【深度】特斯拉的电池续航能力到底有多强？

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本文由“电动1家”获授权转载 感谢原文作者大吉        转自公众号：42号车库   

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。（结论参考来自麦肯锡的报告）

▲ 电动车制造商的电池供应链策略，原图来自麦肯锡，42号车库翻译。

5、从结构上划分，电芯主要有三种类型，方壳电池（Prismatic），软包电池（Pouch）和圆柱电池（Cylindrical）。

▲ 从左到右分别为圆柱电池、方壳电池和软包电池。

从原材料划分，电芯有磷酸铁锂、镍钴锰（NCM）和镍钴铝（NCA）等不同类型，这里的材料主要指的是正极材料。在原材料的影响中，正极材料对电芯的能量密度影响较大。

负极材料普遍以石墨为主，目前主流研究方向在探索硅碳负极的商业化。

电芯的结构和原材料组成的不同，对电芯的能量密度均有影响。

以上这些内容，我再把要点总结一下。

在我们讨论电池对车辆续航里程的影响时，主要讨论的是电池系统的能量密度和总体重量的结构布置。而电池系统的能量密度主要由电芯正负极材料和结构选型决定。

建立了框架上的基础认识之后，我们现在可以针对具体的车型来谈细节了。

我们由大到小来看。

首先，是电池包的整体结构。

在麦肯锡的报告中，提出一个很重要的结论，那就是不同车辆结构上布置的电池系统样式，对电池系统的能量密度大小有重要影响。

对于这一点，我们直接看图感受。

先来看一看在第二次电动车浪潮里，生产了第一款量产电动车 EV1 的老牌厂商通用。

以下这张图，从左到右分别为第一代 Volt ，第二代 Volt ，Spark EV 和最新款的雪佛兰 Bolt 的电池系统。其中，Volt 为插电混动车型，Spark EV 和 Bolt 是纯电动车型，Spark EV 是自 EV1 停产之后通用推出的第一款量产电动车型。

▲ 照片来自 Jeffery Sauger

来看一下 Spark EV 的电池布置和电池结构。

▲ 雪佛兰 Spark EV 

2014 款 Spark EV 用的是磷酸铁锂电池，由 A123 提供，容量 21.3 kWh 。

2015 款 Spark EV 的电池改用 LG Chem ，96 组，每组 2 个电芯，每个电芯 27 Ah ，3.75 V ，一共有 192 个电芯，电池容量为 19.44 kWh（192 x 27 Ah x 3.75 V ）。

整个电池系统体积 135 L ，总重 215 kg ，比老款减重 39 kg 。根据以上数据计算，2015 款 Spark EV 电池系统体积和质量的能量密度分别为 144 Wh/L 和 90 Wh/kg 。

电池更换后，两款车 EPA 标准下的续航里程均为 132 km 。也就是说，虽然电池容量和重量都减少了，但是新款电池的能量密度提升了，车辆续航里程保持不变。但是一百多公里的续航显然没太大意义。

要继续提升车辆续航的话怎么办呢。

要么继续提升电芯的能量密度，要么就办法多装一点电芯。简单说，要么继续用这个平台，要么就得改了。

旧平台改造（AEP：Adapted Electric Platform）分为两种类型，一种是基于旧平台的旧设计，一种是基于旧平台的新设计。Spark EV 属于前一种，用的是 Gamma II 平台，雪佛兰 Bolt 就属于后面一种，基于 Gamma G2SC 平台设计。

▲ 雪佛兰 Bolt

请看，肉眼可见的，电池结构变得更加平坦，电池体积也增加了，可以装下更多电芯了。没错，雪佛兰 Bolt 的电芯增加到了 288 个，依然是 96 组，但是每组增加到 3 个电芯。

电芯由 LG Chem 提供，每个电芯 55 Ah ，3.75 V 。电池容量近 60 kWh （实际是 288  x 55 Ah x 3.75 V = 59.4 kWh）。

电池体积 285 L ，总重 435 kg ，电池系统的能量密度为 246 Wh/L 和 137 Wh/kg ，EPA 续航里程为 383 km 。

可以看出，从 Spark EV 到 Bolt ，电芯数量增加了一半，电池体积增加了 0.7 倍，电池重量增加了一倍，电池系统的能量密度也增加了一半，而车辆续航里程则增加了两倍。

重新设计后的车辆底盘，更有利于电池系统的布局。

除了具有历史代表意义的通用电动车（特斯拉也曾经借鉴过 EV1 的设计）以外，另外一款全球知名的畅销电动车是 Nissan Leaf 。

要说 Spark EV 的电池布置虽然局促，但形状还算平整。到了 Nissan Leaf 身上，本来形状非常规则的软包电芯堆叠到一起，被布置出一个不规则形状，来适应车辆上的座位结构。

一个电池包里，有横着放的，有竖着放的，简直逼死强迫症。完全没有体现出日本人应有的处女座特质。

▲ Nissan Leaf

Nissan Leaf 说是自己的 EV 平台，其实也是参照 Tiida 做的。这么多年过去了，动力系统的布置一直在调整，但是电池的形状和位置却基本没什么变化。

▲ Nissan Leaf 新旧款对比

经过刚才 Bolt 电池结构的学习，看到这里你是不是可以猜一猜，Leaf 的续航提升可能有限。

对的。

Nissan Leaf 一共用了三种电池，从 24 kWh 到 30 kWh 再到 40 kWh ，电芯数量始终不变，一直是 192 个，EPA 续航里程从 135 km 提升到 172 km 再到 241 km 。

然而，Bolt 已经快 400 km 了喂！💊

当然，你要换一种标准看的话，数据看起来还是可以的。

▲ Nissan Leaf 在 JC08 标准下的续航表现

结论说完了，来看一下具体数据。

24 kWh 的电池使用的是 AESC 的锰酸锂 LMO 电芯，每个电芯 33.1 Ah ，3.8 V 。电芯总重量为 151.1 kg ，电芯的能量密度为 317 Wh/L 和 157 Wh/kg 。

30 kWh 的电池用的是镍钴锰（NCM）电池，重量比 24 kWh 的增重 21 kg 。电芯的能量密度为 396 Wh/L 和 174 Wh/kg 。

▲ Nissan Leaf 的电池变化

到了 2017 款，Nissan Leaf 新增了 40 kWh 的电池，EPA 续航里程 241 km 。对，此时已经 2017 年了。

在通用宣称自己每卖出一辆 Bolt 就亏损 9000 美金时，不知道说日产是省钱好呢还是省钱好呢还是省钱好呢。

美国和日本的代表作都看过了，我们现在来看德国。

大众的 MQB 平台很多人都很熟悉了，e-Golf 就是 MQB 平台下的产物。e-Golf 是大众继 e-up！之后推出的第二款量产电动车。

▲ 大众 e-Golf

有没有一种熟悉的感觉，那种传统内燃机平台下诞生的不规则电池结构的尴尬又来了。

e-Golf 的电池在 Volt 的 T 型结构（ T 型结构最早来源于通用 EV1 车型）上还加了一对小翅膀，企图做一点空间上的挣扎。

然而，数据显示，2015 款 e-Golf 的 EPA 续航里程是 134 km 。💊

2015 款 e-Golf 用的是松下三洋的方壳电池，电池容量 24.2 kWh ，重 330 kg 。一共 27 个模组，264 个电芯（ 88s3p ) ，每个电芯 25 Ah 。

▲ 大众 e-Golf 电池

到了 2017 款，大众更换了 e-Golf 的电池供应商。最新款 35.8 kWh 的电池来自三星 SDI ，选用的是 37 Ah 电芯，EPA 续航里程为 201 km 。

依然长路漫漫。

德国另外一家不能忽视的厂家就是传说中培养出三星 SDI 和宁德时代两家重量级电池供应商的宝马。

终于说到宝马 i3 。宝马 i 系列是全新设计的产品线，从 i3 的电池结构可以看到，非常平整的一个长方体，电池外壳就像一个抽屉一样，里面装了 96 个电芯。

▲ 宝马 i3

i3 老款电池容量 22 kWh ，EPA 续航里程仅 130 km ，使用的是 60 Ah 电芯。

i3 新款的电芯尺寸不变，采用了来自三星 SDI 的 94 Ah 和 3.7 V 的镍钴锰（NCM）电芯，电芯能量密度为 357.4 Wh/L 和 173.9 Wh/kg 。电池总容量为 33 kWh ，EPA 续航里程提升到 182 km 。

看来，光有结构的平整也没用，装不下大电池，就是装不下。

而奔驰，最早 Smart 和 B-Class 的电动力系统都是由特斯拉供应的，后来经更换后，结构上没有大的改动，篇幅有限就不展开了。

▲ 奔驰 Smart

▲ 奔驰 B-Class

▲ 雷诺 Zoe

看完了这些传统车企的电动车产品之后，我们最后来看特斯拉的底盘，这个应该是大家最熟悉的图了。有一种满满一车电池的富有感。

▲ 特斯拉 Model S

特斯拉有从 60 kWh 到 100 kWh 的不同电池版本。中间升级过一次 18650 的电芯，从每节 2.9 Ah 升级到 3.1 Ah ，在保持结构不变的基础上，70 kWh 的版本直接升级到 75 kWh 。

我们来看一下特斯拉在 EPA 标准下的续航数据。

▲ 特斯拉 Model S 的续航里程，截图来自 Wikipedia

截图里可以看到，以 Model S 为例，特斯拉 EPA 标准的续航里程覆盖 300 多到 500 多公里。而在最新公布的 EPA 数据里可以看到，Model 3 长续航版的续航里程也已达到了 499 公里。

从市售产品上来看，完全是碾压级的胜利。

所以，大众公布了要打造全新的电动车 MEB 平台，MEB 平台的技术将在大众集团内共享。这个平台长这样。

▲ 大众 MEB 平台

奔驰全新的电动车平台 EQ 长这样。

▲ 奔驰 EQ 平台

装不下大电池的老平台注定只是过渡。

当然，一个新平台的打造往往需要上百亿的投入，在电动车还仅是小众市场时，传统车企在财务上的保守表现是非常正常的。这也带来了特斯拉的机会点和领先市场的优势。

市售产品的性能对比，实际比较的是产品层面。

产品，其实是企业综合策略的体现。要考虑市场规模，品牌定位，还要核算成本及价格。比如，一个低端品牌，在没有品牌溢价的定价能力的前提下，不敢轻易打造像特斯拉这样百万级价位的豪华电动车。

当你定义了自己是未来市场的领导者，还是跟随者的时候，你也同时定义下了，你的产品是不是一定要应用最新最好的技术。而这一点，正是科技爱好者最为看重的事情。

为了更客观地比较各家产品的差别，现在我们谈技术层面，也就是从电池系统要谈到电芯了。

从上一个部分的电芯演变，或许你可以注意到，大家都开始采用镍钴锰（NCM）电池了。NCM 是电池的正极材料，根据正极材料划分，目前主流的电池主要有三种类型，磷酸铁锂，镍钴锰（NCM）和镍钴铝（NCA）。

磷酸铁锂电池的安全性更高，能量密度更低，在客车上的应用更广。比亚迪由于押宝在磷酸铁锂路线上，而在三元锂电池的探索上占了下风。在乘用车上，我们主要认识的就是两种电池，NCM 和 NCA 。特斯拉的松下圆柱电池就是 NCA 材料。

▲ NCM 电池组成

想要提高电池能量密度，第一条要做的就是提高电芯正极材料的比容量。镍的含量越高，电芯的比容量就越高。另外，由于钴价太高，提高镍的比例的同时降低钴的比例，能够成功降低电芯成本，这也是高镍电芯发展趋势的重要原因。

而我们常见的 NCM 111 / 523 / 622 / 811 指的都是这三种元素之间的比例。也就是说，NCM 811 是目前镍比例最高的电芯。

▲ 宝马的电池路线图

我们从宝马的电池路线图里就可以看到，NCM 会从 111 的比例逐渐调整到 811 。2018 款宝马 i3 会用到三星 SDI 的 NCM 622 电芯，而直到 2021 年以后，宝马才会在 i5 上应用 NCM 811 电芯。

而奔驰的 EQ 平台在 2018 年的第三季度就会使用 SK innovation 的 NCM 811 电芯。

从 LG Chem 的资料上来看，计划使用他们最新款 811 电池的车型有以下这些：

• 日产 Leaf E-Plus ( 60 kWh 版本)

• 现代 Kona EV

• 现代 IONIQ Electric (电池升级版)

• 起亚 Niro EV

• 第二代 Renault Zoe ( 2019 )

• 大众 ID（2019）

• 欧宝 Corsa EV (2019)

• 标致 208 EV (2019)

也就是，应用 NCM 811 电芯的车型最早会在 2018 年看到。

虽然这些厂家没有提供目前 NCM 811 电芯的能量密度数据，但是我们可以看一份 Solid Power 提供的数据。

▲ 来源：Solid Power

采用 NCM 811 正极和石墨负极的电芯，可以达到 255 Wh/kg ，536 Wh/L 的能量密度。

而 CATL 的官方资料显示，他们电芯的能量密度目前能达到 240 Wh/kg 。

▲ 来源：CATL 美国官网

另外，来自比亚迪的官方资料显示，比亚迪 NCM 电池的能量密度目前能达到 200 Wh/kg 。

▲ 来源：比亚迪的公开演讲

特斯拉目前 18650 电芯的能量密度大概在 250 Wh/kg 的水平，而在 Model 3 的 2170 电芯上，特斯拉将采用硅碳负极，将电芯能量密度提升到 300 Wh/kg 。

也就是说，单纯比较电芯能量密度的话，其他厂家可以达到特斯拉 18650 电芯的能量密度水平，但是在已经开始对外交付的 Model 3 上，特斯拉又领先了。

除了在正极材料上提高镍的比例以外，在负极材料中使用硅碳也是业内认可的一个方向。因为石墨的理论能量密度是 372 mAh/g，而硅负极的理论能量密度高达 4200 mAh/g 。

只是硅负极材料存在膨胀的问题，可能会导致电池容量丧失，影响电池的循环寿命。目前在量产电芯上，只有特斯拉宣布成功应用了硅碳负极材料。

▲ 电池路线演变，来源：Solid Energy

在《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中，工信部提出，新型锂离子动力东池的电芯能量密度要超过 300 Wh/kg ，电池系统能量密度达到 260 Wh/kg ，而到 2025 年，电池系统能量密度要达到 350 Wh/kg 。

目前，NCM 811 已经把镍的比例提高到很难再大幅提升的水平了，使用硅碳负极或者研究不同的正极材料将会是一个提升点。而到 300 Wh/kg 以上，固态电池的技术突破将会成为关键。

在产品层面上，车企早就可以应用更新更好的技术，但由于早期电动车市场太小，车企没有大规模资金投入到电动车新平台的开发上，内燃机车型平台的先天因素导致无法装载大电池。

▲ 大众的续航时间表

▲ 日产的续航时间表

▲ 雷诺的续航时间表

另一方面，有调研公司的市场调查显示，三四百公里的续航已经足以满足当前用户的需求。老奸巨猾，不，经验丰富的老牌车企并不想冒冒失失地推出成本高昂的车型。

在传统内燃机车型的市场上，他们早就习惯如此。在新创公司抢着用华丽数据吸引眼球的时候，他们不急，一边慢慢推进自己的新平台计划，一边想办法在舆论上攻击竞争对手。

所以，特斯拉的电池续航能力到底强在哪儿呢。

第一，在电芯技术层面，大家选择了不同的技术路线，在 250 Wh/kg 水平的能量密度上不分上下。但是特斯拉在硅碳负极材料上成功突破到 300Wh/kg ，又早一步领先业内水平。

第二，由于没有历史包袱，特斯拉得以抛去内燃机底盘的包袱，开发全新的电动车平台，在电池系统的布局设计上获得了很高的自由度，可以很早就推出 100 kWh 的电池容量，领先行业几年。

第三，在马斯克一流的营销能力下，特斯拉成功打造了高品牌定位，从而可以在高价位的市场区间快速应用最新最好的技术。

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