特斯拉的电池续航能力到底有多牛！

　　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。

　　▲NissanLeaf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，SparkEV和最新款的雪佛兰Bolt的电池系统。其中，Volt为插电混动车型，SparkEV和Bolt是纯电动车型，SparkEV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JefferySauger

　　来看一下SparkEV的电池布置和电池结构。

　　▲雪佛兰SparkEV

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

　　2015款SparkEV的电池改用LGChem，96组，每组2个电芯，每个电芯27Ah，3.75V，一共有192个电芯，电池容量为19.44kWh（192x27Ahx3.75V）。

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

　　电池更换后，两款车EPA标准下的续航里程均为132km。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：AdaptedElectricPlatform）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。SparkEV属于前一种，用的是GammaII平台，雪佛兰Bolt就属于后面一种，基于GammaG2SC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LGChem提供，每个电芯55Ah，3.75V。电池容量近60kWh（实际是288x55Ahx3.75V=59.4kWh）。

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

　　可以看出，从SparkEV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NissanLeaf。

　　要说SparkEV的电池布置虽然局促，但形状还算平整。到了NissanLeaf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。

　　▲NissanLeaf

　　NissanLeaf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。

　　▲NissanLeaf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。

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

　　然而，Bolt已经快400km了喂！

　　当然，你要换一种标准看的话，数据看起来还是可以的。

　　▲NissanLeaf在JC08标准下的续航表现

　　结论说完了，来看一下具体数据。

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

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

　　▲NissanLeaf的电池变化

　　到了2017款，NissanLeaf新增了40kWh的电池，EPA续航里程241km。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134km。

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

　　▲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35.8kWh的电池来自三星SDI，选用的是37Ah电芯，EPA续航里程为201km。

　　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22kWh，EPA续航里程仅130km，使用的是60Ah电芯。

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

　　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ModelS

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

　　我们来看一下特斯拉在EPA标准下的续航数据。

　　▲特斯拉ModelS的续航里程，截图来自Wikipedia

　　截图里可以看到，以ModelS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，Model3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NCM111/523/622/811指的都是这三种元素之间的比例。也就是说，NCM811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NCM622电芯，而直到2021年以后，宝马才会在i5上应用NCM811电芯。

　　而奔驰的EQ平台在2018年的第三季度就会使用SKinnovation的NCM811电芯。

　　从LGChem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LeafE-Plus(60kWh版本)

　　现代KonaEV

　　现代IONIQElectric(电池升级版)

　　起亚NiroEV

　　第二代RenaultZoe(2019)

　　大众ID（2019）

　　欧宝CorsaEV(2019)

　　标致208EV(2019)

　　也就是，应用NCM811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NCM811电芯的能量密度数据，但是我们可以看一份SolidPower提供的数据。

　　▲来源：SolidPower

　　采用NCM811正极和石墨负极的电芯，可以达到255Wh/kg，536Wh/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240Wh/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200Wh/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250Wh/kg的水平，而在Model3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300Wh/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Model3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372mAh/g，而硅负极的理论能量密度高达4200mAh/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：SolidEnergy

　　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300Wh/kg，电池系统能量密度达到260Wh/kg，而到2025年，电池系统能量密度要达到350Wh/kg。

　　目前，NCM811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300Wh/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250Wh/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100kWh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。