特斯拉汽車(chē)續駛里程和電池衰減解析

Plug-in America通過(guò)問(wèn)卷調查的形式收集了來(lái)自世界各地Model S車(chē)主的數據，這些數據可以在一定程度上用于分析Model S電池的衰減問(wèn)題。這些數據都是收集自不同地區不同車(chē)主的車(chē)輛儀表顯示數據。

圖1是根據收集的數據得到的Model S的額定續駛里程rated range和里程表odometer讀數的關(guān)系曲線(xiàn)。圖中，Y軸rated range數據是直接從車(chē)上儀表讀到的：將車(chē)子完全充滿(mǎn)電之后，車(chē)子會(huì )顯示一個(gè)rated range數值，表示充滿(mǎn)電之后車(chē)子可以行使的里程數，這在美國和加拿大常用EPA里程來(lái)表示（在其他國家可能采用NEDC表示）。這里也沒(méi)有測量實(shí)際電池可以放出的容量，而是在完成充電后，用儀表顯示的rated range來(lái)等效電池容量進(jìn)行分析（因為如果儀表上顯示的rated range降低，說(shuō)明電池也有衰減了）。X軸是車(chē)子的里程表odometer顯示的數值，使車(chē)輛累積的總里程數。圖中的不同顏色表示不同Model S的車(chē)型，相同車(chē)型由于配置不同、駕駛路況/習慣等不同，即使在相同電池包容量下，range也會(huì )不一樣。例如，圖中配備85kWh電池的車(chē)型就有85、85P、P85D三種，對應range也不一樣（有些在BMS里面通過(guò)軟件來(lái)限制電池可用能量）。圖中的散點(diǎn)是收集的不同Model S車(chē)輛不同年份的上述兩個(gè)數據（rated range vs. odometer），實(shí)線(xiàn)是條趨勢線(xiàn)。需要注意的是：這些數據中的電池包有些是中途已經(jīng)更換過(guò)電池包或其他零部件的。另外這些數據點(diǎn)只反映了里程數據，并沒(méi)有反應出使用時(shí)間。

圖1 Model S續駛里程和里程表讀數

這里我們看一下圖中里程表數值顯示最大的一輛車(chē)（vehicle ID 291#），其odometer里程數為161591mile，換算成公里數為~26萬(wàn)公里，這已經(jīng)超過(guò)了通常汽車(chē)要求的10year/150k mile的壽命要求。這里我們看一下實(shí)際這輛車(chē)子是什么情況：車(chē)主來(lái)自德國米內爾斯塔特Münnerstadt，車(chē)型是2013 Model Year Model S Signature 85 Performance（P85D）。截止到2016年的里程表讀數~26萬(wàn)公里（161591英里，三年開(kāi)這么多公里數，車(chē)主是個(gè)重度汽車(chē)使用者了），70%是highway，30%是freeway，rated range為245miles，三年期間可行使里程衰減大約為~3%（以253mile作為P85D的基準數據）。但是需要注意的是，該車(chē)在三年內換過(guò)一次電池包、一次車(chē)載充電機、四次傳動(dòng)裝置drive unit，該車(chē)的質(zhì)量不太好。

另一輛vehicle ID為130#的2012 Model Year的Model S Signature 85 Performance，該車(chē)沒(méi)有更換過(guò)零部件，截止到2015年7月，3年多時(shí)間內，里程表讀數為2.0902萬(wàn)英里，大約3.34萬(wàn)公里，65%為highway，45%為freeway，該車(chē)的rated range沒(méi)有看到衰減。

下面我們看一下另一個(gè)同樣2013 Model Year的Model S Signature 85 Performance車(chē)子（vehicle ID 249#），截至2017年3月28日，里程表顯示14.2775萬(wàn)英里，大約22.8萬(wàn)公里（其中85%是highway，15%是freeway），4年時(shí)間內rated range大約衰減~6%。其間，電池包沒(méi)有更換過(guò)，但是drive unit更換過(guò)四次。

但是也有一些車(chē)主的數據顯示較大的衰減。例如，vehicle ID為339#的2013 Model Year Model S Signature 85 Performance車(chē)子，截止到2015年7月，里程表讀數為3.492萬(wàn)英里，約5.6萬(wàn)公里，rated range為228mile，highway里程占據10%，freeway里程占據了90%，其間沒(méi)有更換過(guò)零部件，兩年時(shí)間內續駛里程衰減約為~10%。另一個(gè)Vehicle ID為505#的2014 Model Year， 截止到2016年7月的rated range為202mile，highway占據25%，freeway占據75%，其間還更換過(guò)一次充電機和一次drive unit，兩年時(shí)間左右rated range衰減約20%，這個(gè)衰減是比較嚴重的。

圖2 Model S充電后的續駛里程數和總里程數關(guān)系

國外Dutch-Belgium Tesla論壇的Tesla車(chē)主們也作了類(lèi)似的Model S數據收集（圖2）。這里的Y軸是Remaining Range，X軸是Mileage。與Plug-in America的數據相比，雖然X/Y軸名稱(chēng)不一樣，但是兩者所表示的含義是一樣的。這里X軸的Mileage也是車(chē)輛里程表讀數（Plug-in America用odometer表示），Y軸remaining range也是在充滿(mǎn)電之后顯示預估行駛里程（Plug-in America用rated range表示）。如果僅僅看統計的趨勢曲線(xiàn)，似乎可以看到Model S的續駛里程衰減很小的，累計行駛6萬(wàn)公里后，續駛里程衰減僅為5%， 10萬(wàn)公里衰減6%左右，20萬(wàn)公里衰減8%左右。這里我們只能看到續駛里程的變化數據，并看不到電池實(shí)際能量的變化以及這些參數對應的時(shí)間。下面我們具體看幾組其它數據（表1），可以看到圖2背后的其他一些信息。

表1 US和Asia Pacific/Europe Model S用戶(hù)數據

例如，在US地區收集到數據中，截止目前為止，ID 124#的車(chē)主提供的里程表讀數最大，為11.14萬(wàn)英里，大約17.8萬(wàn)公里，時(shí)間為2014年3月-2017年3月，整3年時(shí)間，車(chē)型為Model S 85。截止2017年3月，該車(chē)充滿(mǎn)電之后的rated range為251.14mile，對應72.345kWh，跟新車(chē)相比，三年時(shí)間續駛里程衰減6.6%%，但是電池能量衰減大約15%（假設85kWh為基準）。之前Jason Hughes從Tesla的BMS破解中發(fā)現，85/P85/85D/P85D（http://www.d1ev.com/50258.html）車(chē)型的電池實(shí)際總能量為81.5kWh，BMS將能量限制在77.5kWh，如果這屬實(shí)的話(huà)，那按照81.5kWh計算，能量衰減約為11%，按照77.5kWh計算，能量衰減為6.6%

ID 5#的車(chē)主提供的數據是2015年5月28日，該車(chē)是2015年5月7日生產(chǎn)的Model S P85D，是眾多數據樣本中時(shí)間最短的。在21天的時(shí)間內，該車(chē)的里程表讀數增加到1061mile，5月28日充滿(mǎn)電之后顯示的里程數為253mile，對應電池能量讀數76.593kWh，在21天時(shí)間內，續駛里程大約衰減1.2%，電池能量衰減~10%，以81.5kWh計算為6%，按照77.5kWh計算能量衰減為1%。

ID 128#的車(chē)主提供了Model S P85截止2017年4月14日的數據，里程表讀數6.6萬(wàn)mile，充滿(mǎn)電之后的行駛里程為247.09mile，對應顯示得電池能量為71.192kWh。該車(chē)生產(chǎn)時(shí)間是2012年12月31日，在4.5-5年的時(shí)間內，該車(chē)可行駛里程衰減~8%，電池能量衰減大約16.2%，以81.5kWh計算為12.6%，以77.5kWh計算能量衰減為~8%

ID 51#的車(chē)主提供的是Model S 60截止到2015年10月的數據，里程表讀數1.6217萬(wàn)mile，充滿(mǎn)電后里程為176.2mile，對應電池能量49.555kWh，該車(chē)生產(chǎn)時(shí)間是2014年6月，在1年多時(shí)間內，行駛里程衰減~15%，按照60kWh計算，能量衰減17.4%，按照Jason Hughes破解發(fā)現的Model S 60 電池實(shí)際容量為61kWh計算的話(huà)，1年多能量衰減為19%，如果按照BMS限制的電池能量58.5kWh計算的話(huà)，1年多能量衰減為15%。

來(lái)自亞歐區的Model S P85車(chē)主提供了一份里程表讀數最大的數據，為235k英里，時(shí)間是從2013年9月10日到2017年3月23日，充滿(mǎn)電后的里程為366.68kmile，對應電池能量71.029kWh。大約3.5年時(shí)間左右，充電后的續駛里程衰減大約為8.3%，電池能量衰減16.4%（按照85kWh計算），按照77.5kWh計算能量衰減為8.3%。

從這面這些數據可以發(fā)現：充滿(mǎn)電之后的續駛里程衰減量并沒(méi)有與宣稱(chēng)的電池能量（label nominal energy）衰減量一致，而是與之前Jason Hughes破解BMS發(fā)現的受軟件限制的電池能量（BMS_ restrained energy）衰減量保持一致的。

表2 每天充電深度對續駛里程的影響

表2是統計的269位Model S用戶(hù)每天采用的不同充電深度（充滿(mǎn)50%-100%）對續駛里程的影響。大多數用戶(hù)選擇了充電充到80%或90%，對應充電后的續駛里程數據將近50% 左右分布在圖2趨勢線(xiàn)之上，說(shuō)明80%或90% 的充電深度對續駛里程的衰減影響并不大。相似的結果也同樣在使用超級充電樁的頻率上顯示出來(lái)（表3）：使用超級充電樁充電對續駛里程衰減沒(méi)有明顯的影響。

表3 使用超級充電樁對續駛里程衰減的影響

上周，一則“特斯拉放大招：Model 3行駛48萬(wàn)公里電池組容量?jì)H衰減5%”的新聞被很多人關(guān)注，報道了Dalhousie大學(xué)的Jeff Dahn教授在3月22日國際電池研討會(huì )上公布的跟特斯拉合作的電池成果，主要是抑制NMC電池在高電壓下的有害氣體，結果是單體電池循環(huán)1200次后還能保持優(yōu)秀性能，如果把電池單體制成電池組，1200次循環(huán)等同于車(chē)輛行駛大約30萬(wàn)英里（約48萬(wàn)公里），這意味著(zhù)以每年行駛2萬(wàn)公里計算，特斯拉車(chē)主在連續開(kāi)24年后電池容量仍然可以達到出廠(chǎng)容量的95%。

更關(guān)鍵的是，Dahn在現場(chǎng)表示，新技術(shù)已經(jīng)實(shí)現了商業(yè)化，在特斯拉的產(chǎn)品中得到應用。Dahn口中的產(chǎn)品不出意外應該就是今年年初量產(chǎn)的特斯拉松下2170電池了，該電池會(huì )首先應用到7月量產(chǎn)的特斯拉Model 3上。雖然一看這個(gè)新聞報道的數據就有夸張地成分在里面，暫且不管它，這里來(lái)看一下電池老前輩Jeff Dahn在研討會(huì )上到底講了什么。

對于NMC三元材料，提高工作電壓是得到高能量密度的重要方法。但是，工作電壓提高之后，電解液會(huì )與正極材料發(fā)生副反應。Jeff Dahn的這個(gè)presentaTIon是在今年3月22日在國際電池研討會(huì )上發(fā)表的，題為“Surprising Chemistry in Li-ion Cells”，主要是通過(guò)小容量軟包電池的實(shí)驗，分析了電解液和正極材料的副反應產(chǎn)氣對電池壽命的影響、以及如何抑制產(chǎn)氣的問(wèn)題。

實(shí)驗使用軟包電池容量很小，在220-240mAh之間，分別由Umicore和中國的LiFun Technology提供未注液的電池，Jeff Dahn課題組可以在電池里加入所需電解液，電解液大約0.9g。常見(jiàn)的用于高電壓（4.5V）正極材料的電解液溶劑組合包括：EC+EMC、SL+EMC、FEC+TFEC；而添加劑是高電壓正極材料不可或缺的重要組分，比如：VC、PES、MMDS、TTSPi、DTD等（下圖是示例）。

下圖以1M LiPF6 EC:EMC 3:7作為電解液，然后加入含量為2%的不同添加劑（VC、PES、PES+MMDS+TTSPi），軟包電池為NMC442/graphite，充放電電流0.1C，放電截止電壓2.8V，充電截止電壓分別為4.2V、4.3V、4.4V、4.5V、4.6V、4.7V?？梢钥吹?，充電截止電壓提高后，電池容量雖然提高了，但是循環(huán)性能卻下降很快。阻抗圖譜顯示，2%VC為添加劑時(shí)，充電截止電壓從4.4V開(kāi)始，對應電池阻抗就快速增加；2%PES為添加劑時(shí)，充電截止電壓從4.5V開(kāi)始，對應電池阻抗就快速增加；2%PES+MMDS+TTSPi為添加劑時(shí)，充電截止電壓從4.6V開(kāi)始，對應電池阻抗就快速增加。阻抗的增加造成了電池容量的快速衰減。

為了弄清楚造成阻抗增加的來(lái)源，首先作了下列研究：

a） 充電態(tài)正極電極和電解液之間的產(chǎn)氣

b） 充電態(tài)負極電極和電解液之間的產(chǎn)氣

c） 充電態(tài)軟包電池（包括正/負極、電解液）的產(chǎn)氣

為了研究單獨的正極或負極電極的產(chǎn)氣，首先將充滿(mǎn)電（4.4V）的軟包電池pouch cell拆開(kāi)，取出正極極片NMC442和負極極片Graphite，然后再將正/負極極片分別封裝在鋁塑膜袋pouch bag中，并加入相應電解液和添加劑（2%VC），然后封裝好后再在60攝氏度下存儲500小時(shí)，同時(shí)監測產(chǎn)生的氣體?？梢钥吹?，Pouch Cell產(chǎn)生的氣體不到0.3mL，并且在500小時(shí)內氣體沒(méi)有增加；pouch bag + NMC442產(chǎn)生的氣體從大約0.3mL上升到0.8mL；pouch bag + Graphite產(chǎn)生的氣體大約是0.05mL，并且整個(gè)過(guò)程沒(méi)有增加。從這里有個(gè)初步的推斷，正極NMC產(chǎn)生氣體應該遷移到負極Graphite被消耗掉了，這樣才能解釋為什么Pouch Cell的氣體含量很小。

正極產(chǎn)生的氣體被負極所消耗的基本過(guò)程可以用下圖表示。經(jīng)氣相色譜檢測，正極產(chǎn)生的氣體主要成分是CO2。根據文獻報道，CO2在graphite負極反應生成Li2C2O4或者碳酸鹽。這也是為什么在pouch cell里面觀(guān)察的氣體含量很小。

搞清楚副反應產(chǎn)氣的問(wèn)題之后，接著(zhù)研究了pouch cell阻抗增加的來(lái)源，主要是采用對稱(chēng)阻塞電極分別測試在60攝氏度下阻抗變化。正/負極電極是從pouch cell、pouch bag中拆解出來(lái)的，電解液溶劑還是常見(jiàn)的EC+EMC體系。結果顯示，pouch bag中的正極電極阻抗遠遠大于pouch cell的阻抗，正如上面所提到了，在pouch bag中，產(chǎn)生的氣體無(wú)法被負極graphite消耗，因此造成了正極界面阻抗增大。有意思的是，當把EC+EMC溶劑換成氟化物溶劑時(shí)，比如FEC+TFEC時(shí)，發(fā)現pouch bag中的正極界面阻抗大幅度較小，接近于pouch cell的阻抗。

以NMC442/Graphite軟包電池為例，在40攝氏度、2.8-4.5V循環(huán)，電流為C/2.4，分別考察了EC+EMC溶劑體系和FEC+TFEC溶劑體系下的循環(huán)壽命，結果顯示，FEC+TFEC溶劑體系下的循環(huán)壽命更好，其中，以2%PES+1%DTD in FEC:TFEC=1：1的電解液性能最好。

下圖展示了三種NMC正極材料產(chǎn)生的氣體情況，對比了NMC表面包覆對產(chǎn)氣的影響：NMC442表面包覆材料是LaPO4、NMC532和NMC622表面包覆材料都是Al2O3。結果發(fā)現，是否對NMC表面進(jìn)行包覆并沒(méi)有對產(chǎn)氣產(chǎn)生明顯抑制作用，不管是否包覆，正極的產(chǎn)氣問(wèn)題總是比較嚴重。雖然表面包覆沒(méi)能阻止產(chǎn)氣，但是包覆卻改善了pouch bag中的正極的界面，使得正極界面阻抗大幅下降。

從上面的分析可以看到，要想提高循環(huán)性能，最重要的是要預防NMC產(chǎn)氣。下面進(jìn)一步分析了不同NMC的產(chǎn)氣情況。這里的NMC材料有：2種改進(jìn)的NMC（improved NMC，可惜不知道這種NMC材料的具體信息），NMC532+CoaTIng A；NMC532+CoaTIng B；NMC662+CoaTIng A；NMC662+Coating B。從產(chǎn)生的氣體量來(lái)看，NMC662+Coating A產(chǎn)氣最多，而2種improved NMC材料沒(méi)有任何氣體產(chǎn)生。TGA/MS分析進(jìn)一步顯示，improved NMC在4.5V、200攝氏度之前沒(méi)有任何氣體產(chǎn)生。因此，采用這種improved NMC應該可以在在較高充電電壓下得到很好的循環(huán)性能。

下圖就是采用improved NMC得到的循環(huán)性能。還是采用前面所說(shuō)的220mAh-240mAh的小容量軟包電池做的測試，電壓范圍3.0-4.4V，溫度40攝氏度，電流0.4C，正極材料分別對比了NMC442和improved NMC。當采用NMC442時(shí)，不含EC的電解液得到的性能要優(yōu)于EC+EMC+PES221，但是相比improved NMC要差很多。對improved NMC，以PES211為添加劑的FEC+TFEC電解液體系得到了最好的循環(huán)性能，1200次循環(huán)衰減僅為5%。

上面就是Jeff Dahn在研討會(huì )上所作的演講內容概述，研究了NMC產(chǎn)氣對循環(huán)性能影響，以及電解液體系、添加劑和NMC種類(lèi)不同對循環(huán)性能的影響，最后找到了一種improved NMC材料，消除了產(chǎn)氣問(wèn)題，提高了電池循環(huán)性能。結合開(kāi)頭的新聞報道，1200次循環(huán)保持95%的容量似乎就出自這個(gè)研討會(huì )上的學(xué)術(shù)研究成果。這個(gè)猜想在electrek的報道中得到了證實(shí)。Electrek評論說(shuō)，電池包1200次循環(huán)大致相當于48萬(wàn)km。雖然無(wú)法知道1200次循環(huán)如何能換算出48萬(wàn)公里，但是這個(gè)評論里面隱含了非常理想化的假設前提：即實(shí)驗室的小電池性能能夠完美的在量產(chǎn)動(dòng)力電池系統上復制。實(shí)際上，從事電池研究的人都知道，這個(gè)難度是極大的，用一個(gè)220mAh-240mAh的實(shí)驗電池數據去等效說(shuō)明48萬(wàn)公里后電池包容量衰減程度是極其不合理的。

下圖是國外Dutch-Belgium Tesla論壇的Model S 車(chē)主們根據收集的數據作的一個(gè)統計，Y軸表示經(jīng)過(guò)若干次循環(huán)之后，車(chē)子充滿(mǎn)電還能跑多遠，考慮到續駛里程的衰減是直接與電池包能量相關(guān)的，因此續駛里程的衰減也反映出電池的衰減。X軸是通過(guò)一些平均值近似和假設后換算得到的循環(huán)次數。從紅色趨勢線(xiàn)來(lái)看，500次循環(huán)之后，續駛里程衰減7-8%左右，800次后，續駛里程衰減約11%。相比于1200次循環(huán)電池包容量衰減5%，似乎這個(gè)Model S的統計數據要更接地氣一點(diǎn)。