特斯拉汽车续驶里程和电池衰减解析 - 全文

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

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

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。