QDSJ187 特斯拉电动汽车发展历史和关键技术解读

NO. 187特斯拉电动汽车发展历史和关键技术特斯拉成立之初，遇到的一个大难题就是新技术的早期研发成本会导致产品的价格过高。但是特斯拉是电动汽车领域的首创者，所以即使产品价格昂贵，物有所值也会被人们接受。由于市场上已有质量较好且价格合适的燃油汽车，推出质量与 2.5 万美元的燃油汽车相当但却要卖 10 多万美元的电动汽车是行不通的。因此，特斯拉制订了「三步走」的商业战略规划：第一阶段向超级富豪推出高价、小批量汽车。推出第一款产品时价格很高，但确保汽车的高档品位，使其物有所值，即生产出的汽车足以媲美顶级性能车，是为了吸引第一批目标顾客成为电动汽车的「铁粉」，向公众证明电动汽车可以达到甚至超越传统燃油汽车的技术水平，那么定价为 10 万美元也就不存在问题。特斯拉第一阶段电动汽车 Roadster第二阶段借助第一阶段获得的利润，开发第二阶段的汽车。以中高端价位向更多相对富裕的消费者推出中等价位、中等批量生产的电动汽车。第二阶段的汽车依然比较贵，但其竞争对象更像是 7.5 万美元价位的奔驰或宝马，而不再是法拉利。这样做的目的是为了扩大公众对电动汽车的接受面，特斯拉为此推出了 Model S 及 Model X（图 2），这也是特斯拉正在经历的阶段。第三阶段通过第二阶段获取的利润和积累的经验，开发更经济、更大规模量产的大众化电动汽车，其相对便宜的价格和保养的节省，使中产阶级完全可以负担得起。这一阶段主要是为了促使更多传统汽车厂商在电动汽车项目上进行投资，刺激竞争，推动整个行业朝着可持续交通的方向转变。特斯拉在第三阶段将推出 Model 3 车型，价格很可能只有 3.5 万美元左右。特斯拉电动汽车 Model X在汽车行业有这样一个经验法则：汽车价格每下降 5000 美元，能够买得起汽车的买家数量就会大约增加 1 倍。所以说，如果特斯拉能够推出比 Model S 便宜 35000 美元的主流电动汽车，买家数量会翻 7 番，也就是之前的 128 倍，届时大多数人都能够买得起这款车。如果选择购买 Model 3 的人很多，也将促使其他汽车公司在电动汽车项目上进行大量投资，从而间接地通过刺激竞争，推动整个行业朝着电动汽车的方向实现多个数量级的跃进，而特斯拉在其中就将发挥重要的催化剂作用。因此，第三阶段就是特斯拉存在的意义。可以看出，特斯拉最艰难的阶段是第一和第二阶段，因为汽车是最典型的规模产业，没有大规模量产，就没有盈利。特斯拉已经成功走过了第一阶段，第二阶段也将在 2017 年完成。特斯拉 Model 3 车型面世将是一款彻底颠覆整个汽车行业、改变世界交通状况的节点性产品。特斯拉Model S电池特斯拉是较早大规模采用 18650 型三元锂离子电池的电动汽车公司。这种类型电池曾一直用于笔记本电脑、数码相机、手机等电子消费产品中。针对电动汽车的应用环境，特斯拉使用的 18650 型电池又不同于笔记本等数码设备所使用的 18650 型电池，其技术标准也要高于后者，例如在设计上特斯拉使用的 18650 型电池能量密度高于同时期其它类锂电池 50% 以上。特斯拉选择松下 18650 型电池的原因主要有：能量密度大，稳定性、一致性更高；技术较为成熟、出货量大、生产自动化程度高，可以有效降低电池系统成本；全球每年生产数 10 亿个18650 型电池，安全级别不断提高；单体电池尺寸小但可控性高，可降低单个电池发生故障带来的影响，即使电池组的某个单元发生故障，也不会对电池整体性能产生影响，但车辆会显示出错误信息，对用户进行警示，这也是配备较多单体电池的好处。电池包外壳去掉电池包外壳特斯拉旗下量产车型 Model S使用的是松下定制的三元材料电池。锂电池分为动力电池和储能电池，行业内把驱动汽车用的电池叫动力电池。虽然 18650 型电池是全球顶尖电池，但传统18650 型锂电池也有其自身特性所无法忽略的一些相对弱点，例如对温度相对敏感、一致性差等。电动汽车对电池的要求是单次充电续航里程大、性能稳定可靠、安全系数高且可循环充电次数多。特斯拉解决18650型传统电池短板的办法包括：活性的电化学材料、改进的电芯结构设计、优化模组设计、先进的故障保护机制和电池充放电控制，以及其业内领先的热管理系统和电池管理系统。活性材料和改进的电芯结构设计，带来单位体积/重量内能量存储更高，提高充电电压的同时，电芯稳定性更好。采用多电芯并联成组方式，提高电池包瞬间放电能力；电池包的多模组串联及其平板设计，更利于底盘布置更多的电池，提高单次充电的续航里程。核心的故障处理机制，全温度区间电池充放电的控制，以及高精度的 SOC 和 SOH 算法，对于单次循环超过 400 km 续航里程而言，假使 600 次日常充放电循环，同样可以满足 240000 km整车寿命。事实上，特斯拉为客户提供 8 年不限里程的质量保证。热管理系统不仅仅指液冷，还有围绕电芯覆盖面的绝缘、导热创新材料的应用，以及长方形铝制冷却管路的设计，确保电池工作在最优化、最一致的温度区间，从而获得即使在低温低电量时的电芯均衡一致性，并延长电池循环寿命，满足汽车级要求。电池管理系统是指基于汽车级的硬件软件，特别是多重安全设计，协同电芯、模组、电池包的安全装置，确保电池包安全可靠。同时该系统创新的控制策略保证了电池的监控管理精度最优化。特斯拉公司的研究人员对电池组的每一个层次都进行了严密的监控，在每个电池单元两端均设置有保险丝，一旦电池过热或者电流过大则立刻融断，断开输出，以此避免因某个电池出现异常情况（过热或电流过大）时影响到整个电池包。在每个电池模组上，均设置有电池监控板（Battery Monitor Board，BMB），用以监控每个电池块的电压、温度以及整个电池模组的输出电压。在整个电池包上，设置有电池系统控制器以及智能保险，用以监控整个电池包的工作环境，包括电池包的电流、电压、温度、湿度等。在系统层面，设置有系统安全控制器，用以监控电池系统控制器。在车辆发生碰撞时，电池的外部结构可以保护电芯免受冲击并自动切断电源，这样一套电池控制系统已经成为特斯拉汽车电池的技术核心。长行驶里程Model 3的电池组电压为350V，容量为230Ah，所以达到80.5kWh。基本型号(50 kWh)提供220英里行驶里程。Model 3 的电池组由四个比例不同的模组构成。其中两个模组由 25 个电池单元构成，另外两个模组由 23 个电池单元构成。每个电池单元有 46 个 21700 电芯，Model 3 总共有 4416 颗 2170 电芯。Tesla Model3电池包在整车的布置Tesla Model3电池包构成Tesla Model3电池包构成电池管理和充电控制和DCDC、车载充电机、PDU都被集成进一个单一单元。Tesla Model3电池包内部结构电池组的外壳中直接集成了大量电子元件，缩小体积的同时，减轻了重量。Model 3并没有采用与model s相同的18650型电池，反而用上了更好、更先进的21700电池。特斯拉推出21700型电池一是为了引领技术方向，二是迫于成本压力。在电动汽车的电池领域，一直保持着圆柱形锂电池、软包电池和方形锂电池三分天下的局面，特斯拉的18650型电池和21