下大电池的老平台注定只是过渡。

当然,一个新平台的打造往往需要上百亿的投入,在电动车还仅是小众市场时,传统车企在财务上的保守表现是非常正常的。这也带来了特斯拉的机会点和领先市场的优势。

市售产品的性能对比,实际比较的是产品层面。

产品,其实是企业综合策略的体现。要考虑市场规模,品牌定位,还要核算成本及价格。比如,一个低端品牌,在没有品牌溢价的定价能力的前提下,不敢轻易打造像特斯拉这样百万级价位的豪华电动车。

当你定义了自己是未来市场的领导者,还是跟随者的时候,你也同时定义下了,你的产品是不是一定要应用最新最好的技术。而这一点,正是科技爱好者最为看重的事情。

为了更客观地比较各家产品的差别,现在我们谈技术层面,也就是从电池系统要谈到电芯了。

从上一个部分的电芯演变,或许你可以注意到,大家都开始采用镍钴锰(NCM)电池了。NCM 是电池的正极材料,根据正极材料划分,目前主流的电池主要有三种类型,磷酸铁锂,镍钴锰(NCM)和镍钴铝(NCA)。

磷酸铁锂电池的安全性更高,能量密度更低,在客车上的应用更广。比亚迪由于押宝在磷酸铁锂路线上,而在三元锂电池的探索上占了下风。在乘用车上,我们主要认识的就是两种电池,NCM 和 NCA 。特斯拉的松下圆柱18650电池就是 NCA 材料。

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NCM 电池组成

想要提高电池能量密度,第一条要做的就是提高电芯正极材料的比容量。镍的含量越高,电芯的比容量就越高。另外,由于钴价太高,提高镍的比例的同时降低钴的比例,能够成功降低电芯成本,这也是高镍电芯发展趋势的重要原因。

而我们常见的 NCM 111 / 523 / 622 / 811 指的都是这三种元素之间的比例。也就是说,NCM 811 是目前镍比例最高的电芯。

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宝马的电池路线图

我们从宝马的电池路线图里就可以看到,NCM 会从 111 的比例逐渐调整到 811 。2018 款宝马 i3 会用到三星 SDI 的 NCM 622 电芯,而直到 2021 年以后,宝马才会在 i5 上应用 NCM 811 电芯。

而奔驰的 EQ 平台在 2018 年的第三季度就会使用 SK innovation 的 NCM 811 电芯。

从 LG Chem 的资料上来看,计划使用他们最新款 811 电池的车型有以下这些:

l 日产 Leaf E-Plus ( 60 kWh 版本)

l 现代 Kona EV

l 现代 IONIQ Electric (电池升级版)

l 起亚 Niro EV

l 第二代 Renault Zoe ( 2019 )

l 大众 ID(2019)

l 欧宝 Corsa EV (2019)

l 标致 208 EV (2019)

也就是,应用 NCM 811 电芯的车型最早会在 2018 年看到。

虽然这些厂家没有提供目前 NCM 811 电芯的能量密度数据,但是我们可以看一份 Solid Power 提供的数据。

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来源:Solid Power

采用 NCM 811 正极和石墨负极的电芯,可以达到 255 Wh/kg ,536 Wh/L 的能量密度。

而 CATL 的官方资料显示,他们电芯的能量密度目前能达到 240 Wh/kg 。

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来源:CATL 美国官网

另外,来自比亚迪的官方资料显示,比亚迪 NCM 电池的能量密度目前能达到 200 Wh/kg 。

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来源:比亚迪的公开演讲

特斯拉目前 18650 电芯的能量密度大概在 250 Wh/kg 的水平,而在 Model 3 的 2170 电芯上,特斯拉将采用硅碳负极,将电芯能量密度提升到 300 Wh/kg 。

也就是说,单纯比较电芯能量密度的话,其他厂家可以达到特斯拉 18650 电芯的能量密度水平,但是在已经开始对外交付的 Model 3 上,特斯拉又领先了。

除了在正极材料上提高镍的比例以外,在负极材料中使用硅碳也是业内认可的一个方向。因为石墨的理论能量密度是 372 mAh/g,而硅负极的理论能量密度高达 4200 mAh/g 。

只是硅负极材料存在膨胀的问题,可能会导致电池容量丧失,影响电池的循环寿命。目前在量产电芯上,只有特斯拉宣布成功应用了硅碳负极材料。

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电池路线演变,来源:Solid Energy

在《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中,工信部提出,新型锂离子动力东池的电芯能量密度要超过 300 Wh/kg ,电池系统能量密度达到 260 Wh/kg ,而到 2025 年,电池系统能量密度要达到 350 Wh/kg 。

目前,NCM 811 已经把镍的比例提高到很难再大幅提升的水平了,使用硅碳负极或者研究不同的正极材料将会是一个提升点。而到 300 Wh/kg 以上,固态电池的技术突破将会成为关键。

在产品层面上,车企早就可以应用更新更好的技术,但由于早期电动车市场太小,车企没有大规模资金投入到电动车新平台的开发上,内燃机车型平台的先天因素导致无法装载大电池。

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大众的续航时间表

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日产的续航时间表

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雷诺的续航时间表

另一方面,有调研公司的市场调查显示,三四百公里的续航已经足以满足当前用户的需求。老奸巨猾,不,经验丰富的老牌车企并不想冒冒失失地推出成本高昂的车型。

在传统内燃机车型的市场上,他们早就习惯如此。在新创公司抢着用华丽数据吸引眼球的时候,他们不急,一边慢慢推进自己的新平台计划,一边想办法在舆论上攻击竞争对手。

所以,特斯拉的电池续航能力到底强在哪儿呢。

第一,在电芯技术层面,大家选择了不同的技术路线,在 250 Wh/kg 水平的能量密度上不分上下。但是特斯拉在硅碳负极材料上成功突破到 300Wh/kg ,又早一步领先业内水平。

第二,由于没有历史包袱,特斯拉得以抛去内燃机底盘的包袱,开发全新的电动车平台,在电池系统的布局设计上获得了很高的自由度,可以很早就推出 100 kWh 的电池容量,领先行业几年。

第三,在马斯克一流的营销能力下,特斯拉成功打造了高品牌定位,从而可以在高价位的市场区间快速应用最新最好的技术。

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