Porsche電池研發以設計思維鑄就耐久品質

Written by: Bear

動力電池就是電動車的心臟，對Porsche來說，其高壓系統的設計壽命和可靠性應與內燃機匹敵：至少15年或30萬公里。

而電池的老化不可避免，但可以被干預。在最初的2到12個月內，鋰離子電芯通常會損失1%到5%的容量。 專家們稱其為「初始衰減」，Porsche完全考慮到了這一物理效應，新電池在生產階段已經將此衰減考慮在內。因此，電池的有效健康狀態(SoH)衰減得更為緩慢。關鍵參數包括電池溫度、充電和老化狀態，以及充電電流。已發現的最佳條件是溫度低於30攝氏度，且電量水平低於90%(當車輛長時間停放時)。為實現這一點，Porsche在其電動跑車中採用專利快充技術進行監測和控制。

在電芯微觀世界中，電化學過程主導著老化進程。充電時鋰離子穿越隔膜從陰極遷移至陽極，引發粒子擴散；放電過程則相反，陽極粒子收縮。隨著荷電狀態提升，電芯內阻呈現上升趨勢，放電時則隨電量降低而減小。

電池技術解析

Porsche電芯開發與快充專家Carlos Alberto Cordova Tineo闡釋道，「電池本質上更傾向放電狀態，充電過程則需外力驅動，快充技術的核心在於如何高效地將鋰離子嵌入陽極。」

為了說明這一點，他以餐廳舉例，「首先，我們設好營業時間。然後有不同的場景。要麼是臨時決定去吃，要麼是已有預訂。有預訂的話，您可以直接進入，無需在門口排隊。臨時決定的話，有幾個因素會起作用，餐廳的容量、有多少空位、門的尺寸決定了多少人可以同時進入，以及是否已經有人排隊。」

如果將這些方面對應到充電過程的不同特性，餐廳的「開門」可類比為溫度。「溫度越高，門開得越寬，允許同時進入的人越多。溫度降低，入口變窄，同時進入就更困難。」另一個點是電池的年齡。延續這個例子，「餐廳的容量已經從100個座位減少到80個。如果很多人同時決定來這家餐廳，就會形成排隊，因為沒有足夠的空位。」 電池的充電狀態可比作餐廳中已被佔用的座位。這兩個因素都使得門口的隊伍越來越長。隊伍越長，食客去餐廳的動機就越小。

「這個，對於鋰離子電池而言，這就是金屬鋰的沉積，這些鋰不再能用於能量存儲。這被稱為'鋰析出'(Lithium plating)。電池被高強度使用時，粒子所受的機械應力可能導致粒子外殼破裂或粒子本身被破壞，從而造成鋰損失。這也會降低電池的電量。」

除了大範圍的道路測試，高壓電池及其所有相關元件必須在Porsche的高壓電池系統測試臺上進行特定的無故障測試程式。在此過程中，所有元件在測試臺上一同接受檢查。

最大化電池壽命

對Porsche來說，要找到一把「鑰匙」，讓進入這個比喻中的「餐廳」盡可能容易，這在過去和現在都是重要的目標。 這意味著要避免負面影響，以保證電池的長壽命。智能電池管理和紮實的電芯化學就是完美的鑰匙。

Porsche基於客戶習慣為此開發了控制演算法。Cordova Tineo表示，「我們知道客戶只有大約15%的情況下會選擇快充。然而，在我們的壓力測試中，我們遠遠超出了這個比例，在所有循環中有50%是快充。 」電池壽命測試還模擬了變化的環境溫度和動態駕駛行為。極端條件，例如：暴露在60到100攝氏度的高溫下，也會被測試。最後，在16萬到30萬公里的不同里程區間內，類比了大量的充電循環。

對於目前在售的Taycan來說，密集的測試工作已經取得了回報。改進的電芯提供了更高的性能和更低的電阻。 為了優化溫度控制，被動冷卻被集成到電芯模組中。新的冷卻板將冷卻能力從6 kW提高到10 kW，增強了高溫下的穩固性(Robustness)。用於電芯電氣連接的新型母線允許更高的電流。其結果是，儘管能量容量增加，但電量從10% 快充到80%的時間已從第一代Taycan的21.5分鐘縮短至當前車型的18分鐘。 充電功率也從270 kW提高到了最高320 kW。 此外，快充的最低起始溫度已從25度降低到15攝氏度。

高效充電，卓越性能，滿級安全

短時補能策略最終將縮短整體出行時間。除了電池壽命、最小化碳足跡、極致安全性外，還有始終至關重要的駕駛動態性能，這些一直是Porsche電動化研發團隊的明確目標。透過將放電電流從860 A提升至1100 A，車輛駕駛動態性獲得顯著增強，實現更迅捷、更強悍的加速表現。儘管總電池容量從93.4 kWh增至105 kWh，重量卻從634 kg降至625 kg，這也為整車操控性帶來積極影響。

安全性對Porsche至關重要，高壓電池必須承受極端壓力。其中一項測試是浸水測試，電池被浸入注水的水箱中約一米深。即使在長時間浸泡後，水也必須不能滲入密封的電池殼體內。在腐蝕測試中，電池包暴露於各種物質中，特別是不同濃度的鹽溶液。對於碰撞安全，乘員保護是設計的首要任務，無論車輛或驅動類型如何。為確保這一點，Porsche針對混合動力和純電動車，在更高的碰撞嚴重程度下，制定了額外的嚴格內部要求。

Porsche Cayenne和Macan安全系統負責人Simon Maurer說道，「我們將所有高壓元件放置在受損風險最小的區域。額外的感測器能非常早地檢測到臨界應力。檢測到碰撞後，電動馬達和輔助單元會主動與高壓電池斷開連接，剩餘存儲的能量會被動態釋放，這可以防止觸電。」

還會進行元件測試，例如：針對電池模組的測試。這些部件承受的負載遠高於整車碰撞中通常經歷的負載。即使在這些測試中，也絕不能發生火災。結構優化、嚴格要求和全面安全系統的結合，確保了整個系統能起到最大程度的保護作用。在魏斯阿赫(Weissach)最先進的測試設施中對純電動Macan進行的碰撞測試，證明了電池得到了極好的保護，在猛烈的側向剛性柱碰撞後，高壓電池幾乎沒有發生變形。

對電池研發過程的深入觀察揭示：Porsche的所有測試標準，都設定得比車輛的實際生命週期更為嚴苛。無論是在快速充電、高性能疾速馳騁還是安全防護方面，抑或是在可靠性與電池長效壽命層面，皆無妥協餘地。