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用数(转载)据说话,特斯拉电动汽车续驶里程和电池衰减解析(一)

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发表于 2017-5-8 12:26:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 新的理念 于 2017-5-8 20:15 编辑

Plug-in America通过问卷调查的形式收集了来自世界各地Model S车主的数据,这些数据可以在一定程度上用于分析Model S电池的衰减问题。这些数据都是收集自不同地区不同车主的车辆仪表显示数据。

图1是根据收集的数据得到的Model S的额定续驶里程rated range和里程表odometer读数的关系曲线。图中,Y轴rated range数据是直接从车上仪表读到的:将车子完全充满电之后,车子会显示一个rated range数值,表示充满电之后车子可以行使的里程数,这在美国和加拿大常用EPA里程来表示(在其他国家可能采用NEDC表示)。这里也没有测量实际电池可以放出的容量,而是在完成充电后,用仪表显示的rated range来等效电池容量进行分析(因为如果仪表上显示的rated range降低,说明电池也有衰减了)。X轴是车子的里程表odometer显示的数值,使车辆累积的总里程数。图中的不同颜色表示不同Model S的车型,相同车型由于配置不同、驾驶路况/习惯等不同,即使在相同电池包容量下,range也会不一样。例如,图中配备85kWh电池的车型就有85、85P、P85D三种,对应range也不一样(有些在BMS里面通过软件来限制电池可用能量)。图中的散点是收集的不同Model S车辆不同年份的上述两个数据(rated range vs. odometer),实线是条趋势线。需要注意的是:这些数据中的电池包有些是中途已经更换过电池包或其他零部件的。另外这些数据点只反映了里程数据,并没有反应出使用时间。

图1 Model S续驶里程和里程表读数

这里我们看一下图中里程表数值显示最大的一辆车(vehicle ID 291#),其odometer里程数为161591mile,换算成公里数为~26万公里,这已经超过了通常汽车要求的10year/150k mile的寿命要求。这里我们看一下实际这辆车子是什么情况:车主来自德国米内尔斯塔特Münnerstadt,车型是2013 Model Year Model S Signature 85 Performance(P85D)。截止到2016年的里程表读数~26万公里(161591英里,三年开这么多公里数,车主是个重度汽车使用者了),70%是highway,30%是freeway,rated range为245miles,三年期间可行使里程衰减大约为~3%(以253mile作为P85D的基准数据)。但是需要注意的是,该车在三年内换过一次电池包、一次车载充电机、四次传动装置drive unit,该车的质量不太好。

另一辆vehicle ID为130#的2012 Model Year的Model S Signature 85 Performance,该车没有更换过零部件,截止到2015年7月,3年多时间内,里程表读数为2.0902万英里,大约3.34万公里,65%为highway,45%为freeway,该车的rated range没有看到衰减。

下面我们看一下另一个同样2013 Model Year的Model S Signature 85 Performance车子(vehicle ID 249#),截至2017年3月28日,里程表显示14.2775万英里,大约22.8万公里(其中85%是highway,15%是freeway),4年时间内rated range大约衰减~6%。其间,电池包没有更换过,但是drive unit更换过四次。

但是也有一些车主的数据显示较大的衰减。例如,vehicle ID为339#的2013 Model Year Model S Signature 85 Performance车子,截止到2015年7月,里程表读数为3.492万英里,约5.6万公里,rated range为228mile,highway里程占据10%,freeway里程占据了90%,其间没有更换过零部件,两年时间内续驶里程衰减约为~10%。另一个Vehicle ID为505#的2014 Model Year, 截止到2016年7月的rated range为202mile,highway占据25%,freeway占据75%,其间还更换过一次充电机和一次drive unit,两年时间左右rated range衰减约20%,这个衰减是比较严重的。

图2 Model S充电后的续驶里程数和总里程数关系

国外Dutch-Belgium Tesla论坛的Tesla车主们也作了类似的Model S数据收集(图2)。这里的Y轴是Remaining Range,X轴是Mileage。与Plug-in America的数据相比,虽然X/Y轴名称不一样,但是两者所表示的含义是一样的。这里X轴的Mileage也是车辆里程表读数(Plug-in America用odometer表示),Y轴remaining range也是在充满电之后显示预估行驶里程(Plug-in America用rated range表示)。如果仅仅看统计的趋势曲线,似乎可以看到Model S的续驶里程衰减很小的,累计行驶6万公里后,续驶里程衰减仅为5%, 10万公里衰减6%左右,20万公里衰减8%左右。这里我们只能看到续驶里程的变化数据,并看不到电池实际能量的变化以及这些参数对应的时间。下面我们具体看几组其它数据(表1),可以看到图2背后的其他一些信息。

表1 US和Asia Pacific/Europe Model S用户数据

例如,在US地区收集到数据中,截止目前为止,ID 124#的车主提供的里程表读数最大,为11.14万英里,大约17.8万公里,时间为2014年3月-2017年3月,整3年时间,车型为Model S 85。截止2017年3月,该车充满电之后的rated range为251.14mile,对应72.345kWh,跟新车相比,三年时间续驶里程衰减6.6%%,但是电池能量衰减大约15%(假设85kWh为基准)。之前Jason Hughes从Tesla的BMS破解中发现,85/P85/85D/P85D(http://www.d1ev.com/50258.html)车型的电池实际总能量为81.5kWh,BMS将能量限制在77.5kWh,如果这属实的话,那按照81.5kWh计算,能量衰减约为11%,按照77.5kWh计算,能量衰减为6.6%

ID 5#的车主提供的数据是2015年5月28日,该车是2015年5月7日生产的Model S P85D,是众多数据样本中时间最短的。在21天的时间内,该车的里程表读数增加到1061mile,5月28日充满电之后显示的里程数为253mile,对应电池能量读数76.593kWh,在21天时间内,续驶里程大约衰减1.2%,电池能量衰减~10%,以81.5kWh计算为6%,按照77.5kWh计算能量衰减为1%。

ID 128#的车主提供了Model S P85截止2017年4月14日的数据,里程表读数6.6万mile,充满电之后的行驶里程为247.09mile,对应显示得电池能量为71.192kWh。该车生产时间是2012年12月31日,在4.5-5年的时间内,该车可行驶里程衰减~8%,电池能量衰减大约16.2%,以81.5kWh计算为12.6%,以77.5kWh计算能量衰减为~8%

ID 51#的车主提供的是Model S 60截止到2015年10月的数据,里程表读数1.6217万mile,充满电后里程为176.2mile,对应电池能量49.555kWh,该车生产时间是2014年6月,在1年多时间内,行驶里程衰减~15%,按照60kWh计算,能量衰减17.4%,按照Jason Hughes破解发现的Model S 60 电池实际容量为61kWh计算的话,1年多能量衰减为19%,如果按照BMS限制的电池能量58.5kWh计算的话,1年多能量衰减为15%

来自亚欧区的Model S P85车主提供了一份里程表读数最大的数据,为235k英里,时间是从2013年9月10日到2017年3月23日,充满电后的里程为366.68kmile,对应电池能量71.029kWh。大约3.5年时间左右,充电后的续驶里程衰减大约为8.3%,电池能量衰减16.4%(按照85kWh计算),按照77.5kWh计算能量衰减为8.3%。

从这面这些数据可以发现:充满电之后的续驶里程衰减量并没有与宣称的电池能量(label nominal energy)衰减量一致,而是与之前Jason Hughes破解BMS发现的受软件限制的电池能量(BMS_ restrained energy)衰减量保持一致的。

表2 每天充电深度对续驶里程的影响

表2是统计的269位Model S用户每天采用的不同充电深度(充满50%-100%)对续驶里程的影响。大多数用户选择了充电充到80%或90%,对应充电后的续驶里程数据将近50% 左右分布在图2趋势线之上,说明80%或90% 的充电深度对续驶里程的衰减影响并不大。相似的结果也同样在使用超级充电桩的频率上显示出来(表3):使用超级充电桩充电对续驶里程衰减没有明显的影响。

表3 使用超级充电桩对续驶里程衰减的影响

参考

Plug-in America. Battery Survey.

Electrek. Tesla battery data shows path to over 5000,000 miles on a single pack Tesla Model S battery degradation data. Maarten Steinbuch

作者:129Lab

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发表于 2017-5-8 12:27:21 | 显示全部楼层
上周,一则“特斯拉放大招:Model 3行驶48万公里电池组容量仅衰减5%”的新闻被很多人关注,报道了Dalhousie大学的Jeff Dahn教授在3月22日国际电池研讨会上公布的跟特斯拉合作的电池成果,主要是抑制NMC电池在高电压下的有害气体,结果是单体电池循环1200次后还能保持优秀性能,如果把电池单体制成电池组,1200次循环等同于车辆行驶大约30万英里(约48万公里),这意味着以每年行驶2万公里计算,特斯拉车主在连续开24年后电池容量仍然可以达到出厂容量的95%。

更关键的是,Dahn在现场表示,新技术已经实现了商业化,在特斯拉的产品中得到应用。Dahn口中的产品不出意外应该就是今年年初量产的特斯拉松下2170电池了,该电池会首先应用到7月量产的特斯拉Model 3上。虽然一看这个新闻报道的数据就有夸张地成分在里面,暂且不管它,这里来看一下电池老前辈Jeff Dahn在研讨会上到底讲了什么。

对于NMC三元材料,提高工作电压是得到高能量密度的重要方法。但是,工作电压提高之后,电解液会与正极材料发生副反应。Jeff Dahn的这个presentation是在今年3月22日在国际电池研讨会上发表的,题为“Surprising Chemistry in Li-ion Cells”,主要是通过小容量软包电池的实验,分析了电解液和正极材料的副反应产气对电池寿命的影响、以及如何抑制产气的问题。

实验使用软包电池容量很小,在220-240mAh之间,分别由Umicore和中国的LiFun Technology提供未注液的电池,Jeff Dahn课题组可以在电池里加入所需电解液,电解液大约0.9g。常见的用于高电压(4.5V)正极材料的电解液溶剂组合包括:EC+EMC、SL+EMC、FEC+TFEC;而添加剂是高电压正极材料不可或缺的重要组分,比如:VC、PES、MMDS、TTSPi、DTD等(下图是示例)。

用数据说话,特斯拉电动汽车续驶里程和电池衰减解析(二)

下图以1M LiPF6 EC:EMC 3:7作为电解液,然后加入含量为2%的不同添加剂(VC、PES、PES+MMDS+TTSPi),软包电池为NMC442/graphite,充放电电流0.1C,放电截止电压2.8V,充电截止电压分别为4.2V、4.3V、4.4V、4.5V、4.6V、4.7V。可以看到,充电截止电压提高后,电池容量虽然提高了,但是循环性能却下降很快。阻抗图谱显示,2%VC为添加剂时,充电截止电压从4.4V开始,对应电池阻抗就快速增加;2%PES为添加剂时,充电截止电压从4.5V开始,对应电池阻抗就快速增加;2%PES+MMDS+TTSPi为添加剂时,充电截止电压从4.6V开始,对应电池阻抗就快速增加。阻抗的增加造成了电池容量的快速衰减。

用数据说话,特斯拉电动汽车续驶里程和电池衰减解析(二)

为了弄清楚造成阻抗增加的来源,首先作了下列研究:

a) 充电态正极电极和电解液之间的产气

b) 充电态负极电极和电解液之间的产气

c) 充电态软包电池(包括正/负极、电解液)的产气

为了研究单独的正极或负极电极的产气,首先将充满电(4.4V)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(2%VC),然后封装好后再在60摄氏度下存储500小时,同时监测产生的气体。可以看到,Pouch Cell产生的气体不到0.3mL,并且在500小时内气体没有增加;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,并且整个过程没有增加。从这里有个初步的推断,正极NMC产生气体应该迁移到负极Graphite被消耗掉了,这样才能解释为什么Pouch Cell的气体含量很小。

用数据说话,特斯拉电动汽车续驶里程和电池衰减解析(二)

正极产生的气体被负极所消耗的基本过程可以用下图表示。经气相色谱检测,正极产生的气体主要成分是CO2。根据文献报道,CO2在graphite负极反应生成Li2C2O4或者碳酸盐。这也是为什么在pouch cell里面观察的气体含量很小。

用数据说话,特斯拉电动汽车续驶里程和电池衰减解析(二)

搞清楚副反应产气的问题之后,接着研究了pouch cell阻抗增加的来源,主要是采用对称阻塞电极分别测试在60摄氏度下阻抗变化。正/负极电极是从pouch cell、pouch bag中拆解出来的,电解液溶剂还是常见的EC+EMC体系。结果显示,pouch bag中的正极电极阻抗远远大于pouch cell的阻抗,正如上面所提到了,在pouch bag中,产生的气体无法被负极graphite消耗,因此造成了正极界面阻抗增大。有意思的是,当把EC+EMC溶剂换成氟化物溶剂时,比如FEC+TFEC时,发现pouch bag中的正极界面阻抗大幅度较小,接近于pouch cell的阻抗。

用数据说话,特斯拉电动汽车续驶里程和电池衰减解析(二)

以NMC442/Graphite软包电池为例,在40摄氏度、2.8-4.5V循环,电流为C/2.4,分别考察了EC+EMC溶剂体系和FEC+TFEC溶剂体系下的循环寿命,结果显示,FEC+TFEC溶剂体系下的循环寿命更好,其中,以2%PES+1%DTD in FEC:TFEC=1:1的电解液性能最好。

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下图展示了三种NMC正极材料产生的气体情况,对比了NMC表面包覆对产气的影响:NMC442表面包覆材料是LaPO4、NMC532和NMC622表面包覆材料都是Al2O3。结果发现,是否对NMC表面进行包覆并没有对产气产生明显抑制作用,不管是否包覆,正极的产气问题总是比较严重。虽然表面包覆没能阻止产气,但是包覆却改善了pouch bag中的正极的界面,使得正极界面阻抗大幅下降。

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从上面的分析可以看到,要想提高循环性能,最重要的是要预防NMC产气。下面进一步分析了不同NMC的产气情况。这里的NMC材料有:2种改进的NMC(improved NMC,可惜不知道这种NMC材料的具体信息),NMC532+Coating A;NMC532+Coating B;NMC662+Coating A;NMC662+Coating B。从产生的气体量来看,NMC662+Coating A产气最多,而2种improved NMC材料没有任何气体产生。TGA/MS分析进一步显示,improved NMC在4.5V、200摄氏度之前没有任何气体产生。因此,采用这种improved NMC应该可以在在较高充电电压下得到很好的循环性能。

用数据说话,特斯拉电动汽车续驶里程和电池衰减解析(二)

下图就是采用improved NMC得到的循环性能。还是采用前面所说的220mAh-240mAh的小容量软包电池做的测试,电压范围3.0-4.4V,温度40摄氏度,电流0.4C,正极材料分别对比了NMC442和improved NMC。当采用NMC442时,不含EC的电解液得到的性能要优于EC+EMC+PES221,但是相比improved NMC要差很多。对improved NMC,以PES211为添加剂的FEC+TFEC电解液体系得到了最好的循环性能,1200次循环衰减仅为5%。

用数据说话,特斯拉电动汽车续驶里程和电池衰减解析(二)

上面就是Jeff Dahn在研讨会上所作的演讲内容概述,研究了NMC产气对循环性能影响,以及电解液体系、添加剂和NMC种类不同对循环性能的影响,最后找到了一种improved NMC材料,消除了产气问题,提高了电池循环性能。结合开头的新闻报道,1200次循环保持95%的容量似乎就出自这个研讨会上的学术研究成果。这个猜想在electrek的报道中得到了证实。Electrek评论说,电池包1200次循环大致相当于48万km。虽然无法知道1200次循环如何能换算出48万公里,但是这个评论里面隐含了非常理想化的假设前提:即实验室的小电池性能能够完美的在量产动力电池系统上复制。实际上,从事电池研究的人都知道,这个难度是极大的,用一个220mAh-240mAh的实验电池数据去等效说明48万公里后电池包容量衰减程度是极其不合理的。

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下图是国外Dutch-Belgium Tesla论坛的Model S 车主们根据收集的数据作的一个统计,Y轴表示经过若干次循环之后,车子充满电还能跑多远,考虑到续驶里程的衰减是直接与电池包能量相关的,因此续驶里程的衰减也反映出电池的衰减。X轴是通过一些平均值近似和假设后换算得到的循环次数。从红色趋势线来看,500次循环之后,续驶里程衰减7-8%左右,800次后,续驶里程衰减约11%。相比于1200次循环电池包容量衰减5%,似乎这个Model S的统计数据要更接地气一点。

用数据说话,特斯拉电动汽车续驶里程和电池衰减解析(二)

参考

https://36kr.com/p/5073616.html

Electrek. Tesla battery researcher unveils new chemistry to increase lifecycle at high voltage.

Surprising Chemistry in Li-ion cells.

Jeff Dahn et al. International battery Seminar & Exhibit. March 20-23, 2017– Fort Lauderdale

作者:129Lab

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厉害,那搞来这么多?
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发表于 2017-5-8 13:10:38 | 显示全部楼层
特斯拉 采用了 改良 的NMC 三元材料 。抛弃了以前的NCA
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多谢科普

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楼猪信息量好大

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cj168312 发表于 2017-5-8 23:06
楼猪信息量好大

的确很大

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你老是盯着我干什么。。。

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cj168312 发表于 2017-5-9 01:09
你老是盯着我干什么。。。

因为哪里都可以看到你

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