特斯拉电池续航能力强而循环寿命不高的原因是什么？
来源：宝鄂实业
2019-06-20 11:24
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目前业内对电池的主要关注点是，要降低电池的成本，提高电池的容量，同时又希望电池的寿命不要降低太多，能够满足消费者日常的使用。听上去十分有理想。
如果你看到电池某一方面的性能特别强，你一定要反思一下，它付出的代价到底是什么。
在动力电池的性能上，我们目前最看重的是能量密度和寿命，其次就是充放电的速度和对温度的响应。能量密度提高，通常的代价是电池的循环寿命会变差，充放电速度也会变差。
比如说，和比亚迪的磷酸铁锂电池比起来，特斯拉的电池的确能量密度更高，但是它的循环寿命和磷酸铁锂却有两倍左右的差距。
特斯拉 18650 和宝马 i3 电池的循环寿命对比
等等。特斯拉不是续航里程高，电池能量密度高，可以慢充也可以快充，同时衰减得也很慢吗。
你看图中的这条曲线，在行驶 20 万公里之后，特斯拉的续航里程还能保持在初始续航里程的 90% 到 95% 之间。这是来自 286 位 Model S 车主的统计数据。在图中，车主用他们可计量的单位「续航里程」来评估电池的衰减情况。
这个没有问题。只是，续航里程代表的是在一次充放电过程中车辆所能行驶的距离。而循环寿命代表的是在一个电池有效的生命周期里，可以充放电多少次。
我们来做一个粗略的数学题。同样跑 20 万公里，特斯拉充放电一次跑 500 公里，跑完全程需要充放电 400 次。其他电动车充放电一次跑 200 公里，跑完全程需要充放电 1000 次。
简单说，就是电池生命周期总续航 = 单次续航里程 ✖️ 循环寿命。也就是说，尽管特斯拉电池的循环寿命并没有那么优秀，但是它一次充放电可以跑的续航里程高，则在电池生命周期里，特斯拉能跑的总续航里程是可以比对手更高的。
所以，我们看到的结果是，特斯拉的电池不易于衰减这件事被车主们广为称道。但是，这并不代表特斯拉电池的循环寿命更高。
电池结构是参透循环寿命的关键问题
电池的循环寿命是怎么被影响的呢？首先，我们来看电池是怎么充放电的。
锂离子电池的放电过程
锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的运动过程。从学术上来说，锂离子主要做两个运动，一个叫嵌入，一个叫脱出。
锂离子是嵌在电池结构中的，在每次运动过程中，锂离子都要从原来的结构中脱身，跑到另外一边。张华打了个比方，这有点像你从一个房间搬运一堆东西到另一个房间。
不管是放电还是充电，锂离子都是从电池的一极跑到另外一极。
对电池寿命的认识，要建立在对电池结构认识的基础上。在充放电过程中，每一次参与运动的锂离子越少，对结构的破坏越小。每一次参与运动的锂离子跑得越慢，对结构的破坏也越小。如果锂离子跑得差不多了，还要持续从里面抽取锂离子，对电池就会有损伤。
结构越不稳定，被破坏得越多，循环寿命自然就会变差。所以，我们通常强调，锂离子电池的充放电要浅充浅放，不要挑战电池的「极限」。
其次，我们来关心材料。不同的电极材料有不同的电池结构。我们通过改变电极的材料比例来提高电池的能量密度的时候，电池的循环寿命也在发生变化。比如，特斯拉的 NCA 电池就比比亚迪的磷酸铁锂电池循环寿命更差。
而特斯拉在 21700 电池上应用硅碳负极，硅加得越多，电池结构越容易被破坏，循环寿命就越容易受到影响。电极材料对寿命的影响，也建立在电池结构上。
最后，温度也是一样。零度以下的低温也会对电池的结构带来负面影响，甚至是永久损伤。
因此，充放电过程（深度/速度）、电池材料以及温度这三个因素，都可以通过对电池结构的影响，影响电池的循环寿命。
说到这里，我们顺便可以理解一下电池管理系统的作用。电池管理系统的核心目的就是为了保障电池在性能和寿命上的稳定。所以，电池管理系统主要做两件事，一个管理内部环境与外界的交互，也就是管理电池的充放电过程。一个管理外部环境与电池的交互，也就是温度（热）管理。
有人说，车辆上表显数据显示电池消耗为 0 了，但是车还能再跑一会儿，这也是防止电池放电深度过高的一种管理。
大电池在充放电过程中可以更任性一点
那电池究竟充放电多少比较合适呢？
我们来认识三个词。一个是 SoC（State of Capacity），表示电池的当前容量。一个是 DoD（Depth of Discharge），表示电池放电的深度。还有一个是 C（Current），表示电池充放电的倍率。
深度和速度，是充放电过程中的重要影响因素。
SoC 和 DoD
首先来看深度。
电池放电的深度是跟整个电池的容量有关的。比如说特斯拉的电池是 90 度电，其他电动车 45 度电。同样开百公里 5 秒，特斯拉用了 0.1% 的电池容量，其他电动车用了 0.2% 的电池容量，对电池的伤害程度是不同的。
放电深度对循环寿命的影响，来源: Stephen Grinwis ；也就是说，深度考察的不是绝对数值，而是容量比例。大电池在这里占了一定的优势。
而在速度上，充放电的倍率越高，所需要的时间就越短，循环寿命也会越短。在同一辆车上，迅速地启动，和缓慢地启动，对电池的消耗是不一样的，损伤也是不一样的。快速加速，相当于电池快速地放电。
那我们期待的快速充电对电池是不是有损耗呢？肯定有，但我们更关心的问题是，这个损耗有多大。
如果一般充电桩慢充的循环寿命是 700 次，相匹配的快充的循环寿命是 500 次，对正常用车影响不会特别大。如果慢充的循环寿命是 700 次，快充的循环寿命是 100 次，那强推快充就没有太大意义了。这也是为什么不建议用充 Macbook 的电源去充 iPhone 的原因。
而谈到不同的车型，由于特斯拉电池大，在同样的加速度下，电流更小，相当于是一次慢放过程。从慢放的角度来说，电池衰减得更慢。
如果在这个基础上，把电池的充放电速度提升 25% 。那么特斯拉的 25% 增速是 0.1% 的 25% ，其他电动车的 25% 增速是 0.2% 的 25% ，结果是不同的。
在驾驶过程中，同样一次充放电过程，特斯拉消耗的电池容量比例低，进而降低了循环寿命的负面影响。所以说，特斯拉用大电池，弥补了循环寿命的缺点。尽管特斯拉电池可用的次数少，但是它跑得远啊。这也是为什么，尽管特斯拉循环寿命不高，但是用户在感知上认为特斯拉的电池是足够使用的。
这就是在和张华交流的过程中，让我感受最深的一点。
看上去特斯拉所采用的 NCA 电池有很多短板，然而特斯拉通过电芯数量的堆积克服了电池性能上的短板。我们以为做的是加法，但这却不是你以为的那种简单的加法。
当然，张华并不推崇盲目提高电池续航，牺牲电池其他性能的做法。毕竟，电池续航数字是最容易被评估的，而对电池的其他性能则需要车主们付出大量时间才能体验到。
只是，在目前的充电环境下，在撬动车主对电动车的兴趣下，续航是一个无法避开的问题。除非，我们要探索其他的新能源，这个话题下次可以继续聊。
最后，张华的建议是，电池的充放电深度通常在 20% 到 80% 之间比较好。
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）。
传统企业的工程师出来反驳，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，今天主要来谈电池。
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。
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。
