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揭秘特斯拉最新電池輕量化技術

鉅大LARGE  |  點擊量:1085次  |  2021年11月17日  

近期,特斯拉的100kWh車型,已經通過了歐盟認證機構RDW的評估。這意味,ModelS/X100D車型即將問世!其續(xù)航里程理論值將達到613km(基于NEDC標準)。


按照歐盟規(guī)定,在歐盟成員國上市銷售的車型,都必須經過其授權機構的認證方可。RDW是特斯拉委托的一家荷蘭的公司,經其認證后即可獲得在歐盟銷售的許可。本文,我們來探究下,這個100kWh是如何做到的?


ElonMusk曾經說過,特斯拉的續(xù)航(電量)要以每年5%的速度新增。從當前電池組的迭代情況來看,這個目標基本實現(xiàn)。除作為入門級配置的60kWh外,70kWh、85kWh均已分別升級為75kWh和90kWh。


不久之后,100kWh和120kWh的電池組也將進入選配清單。目前,60kWh仍然作為一個乞丐版配置存在,以促進特斯拉的銷量。真正有故事的,是70kWh和85kWh,是如何各新增5kWh電量的。


有一點可以肯定,那就是電池組電量新增過程中,其電池組的結構是沒有改變的。內部電池包(BatteryModule)的數(shù)量也并未發(fā)生改變。我們先來簡單了解下特斯拉電池組的內部構造。

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符合Exic IIB T4 Gc防爆標準

充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

60kWh內部有14個電池包,每個電池包內含384個電芯,共計有5376個電芯組成;85kWh由16各電池包組成,每個電池包內含444個電芯,共計7102個電芯組成。


后來加入的70kWh,實際上是一個75kWh電池組,經過軟件限制而來的。多余的5kWh,最初被當做一個價值3000美元的選裝包供應給車主。只要通過OTA軟件更新,70D就可以變?yōu)?5D。


那么問題來了,75kWh電池組是怎么來的?有關這個問題,特斯拉官方并沒有做出技術解釋。根據(jù)作者的判斷,75kWh其實是85kWh電池組,減少2個電池包而來的。在85kWh電池中,每個電池包的容量是5.3kWh,14個這樣的電池包就是74.2kWh。


這就是70kWh、75kWh,以及85kWh之間的關系。至于60kWh,這只是一個為了降低準入門檻而設置的配置而已。那么,90kWh又是怎么來的呢?


從85kWh到90kWh,多了5kWh。是多加了一個電池包嗎?在85kWh的電池組結構中,已經無法再疊加電池包。唯一的可能性就是更換了新的電芯。當然,其采用的依然是18650型號的電芯,只不過化學材料有所調整,新增了能量密度。

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IP67防水,充放電分口 安全可靠

標稱電壓:28.8V
標稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應用領域:勘探測繪、無人設備

在這道工序中,特斯拉將電芯的石墨陽極中,添加了少量的硅,從而提升了電芯的能量密度。在陽極中加入硅,已是電池領域公認的可以提升能量密度的辦法。為防止不斷疊加電池包,而造成的電池組質量過大,特斯拉接下來只能把重點放在研發(fā)高能量密度的電芯上。然而,有關三元鋰離子電池來說,要想通過硅來新增能量密度,遠沒有那么簡單。


其基本原理是:在石墨陽極中加入硅后,由于硅原子的結構相比石墨能夠容納更多的鋰離子,導致陽極對鋰離子的吸納能力增強。單次充放電循環(huán)中,陽極鋰離子越多,能量密度也就越大。


然而,硅在充分吸納鋰離子后,其體積會膨脹300%,比石墨吸納鋰離子后的膨脹率7%要大很多。這種反復的體積變化,會造成固態(tài)電極變得“松軟”,容易崩離。以此,電池的循環(huán)壽命就會降低。


另外一層因素,是硅陽極由于充放電時的膨脹/伸縮特性,會破壞鋰離子電池電解質SEI膜的形成。這個膜是在鋰離子電池初次循環(huán)時所形成的,有關陽極材料有保護用途,可以防止材料結構崩塌。


基于上述原因,采用硅材料做陽極,雖然能量密度可以顯著提升,但也伴隨著副用途,最終會導致電池壽命縮短。所以,特斯拉采取的方法是,逐步在石墨陽極中添加少量的硅,在能量密度和循環(huán)壽命中尋找平衡點。


眾所周知,特斯拉采用的18650電池是由松下生產的。隨著雙方合作加深,特斯拉也在研發(fā)新的圓柱形電池。在Model3正式投產后,新型21700電池將取代18650,成為新的電芯。


21700電池依然是三元鋰離子電池,陰極材料是鎳鈷鋁酸鋰(NCA)。這種圓柱形三元電池,是目前能量密度最高的動力鋰離子電池解決方法。相比方塊形電池,此類電池雖然能量密度高,但穩(wěn)定性較差,要有較為出色的BMS(電池管理系統(tǒng))支持。


特斯拉最早的Roadster采用的是松下的NCR18650A型電池,額定電壓3.6V,容量3.1Ah。之前的85kWh電池組采用的是NCR18650B型電池,額定電壓3.6V,容量3.1Ah。


90kWh的電池型號不得而知,但應該不是直接由松下供應成品,而是特斯拉與松下共同研發(fā),專供特斯拉車型的定制化電芯。目前,松下生產的18650電池中,NCR18650G型是容量最高的型號,達到了3.6Ah。假如按照這個計算的話,85kWh電池組中的7102顆電芯,替換為G型電池,正好是90kWh。


所以,有一種可能性就是90kWh電池組中,電芯是NCR18650G型;而85kWh電池組中,電芯是NCR18650B型。總之,在電芯數(shù)量不變(電池組結構不變)的情況下,只有把單個電芯的容量提升至3.6Ah,才能確保90kWh的電量。


而要實現(xiàn)100kWh,有2個方法:一是再疊加2個電池包,按照每個電池包5.3kWh的容量,正好可以得到100kWh;二是替換能量密度更高的電芯。作者認為,后者是最佳,也是最有可能的一個方法。


因為90kWh是基于85kWh的電池組結構而來的。這個結構在18650電池規(guī)格下,已經定型,更改其設計結構的成本是很高的。事實上,電池組中已經沒有空間再疊加更多的電池包了。


假如新增電池包,不但電池組質量會新增,電池組的冷卻循環(huán)系統(tǒng)都要改動。所以,提升電芯容量,才是最經濟可行的方法。


試想,在100kWh的電池組中,不改動電池組結構的情況下,單個電芯的容量要提升至3.9Ah,才有可能實現(xiàn)100kWh的容量。所以,作者猜想特斯拉已經與松下研發(fā)出了3.9Ah的18650電芯。這一功勞只能歸功于陽極中的硅。


未來十年的汽車“智能”浪潮值得期待,汽車將由電控機械技術主導轉向電子、通信、軟件、材料、機械技術的深度融合,成為跨行業(yè)創(chuàng)新技術前沿。


“小型、輕量、智能、電動、共享”將成為未來十年汽車業(yè)的核心關鍵詞。伴隨消費者逐漸成熟理性,以及能源、交通、安全等問題日益顯著,汽車最終將回歸智慧運輸?shù)谋举|:“更輕便、更智能、更安全”將是未來發(fā)展方向。汽車產業(yè),將逐漸由封閉走向開放,由機械電控技術主導轉向電子、通信、軟件、材料、機械技術的深度融合。汽車業(yè)將成為跨行業(yè)、多學科的創(chuàng)新技術前沿,亦將因此激發(fā)更多商業(yè)模式創(chuàng)新。


我們預計,到2030年智能電動汽車市場份額有望超50%。其中,新興汽車公司或占半壁江山;未抓住變革機遇的傳統(tǒng)車企可能淪為代廠乃至退出市場。未來5年,ADAS及智能駕駛、車聯(lián)網、車用芯片、賬號及操作系統(tǒng)等技術值得關注。我國車企和創(chuàng)業(yè)型公司受益于資本力量和工程師紅利,有望在智能化進程中承接更多全球分工。


電動:降低造車門檻,開啟汽車智能革命的序幕。電動汽車大幅精簡汽車結構和零件數(shù)量,核心動力總成(如電機、電池、甚至電控)均可以向第三方采購,因此動搖傳統(tǒng)車企的體系優(yōu)勢和競爭力。新興科技型車企快速涌現(xiàn),并高舉“智能化”賣點。到2018年前后,以電動汽車為載體的智能汽車可能再次改變消費者對汽車的認知。電池仍占當前電動汽車成本50%,未來,有助于提升電池性能和電動汽車效率的技術值得關注,如:三元正極材料、濕法隔膜、石墨烯導電溶劑、輕量化等。


智能:未來汽車業(yè)主戰(zhàn)場從ADAS到無人駕駛。ADAS是智能汽車的重要落地,外資巨頭如博世、大陸等占主導地位,中資公司差距相對較大。我們預計,到2020年我國ADAS市場規(guī)模可達2000億。伴隨市場規(guī)模快速成長,中資公司可能在后裝ADAS和預警類ADAS領域尋求突破。有關上市公司和中資創(chuàng)業(yè)公司而言,可能存在的機會在于:1)汽車芯片、2)電子制動機構、3)激光和毫米波硬件和算法、4)基于攝像頭和多傳感器融合的算法等。


車聯(lián)網:智能的延伸和拓展,后裝車聯(lián)網快速發(fā)展倒逼前裝。前裝車聯(lián)網目前覆蓋的業(yè)務范圍相對有限,常見于導航和基本服務等,如通用安吉星等。未來,前裝車聯(lián)網可能進一步延伸至V2V、V2X領域,成為ADAS系統(tǒng)在特殊場景下的感知機構的延伸。LET-V等標準值得關注。后裝車聯(lián)網快速生長,產業(yè)鏈持續(xù)延伸,逐漸形成基于導航、娛樂的金融保險(UBI等)、二手車服務模式,亦應用于汽車貸款、汽車共享等領域。未來,后裝車聯(lián)網基于“人”的生活服務,有可能逐漸演變?yōu)橐攒囕d操作系統(tǒng)和O2O為載體的前裝業(yè)務。


共享:建立在汽車智能基礎上的商業(yè)模式創(chuàng)新。車聯(lián)網是汽車共享的安全基石,未來無人駕駛可能徹底改變汽車共享業(yè)態(tài)。出行共享(有司機)快速發(fā)展,車輛跟蹤和派單算法影響客戶體驗,資本力量對商業(yè)模式和產業(yè)格局影響較大。車輛共享(無司機)建立在車聯(lián)網定位/追蹤技術基礎上,C2C模式(如凹凸租車、PP租車等)初露端倪。


資本將發(fā)揮巨大用途。一級市場由此拉開又一輪科技投資熱潮;二級市場優(yōu)勢公司有望憑借融資能力和上市公司地位整合產業(yè)鏈,乃至形階段性閉環(huán)生態(tài)。但也要注意的是,未來汽車變革之路以10年為單位計,必然伴隨資本市場的周期波動和預期變化。Gartner曲線亦提示資本預期與產業(yè)進步速度差異可能導致的估值波動。有關布局智能汽車等先進技術的公司而言,融資能力、現(xiàn)金流管理亦成為技術實力之外的重要競爭要素。


“智能”汽車領域值得長期投資布局。未來十年的汽車“智能”浪潮值得期待,汽車將由電控機械技術主導轉向電子、通信、軟件、材料、機械技術的深度融合,成為跨行業(yè)、多學科的創(chuàng)新技術前沿,亦將因此激發(fā)更多商業(yè)模式創(chuàng)新。


1、電動:降低造車門檻,開啟汽車智能革命的序幕


電動汽車降低造車門檻,顛覆傳統(tǒng)車企在“動力總成”領域的核心競爭力。電動汽車大幅精簡汽車結構和零件數(shù)量,核心動力總成(如電機、電池、甚至電控)均可以向第三方采購,因此動搖傳統(tǒng)車企的體系優(yōu)勢和競爭力。到2018年前后,以電動汽車為載體的智能汽車可能再次改變消費者對汽車的認知。


電動化是未來發(fā)展方向。有關個人消費者而言,高端電動汽車能夠供應強勁的動力性和推背感,低端電動汽車能夠節(jié)省汽油開支、降低用車成本。有關國家而言,電動汽車便于排放集中處理,提升效率。


能夠幫助提升電池和電動汽車性能的技術值得重點關注。電池仍占當前電動汽車成本50%,面對問題包括:1)能量密度提升和成本下降,2)充電速度提升。值得重視的技術方向包括:1)三元正極材料;2)濕法隔膜;3)石墨烯導電溶劑。此外,小型化+輕量化亦是電動化的關鍵支撐,碳纖維、鋁鎂合金值得重視。


新能源拉開智能序幕


電動汽車時代,整車公司原有的核心競爭力受到了撼動,智能將成核心競爭力。傳統(tǒng)車企在“動力總成”領域的核心競爭力受到了挑戰(zhàn),新進入者打出“智能”牌,炫酷的屏幕和新技術對消費者構成較強吸引力。


特斯拉拉開了汽車智能大戰(zhàn)的序幕。開始接受預訂以來,Model3已累積接收近40萬張訂單,全球消費者有關智能和炫酷黑科技充滿期待。


電動化是未來發(fā)展趨勢


電動汽車帶來駕駛樂趣的體驗。電動汽車的加速性能秒殺傳統(tǒng)燃油汽車。ModelSP90D可實現(xiàn)百公里加速2.8秒,創(chuàng)下世界紀錄;比亞迪“唐”和“秦”也可輕松贏過燃油超跑。這是由電動機的工作特性決定的。


節(jié)能減排是全球的發(fā)展主題。綜合考慮從燃料開采到汽車驅動Well-to-Wheel全產業(yè)鏈效率,純電動汽車與燃油車相當,但仍然具有低于汽油車的能耗和排放。


我國石油對外依存度高,電動化是必然選擇。據(jù)我國石油集團經濟技術研究院統(tǒng)計,我國目前石油對外依存度超過60%,并且每年新增石油消費量70%以上為汽車。長期來看,燃油汽車的發(fā)展將會加劇我國石油危機,電動汽車成為必然選擇。


政策法規(guī)加速我國新能源汽車產業(yè)發(fā)展。2012年,國務院印發(fā)《節(jié)能與新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)》,提出2015年乘用車平均燃料消耗量降至6.9升/百公里,到2020年降至5.0升/百公里?!段覈圃?025》進一步提出,2025年乘用車油耗目標降至4.0升/百公里。法規(guī)標準倒逼乘用車公司發(fā)展電動汽車。


我國新能源汽車產業(yè)在政策扶持下快速起飛。據(jù)統(tǒng)計,2015年我國新能源汽車銷量達37.9萬輛,同比上升4倍。我們認為,我國新能源汽車產業(yè)已經在政策扶持下走向技術進步。2016年我國新能源汽車銷量有望達到60萬輛,滲透率2%;至2030年,新能源銷量可達2500萬輛,滲透率50%。


未來技術進步方向:動力鋰離子電池技術提升


新能源汽車帶動相關產業(yè)鏈,2020年市場規(guī)模有望接近萬億,動力鋰離子電池市場有望達到千億級別。


動力鋰離子電池是新能源汽車關鍵環(huán)節(jié)。新能源汽車目前行業(yè)滲透率仍低于3%,電池成本居高不下是重要普及緩慢的重要原因之一。純電動汽車電池成本約占整車成本近50%。電池能量密度提升、成本下降、充電速度提升是新能源汽車進一步普及的重要驅動力。


三元正極材料電池能量密度較磷酸鐵鋰離子電池提高15%-30%,將成為乘用車動力鋰離子電池主流技術路線。正極材料成本占鋰離子電池比例接近40%,是決定電池性能的關鍵要素。我們預計,2020年三元正極材料市場規(guī)模有望超300億。我們預計,2016年新能源汽車銷量可達60萬輛,帶來三元材料電池10GWh需求。


隔膜是鋰離子電池的關鍵組件,濕法隔膜技術將進一步普及。受益于三元及高端磷酸鐵鋰離子電池滲透率提升,預計其2020年需求有望超18億平方米,且受益于國產供需持續(xù)存在缺口,產品價格及利潤率穩(wěn)定。預計2020年濕法隔膜市場規(guī)模超50億。


石墨烯或將用于鋰離子電池:導電劑、電極材料。石墨烯導電性能、力學性能優(yōu)異。目前尚處于研發(fā)期,預計2020年市場空間可達5億。


未來技術進步方向:輕量化發(fā)展


輕量化可顯著提高續(xù)駛里程,是電動汽車發(fā)展的必然選擇。電動汽車重量降低10%,對應續(xù)航里程可新增5.5%。在動力鋰離子電池能量密度尚不能完全滿足要求的當下,輕量化成為提高續(xù)駛里程的重要手段。萬鋼部長也在2016我國電動汽車百人會論壇上再次強調:“輕量化”是我國電動汽車發(fā)展的方向之一。


汽車輕量化材料繁多:高強度鋼、玻璃纖維、鋁合金、鎂合金、碳纖維等。鋁合金被廣泛應用,碳纖維是未來方向。鋁合金應用于汽車輕量化的技術較為成熟,已達量產水平:特斯拉ModelS采用了全鋁車身;奇瑞捷豹路虎的全鋁廠已經竣工投產;車和家的鋁合金廠也已落戶常州。碳纖維材料由于其突出的減重性能和比強度而受到廣泛關注,但由于其造價高昂,目前只有極少數(shù)量產車型采用:如寶馬i3、長城華冠的首款車型K50。


2、智能:未來汽車主戰(zhàn)場,從ADAS到無人駕駛


智能汽車將重塑車企的核心競爭力。在汽油機時代,發(fā)動機、變速箱組成的動力總成是傳統(tǒng)車企的核心競爭力。有關大型乘用車公司而言,發(fā)動機往往采用集團內InHouse的做法;新進入者無法購買合適的高性能發(fā)動機,只能通過自行研發(fā)積累。但一款好的發(fā)動機的研發(fā)周期往往要十年以上的時間;而一旦批產發(fā)動機出現(xiàn)質量問題,又可能對車企的品牌形成巨大傷害。因此,發(fā)動機也就成為了傳統(tǒng)整車公司最大的壁壘和核心競爭力。


電動汽車時代,智能將成車企的核心競爭力。電動汽車大幅精簡汽車結構和零件數(shù)量,核心動力總成(如電機、電池、甚至電控)均可以向第三方采購,因此動搖傳統(tǒng)車企的體系優(yōu)勢和競爭力。新進入的造車公司往往以“智能化”為賣點,以炫酷的前沿技術吸引更年輕的消費者。未來10-20年,汽車產品及其產業(yè)鏈將面對巨大變化和挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)車企不得不重新披掛上陣,加速智能應用的開發(fā)進度,以應對新進入者的挑戰(zhàn)。


未來汽車業(yè)主戰(zhàn)場從ADAS到無人駕駛。ADAS是智能汽車的重要落地,外資巨頭如博世、大陸等占主導地位,中資公司差距相對較大。我們預計,到2020年我國ADAS市場規(guī)模可達2000億。伴隨市場規(guī)??焖俪砷L,中資公司可能在后裝ADAS和預警類ADAS領域尋求突破。有關上市公司和中資創(chuàng)業(yè)公司而言,可能存在的機會在于:1)汽車芯片、2)電子制動機構、3)激光和毫米波硬件和算法、4)基于攝像頭和多傳感器融合的算法等。


ADAS:智能駕駛的落地載體


我們當前處于輔助駕駛前期,距離徹底的無人駕駛還有較長距離。美國汽車工程學會SAE將自動駕駛分為0到5級。目前L1和L2技術已相對成熟,L3和L4技術即將量產(特斯拉已經提前進入了3級自動駕駛階段)。徹底的L5無人駕駛是指全路段、全天候的,無需人工干預的全自動駕駛,汽車可自主完成加速、制動、轉向等動作,可能要至少十年才能達到產業(yè)化階段。


智能駕駛以技術為核心驅動力,打造感知、決策、執(zhí)行的閉環(huán)控制。目前ADAS核心技術重要掌握在外資公司手中,包括博世、大陸、德爾福、電裝等。我國多年積累的工程師紅利體現(xiàn),創(chuàng)業(yè)型公司大量涌現(xiàn),本土工程師和海歸力量共同推動技術進步。但綜合考慮法規(guī)、標準、公司規(guī)模和抗風險能力等要素,整車廠對大規(guī)模采購創(chuàng)業(yè)型ADAS產品仍有顧慮。中資公司可能在后裝ADAS和預警類ADAS領域尋求突破。


智能駕駛亦為三層金字塔供應鏈格局。1)頂端的OEM和科技型造車公司;2)ADAS供應商;3)底層零部件供應商。


市場空間:萬億無人駕駛,千億ADAS,百億元器件。全球汽車銷量增速放緩,但是整體銷量仍超過8000萬。我國市場2015年行業(yè)銷量達2460萬輛,帶動相關產業(yè)鏈超2.5萬億。ADAS系統(tǒng)有望先行普及,預計2020年滲透率有望超30%,市場規(guī)模接近2000億。同時產業(yè)鏈上游相關元器件行業(yè)如、攝像頭、HUD(抬頭顯示)等需求均有望快速上升,2020年有望達到百億級別。


根據(jù)功能不同,ADAS可分為預警類和執(zhí)行類。在遇到緊急情況時,預警類ADAS只發(fā)出警告信號,由駕駛員決定如何操作;而執(zhí)行類ADAS則可自主判斷決策,控制車輛實現(xiàn)加速、制動、轉向等動作,以防止碰撞。


國外汽車零部件巨頭在ADAS領域保持優(yōu)勢地位。包括大陸、德爾福、電裝、奧托立夫、博世等。


創(chuàng)業(yè)型公司大量涌現(xiàn),上市公司亦希望借由參股和收購創(chuàng)業(yè)公司方式進入ADAS領域。借由資本的力量和我國多年積累的工程師紅利,ADAS領域里的創(chuàng)業(yè)型公司快速涌現(xiàn)。我們認為,只有真正掌握核心技術、具有較強市場拓展能力(整車廠渠道)、具備出色融資能力、管理團隊優(yōu)秀且持衡的本土創(chuàng)業(yè)型才有可能最終勝出。在ADAS創(chuàng)業(yè)競賽中獲得最終勝利決非易事。



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