比特斯拉更先进?通用或许走到了电池领域的最前面

在电池研发领域,通用比特斯拉更先进?

从2014年至今,在过去7年里,市场上凡是成功量产化的电动汽车,其续航里程都在不断提高:2014-2017年主流续航基本都在150公里,到了2018年主流车型续航里程就有250-350公里了,到了2019年,这个数字就变成了350-450公里,而在2021年的今天,20万以内车型都可以有600公里的续航。

这么快的续航提升速度的背后,是车企们这几年致力于提升续航的结果。而提升续航的办法,大方向上无外乎两种:A、增加电池电量;B、提高电机效率。

但是对车企们来说,现在电机95%-96%的工作效率几乎高到天花板,很难再有突破。所以当这两个方案摆在面前时,车企们往往都是选择方案A。

比特斯拉更先进?通用或许走到了电池领域的最前面

虽然这几年通过增加电池电量很有效,但其实传统车企没有做好准备,就像面对数码相机普及的柯达一样,传统车企们拿不出更好的办法,想要像特斯拉那样走完从平台搭建到产品设计生产的整套流程也不大可能,所以传统车企们都选择了一个耗时更短,上架更快的方法,也就是我们熟悉的“油改电”。他们直接拿来消费者耳熟能详的燃油车型的图纸,将原本动力总成的部分换成了三电系统。

而增加续航,就是在这套燃油车平台上尽可能想办法安置更多的电池。然而一台车的空间终究是有限的,为了安全考虑,留给电池的空间其实并不多。

所以从2013年到2018年,大部分传统车企的电动汽车都有“油改电”的影子,而这些“油改电”都有一个缺点,就是续航里程实在太短。从150km到300km的水平,这样的续航里程显然无法解决用户的焦虑。

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为什么“油改电”的续航能力都那么弱?因为“油改电”的底盘结构是按照燃油车的特点设计的,设计的时候并没有考虑到能否装上更多电池,所以改成纯电车以后,空间也没法得到充分利用。

正是因为“油改电”的底盘设计“不科学”的原因,不少车企剑走偏锋搞起了“异形电池”,例如2019款荣威ei5,这款车的后排就要比前代车型高出不少。

后排座椅增高了,后排乘客的舒适度明显会受影响,可这也是没有办法的办法,因为荣威ei5为了装下更多电池,将续航里程从301km提升到420km,作为代价,就只能让后排乘客在舒适程度上作出了让步。

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在意识到“油改电”的局限性以后,不少车企选择开发纯电平台,而这些开发纯电平台的车企中,比较早就拿出纯电平台产品的,就包括2014年进入国内的特斯拉,2017年推出小蚂蚁的奇瑞新能源以及2018年推出蔚来ES8的蔚来汽车。

说起纯电平台,我们要知道它最大的优势就是能结合动力电池的特点来设计车辆的底盘,让车内空间得到充分利用。就像专业的整理师能让你的柜子装下更多衣物一样,纯电平台能让一台车尽可能装下更多的动力电池。

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如果没有推出纯电平台就去造电动汽车,车企们会有怎样的后果?极星2的故事也是一个例子。作为沃尔沃汽车CMA混动平台打造的车型,虽然最初考虑了安放电池,但作为非纯电平台的极星2即使加高了底盘,用了异形电池,搭载电池的电量依旧赶不上特斯拉Model 3。

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当车企们都用起纯电平台后,车辆的续航表现想要再有提升的话,又要重新回到“做加法”的阶段,但是和之前不一样,这时候车企要做的不是增加电池数量,而是提升电池的能量密度。

说白了就是在原有的空间里,尽可能想办法通过削减其他零配件占的体积,来为电芯让出更多的空间。

这一套思路典型的产物,就是宁德时代开发的行业首创的CTP技术。CTP技术英文全称是Cell To Pack,宁德时代给它取的中文名叫做“无模组电池”。

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传统的动力电池由电芯(cell)——模组(modules)——整包(Pack)来组成,CTP技术简化了电池的模组结构,把电池组成方式变成了电芯(Cell)直接集成(to)成整个电池包(Pack),将电池包体积利用率提高了15%到20%,同时让零部件数量减少了40%,生产效率提升了50%。

比亚迪呼声很高的刀片电池,其实用的就是“磷酸铁锂+CTP”的形式。

除了CTP,还有不少车企正在CTC(Cell to Chase)的方向上寻求突破,因为CTC能让厂家像小朋友组装四驱车玩具一样,将电池直接装在底盘上,连电池包(PACK)都省去了。

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有意思的是:对于使用圆柱电芯的特斯拉来说,走的是另一条路线——由于圆柱体之间仍然有空隙,为了提高车辆的空间利用率,外加节省成本,就把18650电池升级成了直径更大的21700电池,并一直在进行4680电池的开发。

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特斯拉能够把一个我们平常见到的18650电池在车上用到极致,这和从一开始工程师考虑了方方面面都有关系——不仅是电池结构紧凑,就连特斯拉的电机,在功率差不多的情况下,体积也小于很多竞争对手。而这都是为了让内部空间得到更充分的利用,从而能将很多部件集成起来。

因为马斯克看透了最本质的事情——提升续航里程所依靠的电池电量,必须要尽可能从有限的空间中挖掘出来。

不过CTC技术也好,4680电池也好,看上去它们已经达到了挖掘空间的极限。

但让我没想到的是,通用汽车最近发布的一个操作,把“挖掘电池空间”这件事推向了另一个极限——在通用自己新发布的Ultium平台上,为了给搭载更多电芯创造空间,从而提升能量密度,通用在电池整包层面减少了90%的低压线束。

——通用之所以能减少90%的线束,是因为工程师们把原本低压线束承担的通讯功能,交给了无线模块去解决。说白了就是通用的BMS信号,会由无线的方式去工作。

这在降低整包重量的同时,还有助于提升续航里程,也为搭载更多电芯创造了空间,有利于提升能量密度。同时,更少的硬线连接和接插件使用也将带来更低的故障率,提升系统安全性。

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在电池的空间基本已经压榨到了极限的情况下,通用的工程师却想到了还可以去掉一些线束来给电池腾出更多的空间,这个创举确实太妙了,真有点“第一原理”的味道了。

不过一提到“无线”,很多人联想到的可能是自己打王者荣耀、“吃鸡”时突然网络卡顿,从而功败垂成的不好体验,因此对于无线BMS的可靠性,多多少少有所顾虑。

这个问题通用的工程师早就考虑过。

为了解决模块之间通信稳定性的问题,工程师为Ultium 的无线BMS准备了三个机制。

首先是自适应随机跳频技术:当识别到当前通讯频段出现干扰时,无线主节点芯片会判断下一个时间窗口的通讯频段(非固定频段顺序),判断好后会通知从节点芯片,两个芯片就一起自动改变到了不受干扰的频段,从而避免了干扰。

而这个过程是可以自主学习的,即能通过算法识别出高堵塞信道,有意降低该信道占用率。

然后是自适应Mesh(网状)+Star(星状)混合网络架构的应用。

这个看起来很玄乎的东西,作用是当有的电池模组与BMS的无线通讯出现异常时,这个模组可以通过借助旁边的模组来通信,从而完成通讯功能。说白了就是每一个模组,都可以帮助其他模组参与通讯,这样单个模组失效的几率就非常小了。

最后就是时间戳及数据重传机制

这个机制主要有两个作用,一个是无线BMS的通信时间由一个主节点统一安排,这样就避免了众多模块一起通讯造成无序混乱的问题,另一个是万一某个模块数据传输失败,主节点也会安排这个模块多次尝试传输数据,从而保证了数据的稳定性。

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——通过这三个机制,通用的工程师们最大限度避免了无线通讯网络可能会受外部频段内/外的无线噪声干扰以及内部系统中其他节点信道占用导致的通信数据丢失,让这个技术可以实际应用在了车上

有了无线BMS以后,通用能让自家的电动汽车装下更多动力电池,并且让电池能量密度的提升有了更多可能。除此之外,更多的电池内部空间,不仅便于布置更多防热扩散的专利设计,能加入更多防撞横梁,大幅提升了三电系统的安全性。

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更多防撞横梁?

说到这个,不得不提的是前面更为普遍使用的CTP技术也难免会有劣势。

CTP最明显的一个弊端就是电池包的物理防护结构,从碰撞层面来看,CTP的强度确实要比“非CTP”的弱了一些。而搭载无线BMS技术的平台,凭借更多防撞横梁的优势,理论上安全性会比CTP车型要更好。

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比起传统的有线BMS,通用发布的无线BMS还有更多值得关注的优势:

比如无线BMS让电芯更方便地支持不同的化学配方、电芯封装形式、排列组合,要是以后原材料再涨价的话,厂家们也能更快地用上价格更实惠的替代品。

比如无线BMS让电芯技术实现了升级换代,以往电芯存在的那些问题都被很好地克服。

比如无线BMS让每个模组都能在尺寸上保持一致,不论替换还是升级都更加方便,厂家能像拼乐高一样,用单独的电池模组组成大小不一的电池包。

比如无线BMS的底层架构能像电脑软件一样及时更新换代,同时带来装配工艺的革新,此外还能让动力电池得到更好地回收与二次梯度利用。

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靠着无线BMS,Ultium纯电平台让我们看到了通用汽车在新能源赛道上的不俗实力。靠着Ultium,如今的通用汽车在电池包这块的技术,可能已经走在了特斯拉的前面。

而能体现到Ultium平台技术的时间也越来越近:到了明年,在上汽通用旗下的凯迪拉克Lyriq车型上,我们就能体验到Ultium平台技术,而根据官方的消息,凭借着Ultium平台,未来通用旗下的车型电池容量理论上可以在50-200kWh之间调配,这就意味着只要通用想做,给一台车搭载200kwh电池,使续航突破1000km其实根本不是什么难事。

通用能做到无线BMS,而这就引发了我更大的遐想——汽车总装这道工序无法全自动化最大的原因就是柔性的线束,这些柔软的线束很难用机械臂让其固定为某一个形态以便于安装,特斯拉曾经陷入生产地狱也是因为马斯克过于激进希望能够全自动化生产。

而通用的无线BMS技术,至少从理论上已经通过解决“提出问题的人”的方式克服了线束的问题,那么如果通用能把这项无线技术延展到整个车的大部分电子电气架构并能保证稳定,那就意味着通用可能会是第一个做到整车100%自动化生产的企业。

通用到底能不能做到?让我们拭目以待。

第一电动网

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