此前，有媒體報道了蔚來將採用磷酸鐵鋰電池包的消息，在後續的跟進報道中又有消息指出蔚來將要採用的是「磷酸鐵鋰三元」電池包。

這就帶來了很多疑問，「磷酸鐵鋰三元」電池是什麼？難道是蔚來研發出了一個全新的電池材料方案？

帶着疑問我查閱資料，終於找到了一份蔚來在 2021 年 1 月 8 日申請，分別在 4 月 2 日和 23 日公開的動力電池系統專利。

通過專利內容，可以直接證明蔚來確實在研發「磷酸鐵鋰電池包」，但蔚來的這套電池系統與此前所有的方案均有不同，它是將磷酸鐵鋰材料電池與三元鋰材料電池整合到了一起，實現了一款全新的電池系統。

下面我們對專利進行了全面的解讀，來看看蔚來實現的技術方案。

必須要了解的背景

在解讀專利之前，有幾個背景是我們必須要了解的。

電池材料

在蔚來的這套方案中會涉及兩種材料的電池，分別爲「磷酸鐵鋰 LFP 以及三元鋰 NCM（以下簡稱：鐵鋰和三元）」，這兩種材料的電池是目前新能源汽車應用最廣泛的。

兩種材料的電池因材料不同，優缺點也非常明顯：

• 鐵鋰：優點，成本低、高壽命、安全性高；缺點，相對能量密度低、耐低溫性差、SOC 精度低。
• 三元：優點，電壓平臺高、能量密度大、電池容量高、倍率性能好；缺點，相對安全性能差、循環壽命差，成本高。

早前，因爲電動汽車的補能體系以及車企對性能要求高，所以三元電池成了主要的選擇，隨着技術的提升和電動車的普及，安全性與低成本的雙要求在提高，鐵鋰電池的需求也在不斷推高。比如特斯拉推出 Model 3 鐵鋰標續版、小鵬推出 P7 鐵鋰版等，因此，對於蔚來會不會上磷酸鐵鋰電池，一直備受市場關注。

關於蔚來的鐵鋰版車型什麼時候到來，在蔚來 Q1 財報會議上，李斌簡單提到了「磷酸鐵鋰電池的成本優勢很高，但在此之前，蔚來會先解決鐵鋰電池的用戶體驗，這將是核心基礎。」

說白話就是，蔚來可以用磷酸鐵鋰電池，但需要解決其缺點之後，而蔚來一直在研發相關的技術。

那麼影響鐵鋰電池用戶體驗的重要因素是什麼？

在專利中有這麼一段話：「車輛電池的荷電狀態（SOC）估算是電池管理系統（BMS）中的核心問題。準確估算電池荷電狀態有利於車輛制定合適的控制策略，從而延長電池的使用壽命，降低用戶里程焦慮。」

在專利中會有大量的專業術語，便於理解，我們簡單做幾個介紹。

什麼是荷電狀態（SOC）？電池荷電狀態（下面簡稱：SOC），代表電池剩餘可用電量佔總容量的百分比，是電池管理系統中最爲重要狀態之一，爲電動汽車的電池安全管理、充放電控制、整車能量管理等功能提供重要參考。

簡單理解就是，工程師可以根據 SOC 的數據，來匹配 BMS 算法，以達到準確顯示電池系統剩餘電量，緩解用戶里程焦慮，SOC 估算精度越高，越能顯示真實續航水平。

而 SOC 表示的電池剩餘容量和滿電容量的比值，介於 0 和 1 之間，0 是電池放空狀態，1 是充滿電狀態。即，電池系統電量放空狀態 0%，和滿電狀態 100%。

常用的 SOC 估算方法有三種：電流積分法、開路電壓法（OCV）、電池模型法。

這些方法均需要求出電池的開路電壓並基於離線實驗結果映射後獲取 SOC 值。在電池 OCV-SOC 曲線中，曲線斜率越大，對 SOC 估算越精準，系統對剩餘里程測算越精準。

從上面圖中可看出，三元的 OCV-SOC 曲線斜度較大，因此，SOC 估算精度更好；磷酸鐵鋰的 OCV-SOC 曲線異常平緩，這就帶來一個問題，當一個開路電壓 OCV 值被映射到 SOC 值上的範圍擴大，這就使得系統無法準確估算磷酸鐵鋰電池的荷電狀態。

結果就是，電池管理系統算法很難根據鐵鋰電池的 SOC，去估算電池系統的 SOC 這樣就不能準確顯示剩餘續航里程，就會出現顯示電量還有 20% 但實際會突然降至 0 的情況。目前鐵鋰電池的 SOC 估算問題依然是業界難題。

蔚來怎麼做？

新電池系統與 SOC 估算方法專利

4 月 2 日、23 日，國家知識產權局公開了一項名爲「一種電池系統、用於其SOC 估算方法以及計算機裝置和介質」的專利，申請人爲蔚來汽車科技（安徽）有限公司。

在這項專利裏面其最核心的兩項技術，一個是新電池系統；另一個則是用於新電池系統 SOC 估算的方法。

新電池系統則是上面我們所說的「磷酸鐵鋰三元」電池系統，簡單說就是，蔚來是將鐵鋰體系的電池和三元體系的電池，用串聯連接的方式，集成在來一個電池包內，從而構成了雙體系電池系統。

也就是說，蔚來鐵鋰三元電池系統，並不是新材料，是由磷酸鐵鋰（LFP）電芯和三元（NCM）電芯組成的組合型電池模組封裝成的電池包系統，而新 SOC 估算方法則是針對新電池系統所研發的技術。

在雙體系電池系統中，鐵鋰體系電池與三元體系電池的電池數量配比之比可以爲 5:1、3:1 或者 1:1 以及其他比例。

我們根據專利順序，先介紹新系統的 SOC 估算方法，再介紹新電池系統設計方案。

以下是技術的核心環節，便於理解，我們先理清幾組概念與關係，幾個關鍵詞：「磷酸鐵鋰電池 SOC（荷電狀態）、三元鋰電池 SOC（荷電狀態）、電池包系統 SOC」。

按字面意思理解，這幾個關鍵詞代表的就是不同材料體系電池的 SOC。

因爲蔚來的這套方案是將鐵鋰和三元整合成一組電池包，因此，這裏所說的電池系統所指的就是鐵鋰 + 三元組合成的「全新電池系統」。

針對新電池系統 SOC 的估算，蔚來的技術方案則是：「將三元電池的 SOC 上限和下限映射到電池系統的 SOC 區間內，以建立一組三元電池的 SOC 的上限、下限與電池系統的 SOC 區間之間的映射關係。」

這裏需要繼續理解一個新詞：「映射關係」。

「映射」是比函數更廣泛一些的數學概念，它就是一個集合到另一個集合的一種確定的對應關係。即：若 f 是集合 A 到集合 B 的一個映射，那麼對 A 中的任何一個元素 a，集合 B 中都存在唯一的元素 b，並且與 a 對應。我們稱 a 是原像，b 是像。寫作 f : A → B，元素關係就是 b = f（a）。

這兩段比較難以理解，解釋一下：

專利裏面提到，爲了考慮三元電池可能出現的電池衰減，其 SOC 下限和上限可以被分別設置爲 0% 和 90%，其被映射到電池系統的 SOC 區間爲 0% 至100%。在這種情況下，三元電池的 SOC 下限和上限與電池系統的 SOC 區間之間的映射關係爲 [0%，90%] → [0%，100%]。

注意，上面說的 0% - 90% 與 0% - 100% 都是動態調整值，每個車企根據自身的策略會有所不同。

因爲電特性的原因三元電池的 SOC 估算比鐵鋰的精度更高，所以通過上述說的電流積分 + 開路電壓 OCV 校準的估算方法，計算出電池系統內三元電池的 SOC，將三元電池的 SOC 的上限、下限映射到電池系統的 SOC 區間可以得到電池系統的 SOC 值。

舉個例子，如果三元電池的下限、上限被分別設置爲 0% 和 90%，並被映射到了電池系統的荷電狀態區間 0% 至 100%，根據映射的數學關係，當三元電池 SOC 爲 0% 時，電池系統的 SOC 也爲 0%；當三元電池 SOC 爲 90% 時，電池系統的 SOC 爲 100%，利用映射關係的計算公式 b = f（a），當三元電池 SOC 爲 40% 時，電池系統的 SOC 則爲 50%。

綜上所述，如果你對計算環節和實現原理理解起來有難度，那麼你只要知道，在磷酸鐵鋰+ 三元這套系統方案中，是使用三元鋰電池的 SOC 來反映整個電池包系統的整體 SOC。結果是，蔚來可能設計出準確反映實際續航與衰減的磷酸鐵鋰電池包。

但兩種材料體系集成的電池系統，就會出現一個重要的問題，如何平衡兩種電池的全生命週期的衰減與衰減速率的問題？

動態調整電池系統的 SOC 區間

由於電池在使用過程中可能涉及電池衰減，並且不同體系的電池衰減速率可能不同，因此需要動態調整不同電池體系的 SOC 區間，從而在不同衰減狀態下使三元電池的 SOC 區間仍能準確對應於電池的實際使用性能。

何爲動態調整 SOC 區間？

根據蔚來專利顯示：「將鐵鋰電池的 SOC 下限設置低於三元電池的 SOC 下限，並將三元電池的 SOC 上限設置高於鐵鋰電池的 SOC 上限，使三元電池的 SOC 下限始終爲放空點 0%，而上限始終保持對應鐵鋰電池的充滿點 100%。」

需要注意的是，由於三元和鐵鋰的電特性不同，在充放電期間，串聯連接的三元電池將被先放空，鐵鋰電池將被現充滿。

如圖所示，簡單理解就是，三元電池的下限保持爲電池系統的放空點 0%，此時對應的鐵鋰電池的 SOC 爲 SOC_L；同時鐵鋰電池上限保持爲電池系統的充滿點 100%，對應的三元電池 SOC 爲 SOC_H。

通過這樣的設計，三元電池的 SOC 區間就被保持爲從電池系統的放空點 0% 至充滿點 SOC_H，並且爲保證 0%-SOC_H 區間相對穩定，系統會把圖上 0%-SOC_L 與 SOC_H 電量 100% 保留在系統內。

說人話就是，0%-SOC_L 與 SOC_H-100% 區間的電會被系統藏起來，也就是經常說的電池系統藏電多少，藏起來的目的就是爲了電池系統出現衰減時，用於動態調整三元電池的 SOC 區間。

如何進行動態調整呢？

在實際使用過程中，有可能會出現的情況是，鐵鋰電池的衰減大於三元或者三元大於鐵鋰的情況。

按照蔚來專利的披露，假設現在出現的情況是鐵鋰電池的衰減是大於三元的，那麼鐵鋰電池的 SOC 上限 100%，相對的三元電池就會向下偏移。

也就是專利圖中所示的，SOC_H 偏移到 SOC_H1 的地方，這使得三元電池的荷電區間變成了 0%-SOC_H1，該範圍相較於原 0%-SOC_H 發生了縮減。

而爲了使此前三元電池的 SOC 區間 0%-SOC_H 保持不變，那麼此前鐵鋰電池的 0%-SOC_L 區間的容量就會被開放，開放的部分容量將會被補充到三元電池中去。從而繼續保證三元電池的荷電區間能夠準確反映電池系統的 SOC。

整個動態調整的邏輯，舉例解釋就是：

就像兩根1 米長裝滿水的水管 A 和 B（0 cm - 100 cm）， A 水管的 0 cm對着 B 水管的 20 cm 處，而 B 水管的 100 cm 處則對着 A 的 80 cm 處。

而兩根水管中間重疊的部分要保持一個恆定的滿水狀態，因爲不可抗力出現了 A 水管水減少的情況，那麼此時中間重疊部分水就會減少，那爲了保證中間水和原來一樣，那麼就需要從 B 水管的前面 20 cm 處保存的水中，拿出與減少的同樣的量補充進 A 管去，這樣重疊部分又可以回到原來的水滿狀態。

那麼問題來了，如果鐵鋰電池此前藏電的部分被開放完了，達到了可開放的閾值鐵鋰、三元電池的 SOC 下限相同了，即爲 0%，在這種情況下，鐵鋰電池電量將會被先放空，這會導致此時的三元電池的 SOC 無法準確反映電池系統的放空點。

因此，爲了使三元電池的 SOC 區間仍能準確反映電池系統的 SOC 區間（放空點 滿充點），需要將三元電池的部分荷電狀態容量反向補充到鐵鋰電池的下限區間裏。

綜上所述，因爲磷酸鐵鋰電池的電特性的問題 SOC 的精度不高，帶來的問題就是，鐵鋰電池會出現續航驟降，新車出現大幅衰減的情況，爲了解決這些不好的體驗，蔚來研發了一款由鐵鋰 + 三元材料組合而成的新電池包系統，同時又針對新系統研發了一套新技術「新電池系統 SOC 估算的方案」，也就是，利用電池包內三元電池的 SOC 映射到電池系統 SOC 區間形成的映射關係，計算出電池系統的 SOC。

同時，這套 SOC 估算技術，還可以根據電池的衰減程度以及衰減速率來動態調整電池 SOC 區間，讓三元電池的 SOC 始終能夠準確反映電池系統的荷電狀態。

鐵鋰 + 三元的組合型電池系統

上面我們說了，爲解決因磷酸鐵鋰電池 SOC 不準帶來的用戶體驗問題，蔚來發明瞭一種用於估算電池系統 SOC 的技術，這個技術的核心關鍵就是利用三元電池 SOC 精度高的特點，以三元來反映電池系統的 SOC。

這就需要蔚來在一個電池包系統內放入鐵鋰和三元兩種材料的電芯，當然，蔚來也是這麼做的。

先來看看這款電池包的電芯佈置

根據專利的披露來看，蔚來將鐵鋰與三元電芯進行了串聯連接，而電池包內的鐵鋰與三元電池的配比可以做到 5:1、3:1 或者 1:1，也就是說，如果想要更低的成本只要按比例提高鐵鋰的電芯數量即可。

重要的是，這個配比並不是固定的，蔚來可以根據需求靈活搭配，這樣帶來的好處就是，蔚來可以根據車型來配置電池包的主要材料電池，可以爲不同車型的價格差匹配不同的電池包。

而具體的電芯排列方式，主要的有以下幾種：

一，A + B + A + B 或 B + A + B + A交替排列的方式。

專利顯示，假設 A 是鐵鋰電池，B 是三元電池，通過鐵鋰和三元的交替排列，可以有效保證三元電芯在出現熱失控時不會引起隔壁第二個電芯的熱失控，因爲鐵鋰的熱安全性高，因此，可以儘可能阻止電池包的熱擴撒，並且能夠最大程度實現能量密度與功率輸出。

二，兩個鐵鋰電芯和一個三元電芯的串聯 A + A + B + A + A + B

這種組合方式帶來的好處就是，鐵鋰電芯數量增加，整個電池包系統鐵鋰電芯比例就大，能夠有效降低成本。同時依然具有較好的性能以及仍然有助於電池包的 SOC 測量精度的提高。

根據專利顯示，鐵鋰與三元電芯在組內的佈置位置並沒有受到限制，可以採用多種混搭行駛，而且每組電池也沒有要求嚴格相同，比如 A + A + B + B + A + A + A + B + A。

簡單來說，工程師可以根據是實際情況採用靈活的電芯組合方式來完成電池系統的佈局，而且三元電池的佈置位置也是靈活調整，也就是說，在每個模組內，採用一個三元電芯進行本模組的 SOC 計算，既可以得到精度更高的 SOC 數據，又能最大程度降低成本。

再看電池包的溫控方法

對於這款新電池包而言，雙材料體系電池帶來的另一個技術問題就是：「不同電芯的耐寒性不同，汽車如果在寒冷的環境中長時間靜置時，電池包中的溫度變化是散熱較快區域，電芯溫度下降明顯，這會導致擁有不同散熱能力的不同區域的電芯之間溫差過大.」

結果是，個別電芯溫度低於臨界溫度後會導致整包放電性能變差，也會影響安全性與壽命。

蔚來通過優化佈置和佈置隔熱材料兩種方式，來保證電池包內部的溫度均衡以及保溫性能。

第一種比較好理解，就是通過實驗來驗證整個箱體內散熱快的區域，將三元電池佈置在這個區域，來規避鐵鋰不耐寒的特性。

但這種方法始終有限，那蔚來的另一個方法就是在箱體之間佈置隔熱材料，來緩解溫度下降速率與下降的下限。

而且電芯排列和箱體結構性隔熱的方案可以組合使用。

還有一種有效的方法是「熱補償」，這項技術在專利裏面沒有披露太多，但主要的方法是在電池箱體內加入熱元器件，比如加入石墨烯加熱膜因爲石墨烯是電和熱的良導體，一方面石墨烯可以痛點產生熱；另一方面石墨烯在加熱膜產熱後能夠快速將熱量傳遞到箱體內溫度不均的區域。

通過熱補償能夠極大延長電池在低溫環境中靜置以及使用時間，緩解電電芯溫度下降趨勢降低速率。

寫在最後

這套專利總結起來其實非常簡單，就是蔚來想要使用磷酸鐵鋰的電池，但因爲磷酸鐵鋰電特性的原因，用戶體驗上會有極大的問題，那麼蔚來就針對問題研發了一套技術來解決。

這套技術包含三個關鍵詞：電池系統、電池系統的 SOC 估算、系統安全。

基於此，蔚來開發了由三元材料電池與磷酸鐵鋰材料電池組成的新電池系統，而這套新電池系統滿足高安全性與低成本，但因爲磷酸鐵鋰的 SOC 曲線異常平緩，並不能準確估算出電池系統的 SOC，因此，無法準確計算充電時間與續航里程。

而恰恰三元電池可以滿足這些，因此，蔚來就用新電池系統中三元電池的 SOC 來反映系統 SOC。

因此，蔚來研發出了一套新的 SOC 估算方法，以三元的 SOC 上限、下限映射到系統 SOC 區間，簡單說就是，通過三元鋰實現對整個電池系統 SOC 的精確估算。這套方法還可以因爲電池衰減以及衰減速率的不同進行動態調整，始終讓三元的 SOC 能夠精準反映電池系統的 SOC。

有了對電池系統 SOC 估算的方法，但明顯鐵鋰 + 三元雙材料電池方案的難度比想象中要大的多，其中如何做鐵鋰與三元的耐低溫性這非常重要。

蔚來使用了，電芯靈活排列與結構性保溫以及主動熱補償等方案。

使用了結構保溫的設計，電池系統被動保溫時間延長，這樣就能夠長時間在低溫環境中存放和使用。

汽車超長時間的靜置後，電芯溫度降低，電芯溫差增加，個別區域溫度低於臨界值，會影響整包放電性能；這時採用三元電芯，形成 AB 組合的電池包，解決短板效應，使得整車在此條件下可以正常使用，拉低了使用的溫度下限。

極寒溫度超長時間靜置後，主動熱補償功能會開啓，使得在低於某個溫度值後，溫度下降的趨勢變慢，極大延長極寒環境下存放和使用的時間。在此基礎上，繼續極寒靜置後，開啓加熱功能，將電芯溫度升高至正常使用的溫度區間。

以上功能可基於電池包熱仿真/熱通量分析進行最優化求解，得出最經濟最高效的解決方案。