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    蔚来「磷酸铁锂三元」电池系统专利

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  •   此前,有媒体报道了蔚来将采用磷酸铁锂电池包的消息,在后续的跟进报道中又有消息指出蔚来将要采用的是「磷酸铁锂三元」电池包。

      这就带来了很多疑问,「磷酸铁锂三元」电池是什么?难道是蔚来研发出了一个全新的电池材料方案?

      带着疑问我查阅资料,终于找到了一份蔚来在 2021 年 1 月 8 日申请,分别在 4 月 2 日和 23 日公开的动力电池系统专利。

      通过专利内容,可以直接证明蔚来确实在研发「磷酸铁锂电池包」,但蔚来的这套电池系统与此前所有的方案均有不同,它是将磷酸铁锂材料电池与三元锂材料电池整合到了一起,实现了一款全新的电池系统。

      下面我们对专利进行了全面的解读,来看看蔚来实现的技术方案。

      必须要了解的背景

      在解读专利之前,有几个背景是我们必须要了解的。

      电池材料

      在蔚来的这套方案中会涉及两种材料的电池,分别为「磷酸铁锂 LFP 以及三元锂 NCM(以下简称:铁锂和三元)」,这两种材料的电池是目前新能源汽车应用最广泛的。

      两种材料的电池因材料不同,优缺点也非常明显:

      铁锂:优点,成本低、高寿命、安全性高;缺点,相对能量密度低、耐低温性差、SOC 精度低。

      三元:优点,电压平台高、能量密度大、电池容量高、倍率性能好;缺点,相对安全性能差、循环寿命差,成本高。

      早前,因为电动汽车的补能体系以及车企对性能要求高,所以三元电池成了主要的选择,随着技术的提升和电动车的普及,安全性与低成本的双要求在提高,铁锂电池的需求也在不断推高。比如特斯拉推出 Model 3 铁锂标续版、小鹏推出 P7 铁锂版等,因此,对于蔚来会不会上磷酸铁锂电池,一直备受市场关注。

      关于蔚来的铁锂版车型什么时候到来,在蔚来 Q1 财报会议上,李斌简单提到了「磷酸铁锂电池的成本优势很高,但在此之前,蔚来会先解决铁锂电池的用户体验,这将是核心基础。」

      说白话就是,蔚来可以用磷酸铁锂电池,但需要解决其缺点之后,而蔚来一直在研发相关的技术。

      那么影响铁锂电池用户体验的重要因素是什么?

      在专利中有这么一段话:「车辆电池的荷电状态(SOC)估算是电池管理系统(BMS)中的核心问题。准确估算电池荷电状态有利于车辆制定合适的控制策略,从而延长电池的使用寿命,降低用户里程焦虑。」

      在专利中会有大量的专业术语,便于理解,我们简单做几个介绍。

      什么是荷电状态(SOC)?电池荷电状态(下面简称:SOC),代表电池剩余可用电量占总容量的百分比,是电池管理系统中最为重要状态之一,为电动汽车的电池安全管理、充放电控制、整车能量管理等功能提供重要参考。

      简单理解就是,工程师可以根据 SOC 的数据,来匹配 BMS 算法,以达到准确显示电池系统剩余电量,缓解用户里程焦虑,SOC 估算精度越高,越能显示真实续航水平。

      而 SOC 表示的电池剩余容量和满电容量的比值,介于 0 和 1 之间,0 是电池放空状态,1 是充满电状态。即,电池系统电量放空状态 0%,和满电状态 100%。

      常用的 SOC 估算方法有三种:电流积分法、开路电压法(OCV)、电池模型法。

      这些方法均需要求出电池的开路电压并基于离线实验结果映射后获取 SOC 值。在电池 OCV-SOC 曲线中,曲线斜率越大,对 SOC 估算越精准,系统对剩余里程测算越精准。

      从上面图中可看出,三元的 OCV-SOC 曲线斜度较大,因此,SOC 估算精度更好;磷酸铁锂的 OCV-SOC 曲线异常平缓,这就带来一个问题,当一个开路电压 OCV 值被映射到 SOC 值上的范围扩大,这就使得系统无法准确估算磷酸铁锂电池的荷电状态。

      结果就是,电池管理系统算法很难根据铁锂电池的 SOC,去估算电池系统的 SOC 这样就不能准确显示剩余续航里程,就会出现显示电量还有 20% 但实际会突然降至 0 的情况。目前铁锂电池的 SOC 估算问题依然是业界难题。

      蔚来怎么做?

      新电池系统与 SOC 估算方法专利

      4 月 2 日、23 日,国家知识产权局公开了一项名为「一种电池系统、用于其SOC 估算方法以及计算机装置和介质」的专利,申请人为蔚来汽车科技(安徽)有限公司。

      在这项专利里面其最核心的两项技术,一个是新电池系统;另一个则是用于新电池系统 SOC 估算的方法。

      新电池系统则是上面我们所说的「磷酸铁锂三元」电池系统,简单说就是,蔚来是将铁锂体系的电池和三元体系的电池,用串联连接的方式,集成在来一个电池包内,从而构成了双体系电池系统。

      也就是说,蔚来铁锂三元电池系统,并不是新材料,是由磷酸铁锂(LFP)电芯和三元(NCM)电芯组成的组合型电池模组封装成的电池包系统,而新 SOC 估算方法则是针对新电池系统所研发的技术。

      在双体系电池系统中,铁锂体系电池与三元体系电池的电池数量配比之比可以为 5:1、3:1 或者 1:1 以及其他比例。

      我们根据专利顺序,先介绍新系统的 SOC 估算方法,再介绍新电池系统设计方案。

      以下是技术的核心环节,便于理解,我们先理清几组概念与关系,几个关键词:「磷酸铁锂电池 SOC(荷电状态)、三元锂电池 SOC(荷电状态)、电池包系统 SOC」。

      按字面意思理解,这几个关键词代表的就是不同材料体系电池的 SOC。

      因为蔚来的这套方案是将铁锂和三元整合成一组电池包,因此,这里所说的电池系统所指的就是铁锂 + 三元组合成的「全新电池系统」。

      针对新电池系统 SOC 的估算,蔚来的技术方案则是:「将三元电池的 SOC 上限和下限映射到电池系统的 SOC 区间内,以建立一组三元电池的 SOC 的上限、下限与电池系统的 SOC 区间之间的映射关系。」

      这里需要继续理解一个新词:「映射关系」。

      「映射」是比函数更广泛一些的数学概念,它就是一个集合到另一个集合的一种确定的对应关系。即:若 f 是集合 A 到集合 B 的一个映射,那么对 A 中的任何一个元素 a,集合 B 中都存在唯一的元素 b,并且与 a 对应。我们称 a 是原像,b 是像。写作 f : A → B,元素关系就是 b = f(a)。

      这两段比较难以理解,解释一下:

      专利里面提到,为了考虑三元电池可能出现的电池衰减,其 SOC 下限和上限可以被分别设置为 0% 和 90%,其被映射到电池系统的 SOC 区间为 0% 至100%。在这种情况下,三元电池的 SOC 下限和上限与电池系统的 SOC 区间之间的映射关系为 [0%,90%] → [0%,100%]。

      注意,上面说的 0% – 90% 与 0% – 100% 都是动态调整值,每个车企根据自身的策略会有所不同。

      因为电特性的原因三元电池的 SOC 估算比铁锂的精度更高,所以通过上述说的电流积分 + 开路电压 OCV 校准的估算方法,计算出电池系统内三元电池的 SOC,将三元电池的 SOC 的上限、下限映射到电池系统的 SOC 区间可以得到电池系统的 SOC 值。

      举个例子,如果三元电池的下限、上限被分别设置为 0% 和 90%,并被映射到了电池系统的荷电状态区间 0% 至 100%,根据映射的数学关系,当三元电池 SOC 为 0% 时,电池系统的 SOC 也为 0%;当三元电池 SOC 为 90% 时,电池系统的 SOC 为 100%,利用映射关系的计算公式 b = f(a),当三元电池 SOC 为 40% 时,电池系统的 SOC 则为 50%。

      综上所述,如果你对计算环节和实现原理理解起来有难度,那么你只要知道,在磷酸铁锂+ 三元这套系统方案中,是使用三元锂电池的 SOC 来反映整个电池包系统的整体 SOC。结果是,蔚来可能设计出准确反映实际续航与衰减的磷酸铁锂电池包。

      但两种材料体系集成的电池系统,就会出现一个重要的问题,如何平衡两种电池的全生命周期的衰减与衰减速率的问题?

      动态调整电池系统的 SOC 区间

      由于电池在使用过程中可能涉及电池衰减,并且不同体系的电池衰减速率可能不同,因此需要动态调整不同电池体系的 SOC 区间,从而在不同衰减状态下使三元电池的 SOC 区间仍能准确对应于电池的实际使用性能。

      何为动态调整 SOC 区间?

      根据蔚来专利显示:「将铁锂电池的 SOC 下限设置低于三元电池的 SOC 下限,并将三元电池的 SOC 上限设置高于铁锂电池的 SOC 上限,使三元电池的 SOC 下限始终为放空点 0%,而上限始终保持对应铁锂电池的充满点 100%。」

      需要注意的是,由于三元和铁锂的电特性不同,在充放电期间,串联连接的三元电池将被先放空,铁锂电池将被先充满。

      如图所示,简单理解就是,三元电池的下限保持为电池系统的放空点 0%,此时对应的铁锂电池的 SOC 为 SOC_L;同时铁锂电池上限保持为电池系统的充满点 100%,对应的三元电池 SOC 为 SOC_H。

      通过这样的设计,三元电池的 SOC 区间就被保持为从电池系统的放空点 0% 至充满点 SOC_H,并且为保证 0%-SOC_H 区间相对稳定,系统会把图上 0%-SOC_L 与 SOC_H 电量 100% 保留在系统内。

      说人话就是,0%-SOC_L 与 SOC_H-100% 区间的电会被系统藏起来,也就是经常说的电池系统藏电多少,藏起来的目的就是为了电池系统出现衰减时,用于动态调整三元电池的 SOC 区间。

      如何进行动态调整呢?

      在实际使用过程中,有可能会出现的情况是,铁锂电池的衰减大于三元或者三元大于铁锂的情况。

      按照蔚来专利的披露,假设现在出现的情况是铁锂电池的衰减是大于三元的,那么铁锂电池的 SOC 上限 100%,相对的三元电池就会向下偏移。

      也就是专利图中所示的,SOC_H 偏移到 SOC_H1 的地方,这使得三元电池的荷电区间变成了 0%-SOC_H1,该范围相较于原 0%-SOC_H 发生了缩减。

      而为了使此前三元电池的 SOC 区间 0%-SOC_H 保持不变,那么此前铁锂电池的 0%-SOC_L 区间的容量就会被开放,开放的部分容量将会被补充到三元电池中去。从而继续保证三元电池的荷电区间能够准确反映电池系统的 SOC。

      整个动态调整的逻辑,举例解释就是:

      就像两根1 米长装满水的水管 A 和 B(0 cm – 100 cm), A 水管的 0 cm对着 B 水管的 20 cm 处,而 B 水管的 100 cm 处则对着 A 的 80 cm 处。

      而两根水管中间重叠的部分要保持一个恒定的满水状态,因为不可抗力出现了 A 水管水减少的情况,那么此时中间重叠部分水就会减少,那为了保证中间水和原来一样,那么就需要从 B 水管的前面 20 cm 处保存的水中,拿出与减少的同样的量补充进 A 管去,这样重叠部分又可以回到原来的水满状态。

      那么问题来了,如果铁锂电池此前藏电的部分被开放完了,达到了可开放的阈值铁锂、三元电池的 SOC 下限相同了,即为 0%,在这种情况下,铁锂电池电量将会被先放空,这会导致此时的三元电池的 SOC 无法准确反映电池系统的放空点。

      因此,为了使三元电池的 SOC 区间仍能准确反映电池系统的 SOC 区间(放空点 满充点),需要将三元电池的部分荷电状态容量反向补充到铁锂电池的下限区间里。

      综上所述,因为磷酸铁锂电池的电特性的问题 SOC 的精度不高,带来的问题就是,铁锂电池会出现续航骤降,新车出现大幅衰减的情况,为了解决这些不好的体验,蔚来研发了一款由铁锂 + 三元材料组合而成的新电池包系统,同时又针对新系统研发了一套新技术「新电池系统 SOC 估算的方案」,也就是,利用电池包内三元电池的 SOC 映射到电池系统 SOC 区间形成的映射关系,计算出电池系统的 SOC。

      同时,这套 SOC 估算技术,还可以根据电池的衰减程度以及衰减速率来动态调整电池 SOC 区间,让三元电池的 SOC 始终能够准确反映电池系统的荷电状态。

      铁锂 + 三元的组合型电池系统

      上面我们说了,为解决因磷酸铁锂电池 SOC 不准带来的用户体验问题,蔚来发明了一种用于估算电池系统 SOC 的技术,这个技术的核心关键就是利用三元电池 SOC 精度高的特点,以三元来反映电池系统的 SOC。

      这就需要蔚来在一个电池包系统内放入铁锂和三元两种材料的电芯,当然,蔚来也是这么做的。

      先来看看这款电池包的电芯布置

      根据专利的披露来看,蔚来将铁锂与三元电芯进行了串联连接,而电池包内的铁锂与三元电池的配比可以做到 5:1、3:1 或者 1:1,也就是说,如果想要更低的成本只要按比例提高铁锂的电芯数量即可。

      重要的是,这个配比并不是固定的,蔚来可以根据需求灵活搭配,这样带来的好处就是,蔚来可以根据车型来配置电池包的主要材料电池,可以为不同车型的价格差匹配不同的电池包。

      而具体的电芯排列方式,主要的有以下几种:

      一,A + B + A + B 或 B + A + B + A交替排列的方式。

      专利显示,假设 A 是铁锂电池,B 是三元电池,通过铁锂和三元的交替排列,可以有效保证三元电芯在出现热失控时不会引起隔壁第二个电芯的热失控,因为铁锂的热安全性高,因此,可以尽可能阻止电池包的热扩撒,并且能够最大程度实现能量密度与功率输出。

      二,两个铁锂电芯和一个三元电芯的串联 A + A + B + A + A + B

      这种组合方式带来的好处就是,铁锂电芯数量增加,整个电池包系统铁锂电芯比例就大,能够有效降低成本。同时依然具有较好的性能以及仍然有助于电池包的 SOC 测量精度的提高。

      根据专利显示,铁锂与三元电芯在组内的布置位置并没有受到限制,可以采用多种混搭行驶,而且每组电池也没有要求严格相同,比如 A + A + B + B + A + A + A + B + A。

      简单来说,工程师可以根据是实际情况采用灵活的电芯组合方式来完成电池系统的布局,而且三元电池的布置位置也是灵活调整,也就是说,在每个模组内,采用一个三元电芯进行本模组的 SOC 计算,既可以得到精度更高的 SOC 数据,又能最大程度降低成本。

      再看电池包的温控方法

      对于这款新电池包而言,双材料体系电池带来的另一个技术问题就是:「不同电芯的耐寒性不同,汽车如果在寒冷的环境中长时间静置时,电池包中的温度变化是散热较快区域,电芯温度下降明显,这会导致拥有不同散热能力的不同区域的电芯之间温差过大.」

      结果是,个别电芯温度低于临界温度后会导致整包放电性能变差,也会影响安全性与寿命。

      蔚来通过优化布置和布置隔热材料两种方式,来保证电池包内部的温度均衡以及保温性能。

      第一种比较好理解,就是通过实验来验证整个箱体内散热快的区域,将三元电池布置在这个区域,来规避铁锂不耐寒的特性。

      但这种方法始终有限,那蔚来的另一个方法就是在箱体之间布置隔热材料,来缓解温度下降速率与下降的下限。

      而且电芯排列和箱体结构性隔热的方案可以组合使用。

      还有一种有效的方法是「热补偿」,这项技术在专利里面没有披露太多,但主要的方法是在电池箱体内加入热元器件,比如加入石墨烯加热膜因为石墨烯是电和热的良导体,一方面石墨烯可以痛点产生热;另一方面石墨烯在加热膜产热后能够快速将热量传递到箱体内温度不均的区域。

      通过热补偿能够极大延长电池在低温环境中静置以及使用时间,缓解电电芯温度下降趋势降低速率。

      写在最后

      这套专利总结起来其实非常简单,就是蔚来想要使用磷酸铁锂的电池,但因为磷酸铁锂电特性的原因,用户体验上会有极大的问题,那么蔚来就针对问题研发了一套技术来解决。

      这套技术包含三个关键词:电池系统、电池系统的 SOC 估算、系统安全。

      基于此,蔚来开发了由三元材料电池与磷酸铁锂材料电池组成的新电池系统,而这套新电池系统满足高安全性与低成本,但因为磷酸铁锂的 SOC 曲线异常平缓,并不能准确估算出电池系统的 SOC,因此,无法准确计算充电时间与续航里程。

      而恰恰三元电池可以满足这些,因此,蔚来就用新电池系统中三元电池的 SOC 来反映系统 SOC。

      因此,蔚来研发出了一套新的 SOC 估算方法,以三元的 SOC 上限、下限映射到系统 SOC 区间,简单说就是,通过三元锂实现对整个电池系统 SOC 的精确估算。这套方法还可以因为电池衰减以及衰减速率的不同进行动态调整,始终让三元的 SOC 能够精准反映电池系统的 SOC。

      有了对电池系统 SOC 估算的方法,但明显铁锂 + 三元双材料电池方案的难度比想象中要大得多,其中如何做铁锂与三元的耐低温性这非常重要。

      蔚来使用了,电芯灵活排列与结构性保温以及主动热补偿等方案。

      使用了结构保温的设计,电池系统被动保温时间延长,这样就能够长时间在低温环境中存放和使用。

      汽车超长时间的静置后,电芯温度降低,电芯温差增加,个别区域温度低于临界值,会影响整包放电性能;这时采用三元电芯,形成 AB 组合的电池包,解决短板效应,使得整车在此条件下可以正常使用,拉低了使用的温度下限。

      极寒温度超长时间静置后,主动热补偿功能会开启,使得在低于某个温度值后,温度下降的趋势变慢,极大延长极寒环境下存放和使用的时间。在此基础上,继续极寒静置后,开启加热功能,将电芯温度升高至正常使用的温度区间。

      以上功能可基于电池包热仿真/热通量分析进行最优化求解,得出最经济最高效的解决方案。

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