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Tesla到底领先了多少?

浏览量:10 次 发布时间:2019-06-04 14:30 编辑: 来源:

编辑语:在人们的印象中,Tesla作为电动车行业的领军者,以车辆的长续航、超强性能以及操控见称,可是Tesla到底领先了多少,真的有很多人知道吗?让我们带着许多网友的问题,一起走入一个以技术和创新引领的电动车科技企业。



特斯拉看重的Maxwell的干电极技术解析


用干法将额外的锂添加到负极,补偿容量损失。


特斯拉已完成对Maxwell的收购,该公司之前更多主要从事超级电容的开发与应用。然而,近期大部分业界媒体已经注意到特斯拉对Maxwell的兴趣可能更多与他们的干电极技术有关。

那么Maxwell的干电极技术到底神在哪儿呢?前不久Randy Carlson在Seeking Alpha上发表的一篇文章中写到了有关此过程的大量技术细节,试着大白话翻译了一下。


原纤维化(Fibrilization)

特斯拉收购Maxwell的一项重要技术理由可以归结为“原纤维化(Fibrilization)”。这是什么意思呢?举个例子,在炎热的天气下,鞋底不小心黏到了口香糖,当你抬脚继续向前迈步时,就会使黏到鞋底的口香糖“纤维化”。所有那些将将鞋底连接到人行道上的粘性物质称为原纤维(Fibrils)。



Maxwell的干电极工艺通过将混入活跃的负极或正极材料颗粒的PTFE(Teflon)原纤维化,形成负极或正极材料的自支撑膜(self supporting film)。我们可以把Maxwell的这个工艺想象成一个装满高尔夫球和口香糖的大水箱,水箱底部有一个窄口的二维漏斗。当高尔夫球的重量通过槽将高尔夫球和口香糖片推到底部时,高尔夫球之间相互推动、滑动和滚动,偶尔会有一些口香糖被挤压。随着高尔夫球继续重新排列穿过狭槽,高尔夫球最终与口香糖的原纤维连在一起。这就是对Maxwell工艺的大致描述。然后将负极和正极材料的薄膜层压到金属箔集电体上制备负极和正极,正极和负极之间用隔膜卷绕制成电池的卷芯。


而最关键的是Maxwell的工艺使电池的负极和正极不使用溶剂。


传统的锂电池制造使用有粘合剂材料的溶剂,NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)是其中一种常见溶剂。将具有粘合剂的溶剂与负极或正极粉末混合后,把浆料涂在电极集电体上并干燥。溶剂有毒,必须小心回收,进行纯化和再利用。而且需要巨大、昂贵且复杂的电极涂覆机。下图就是若干年前特斯拉Giga 1正在建造的这种机器。



Maxwell干电极工艺更简单,不使用溶剂,它提供了一个重要但不那么明显的优势。该过程从电极粉末开始,比如说特斯拉的NCA正极的锂镍钴氧化铝粉末。将少量(约5-8%)细粉状PTFE粘合剂与正极粉末混合。然后将混合的正极+粘合剂粉末通过挤压机形成薄的电极材料带。


将挤出的电极材料带层压到金属箔集电体上形成成品电极。过程如下面草图。



Maxwell的工艺皆适用于正极和负极。用NCA粉末和铝箔制作正极,用石墨粉和铜箔制作负极。另外,还为Teflon添加了一些不同的聚合物,获得了更好的强度和离子传输,添加一些其他材料可以提高导电性。通过将电极膜卷绕成卷,然后送入层压机。但这个过程其实非常非常简单。


Maxwell已将这种工艺用于制造超级电容。使用这个简单的过程,制造电池的成本支出将会少得多,且不使用溶剂。


更高的能量密度

为了充分理解在电极制造中不使用溶剂的重要性,就需要了解整个锂电池的制造方法。


通常锂离子电池处于很低的电量状态时,当暴露在空气中时它们不会有剧烈反应。正极材料、既锂化金属氧化物会完全锂化,而负极不含任何锂。这意味着所有锂离子(除了在电池末端添加的电解质中的少量锂离子)都在正极材料内。


正极材料很重,大约是其中锂含量的20倍。在完全充电的锂电池中,大部分锂已从正极材料中移动并储存在负极的石墨中。随着电池放电,锂返回到正极,锂离子嵌入到正极中,回到金属氧化物晶体中。当负极消耗完锂,或正极充满锂且不能再接受更多时,电池就已完全放电。


这里存在一些问题。当电池充满电解质且进行第一次充电时,正极材料的一些锂离子会被负极、电解质和锂离子之间的反应消耗掉。这种寄生反应形成SEI(Solid Electrolyte Interphase,固体电解质界面)。SEI是电池的重要组成部分,因为它可以防止电解质与负极中的碳反应。问题在于,一旦进行第一次充电,在放电过程中从负极返回正极的锂离子就会损失一些。结果导致了“第一次循环容量损失”,这种现象在所有常见类型的锂离子电池中很普遍。第一次循环容量损失真正重要的原因是用于形成SEI的锂成为了锂化正极材料的一部分,因此电池在生命周期内总是带着一堆永远不会被使用的很重的正极材料,因为它最初包含的一些锂在SEI中被束缚住了。


解决方案似乎只需添加额外的锂来弥补用于形成SEI的缺口部分。这似乎只是一个小问题,添加的锂必须是锂金属,或者将锂添加到负极的石墨中。但在有溶剂的情况下,锂金属和与混有锂金属的碳不能很好地彼此融合,通常都伴随着烟雾、火苗和噪音等强烈反应。因此,第一次循环容量损失的问题一直没有得到很好的解决。


但Maxwell的工艺不使用溶剂。顺便提一下,Maxwell有一项待审专利,专利内容正是用干法将锂金属添加到负极,补偿第一次循环的容量损失......



添加额外的锂有两个好处。首先,少量添加的锂可以弥补在初始充电时形成SEI所消耗的锂,从而减少第一次循环容量损失。这就意味着更高的电池容量与能量密度。


其次,添加更多的锂可以补偿随着时间的推移而消耗掉的锂,因为SEI会随着电荷循环以微小的速度继续增长。因此,添加一点锂可能意味着增加电池寿命。

结论

Maxwell的超级电容本身似乎对特斯拉电池性能的提高暂时不会有立竿见影的作用,但Maxwell用于制造超级电容器的专利工艺可以大大降低特斯拉或松下的电池制造成本。此外,由于这是一种干电极制造工艺,可以添加额外的锂,特斯拉/松下电池的容量和循环寿命都可能会提高。


前段时间不断有些传闻说松下可能计划削减对Giga 1的资本支出,有些人认为这是松下失去了对特斯拉销量信心的证据。而通过这篇文章,另一个更有趣的解释可能是,松下认为现有工艺可能会因技术迭代即将过时,继续投资会面临不小的风险。因此可密切关注特斯拉与松下之间的关系动向。


Roadster 2如何达到较高速度


最近Elon在接受电台采访时,说到了Roadster 2可选装SpaceX套件,并强调了车辆惊人的加速度,那么,以电机驱动的Roadster如何能达到较高速度呢?


有一些因素会决定你的最高速度。 一个是发动机最高转速和最低齿比,其次是功率输出,还有就是轮胎的设计。


来看下车身的受力图。发动机或电机有一个向前的力,同时受到滚动阻力和空气阻力。当这两种力相等,且与发动机或电机的最大力相反时,汽车会达到最大速度。滚动阻力是轮胎接触面积的函数,汽车质量在燃油车和电动车上应该没什么区别。



布加迪Chiron大约是4,400磅,特斯拉LR版的二代Roadster也差不多。这两款车真正不同在于空气动力学,Chiron的风阻系数是0.35、二代Roadster则为0.22。



Chiron的风阻相对高一些是由于配有8升发动机,需要极高的进气量,同时还有10个散热器。超跑性能的关键指标不只有风阻系数,它们需要特殊的空气扰流板和车身面板来提供足够的下压力来抵消高速行驶时的上升力。汽车前部的阻力系数和空气密度系数都会影响到空气阻力,但速度的平方值是最大的影响因素。如果速度加倍,就会有四倍的空气阻力。这就是空气动力学对超级跑车如此重要的原因。



为了明白二代Roadster是如何达到250mph的最高额定速度的,让我们做一些计算。假设电机的最高转速为18,000转,21英寸轮毂总轮径约为28英寸,乘以π,周长约为7.5英尺。这意味着车轮将在一英里内滚动730圈,乘以每小时英里数的车速除以60,就可以获得每分钟的车轮转数。



我们看一下Model S,其电机的固定减速比为9.7:1,最高车速为157mph。



而为了使Roadster达到250mph,齿轮必须从9.6减少到6左右。



如果你想知道为什么所有的电动车都不只是使用较低的齿比,是因为一种叫做“机械效益”的现象。想象一下,你试图用一个滑轮举起一根10磅重的物体。如果你下拉滑轮一侧的绳索2英尺,就不得不用10磅的力才能让10磅重的物体抬高2英尺。这是1:1的机械效益。



相反,如果你添加了第二个滑轮,并用10磅力下拉2英尺,你就可以举起20磅的重量,但它只能行进1英尺。这是1:2的机械效益。减速齿轮就是相同的原理,因此齿比越大,速度就越低,但扭矩却更大。



所以,这与所有的工程问题一样,就需要权衡。工程师们必须针对现实进行优化。对于二代Roadster(或是说所有未来的超跑)来说,它们可能会针对不同的电机设计不同的齿比。对于前置电机,可以像以前一样使用9:1的减速比,以便为低速时提供更大的扭矩和性能。对于后置电机,更可能使用5/6:1来允许更大的最高速度。


从广义的角度来看,你可以看到电动车在许多方面都优于燃油车。当然电池的能量密度和电动车的平均续航还有进一步提高的空间。


Model 3到底有多先进?


凯文凯利在5月27日的中国国际大数据产业博览会上说到:“为什么特斯拉比福特更值钱?一边是福特公司,每年生产一亿台汽车,总收入大概350亿美元;再看特斯拉,它的产量每年大概只有20万台。但很重要的一点是——它的价值非常大。

因为福特公司,它的产品跟数据是没有任何关系的,福特公司不懂得收集它客户的数据,不懂得收集车载的数据。但是特斯拉不同,它可以通过车载的数据来分析消费者、驾驶人员的驾驶习惯,它的车轮上甚至都嵌入了微型计算机。所有车上的数据都能上传到平台进行分析,帮助它们制造下一代的驾驶车辆。”



Model 3除了是Tesla史上销量最高的产品,它还具备了很多Tesla的先进技术,这些技术如今也运用在了Model S和X上。北美的Sandy Munro以拆解车辆并出版研究报告著称,当然Model 3也成为了Munro的目标之一。


Munro说Model 3的冷却系统非常值得称道,Model 3有着一个非常特别的冷却中枢 — Superbottle。就是这个大怪物!



其实这部分是Munro在谈到为什么底特律造不出像Model 3这样的车时,拿这个冷却中枢来举例的(就是这么个东西需要好多部门参与,各自为政现象……)。




奇怪的图案

Superbottle上有一个独有的图案,这个之前在网上留出的Munro拆解的图片中就引起过部分注意,有位国外车主为博友介绍Frunk时也发现过。



来自国外某油管博主介绍model 3 Frunk的视频


上面还印有“Superbottle”的字样~



Model 3的BMS上就有性质类似的特别的图案,不知道这些是啥意思。



你会奇怪我为啥在那两块64针芯片上也画圈了,因为上面其实也有图案,就像下面这样。



初步推测可能是特斯拉的工程师们会在自己比较关键的in-house的东西上,留下这些表示所属权的东西,秀一下优越感,意思是“你是我的”(完全瞎猜的)。题外话,不过BMS那块核心的64针芯片应该是Analog Device的,不明白了~


Anyway,以下有关Superbottle的介绍基本上是基于David那篇文章。


Superbottle的结构

Superbottle的整体设计很有趣。典型的汽车冷却回路会包括一个冷却剂罐、一个水泵、一些软管、一个热交换器,或许还有某种阀门。通常情况下,这些组件是彼此独立封装的,每个组件都有各自的安装条款和专用包装空间(加上间隙要求)。


然而,Model 3的冷却系统却很不同,它把两个泵、一个热交换器和一个控制阀都集成在了冷却灌的瓶身上。看看这个巧妙的设计。



看一下水泵。



这是电子驱动的冷却剂控制阀,由它改变冷却剂流动的路径。



这是一个计算机控制的执行器,由它来改变冷却剂的流动方向。



这是一个冷却器的特写,它就固定在Superbottle的侧面。



冷却回路图解

看下图中Superbottle所在的位置,中间写着“CR”的圆圈代表冷却剂罐。这个图解释了Superbottle是怎样成为冷却系统的核心、即组件和热交换器之间的中枢,从而完成电池、驱动和电子电气系统的冷却工作的。



下图是冷却模式的示意图。冷却剂从电池中取热,从电池包的后端被抽到冷却剂罐里,然后通过冷却器进行冷却。最后把冷却下来的冷却剂抽回到电池包的前端,与此同时又会重新取热。


第二个水泵将冷却剂送到管理模块(图片上灰框里的Management Module,就是Penthouse那里面的一堆stuff),再进入驱动单元(包括电机),随后返回散热器进行冷却,然后进入罐内,最后再返回到penthhouse获取更多的热量。



再看加热模式,冷却剂被注入到Penthouse,再进入驱动单元的油冷却热交换器取热,通过集成阀从散热器直接经过冷却器(在这种情况下是不工作的)为电池加热。


Munro说,特斯拉实际上是故意利用电机堵转所产生的热量来为电池加热,这是一种不需要电阻加热的新解决方案。



Superbottle的优势

以下是Munro对Superbottle相对于传统设计的优势进行的全面分析。


  • 由于水泵、执行器和阀门与外壳的集成,增加了模块化和包装空间的优势。(组件通常有空间保护要求,如果是彼此分离的组件,会根据布局增加这些要求)。


  • 随着冷却系统功能方面的集成,增加了可服务性功能的潜力。


  • 与Superbottle集成的组件外壳相关的潜在重量降低。


  • 由于没有独立的水泵安装支架而带来的潜在重量的降低。


  • 降低了最终组装成本,因为这可能是一个完整的模块。


  • 由于组件集成和快速断开的设计,减少了最终装配时间与劳动力。



硅谷基因


Munro一直都大加赞赏他们将许多电子器件都高度集成在各种电路板上的技术,可以使线束长度大大缩短,EEA简单许多,这本质上是源自硅谷的东西,底特律基因是做不出来的。



去年美国媒体对特斯拉的首席电机设计师Konstantinos Laskaris进行过几次采访,他只是说Model 3更换为永磁电机是出于对成本、性能、效率之间的平衡,技术细节上没有什么干货。但Model 3电机的水很深,简单粗暴地归因为要国产化的分析似乎太简单了。


Laskaris谈model 3电机的报道


特斯拉与感应电机的渊源

任何特斯拉的爱好者都非常清楚,他们的名称源自生活在19世纪的Nikola Tesla,而他发明的三相交流电机也是特斯拉电机的源始。


Nikola Tesla与三相交流感应电机


特斯拉从一代Roadster到Model S、再到Model X,都采用了三相交流感应电机(3-phase AC inductuon motor)。但Nikola Tesla的发明几十年后,这款电机一直处于只能在一个固定的三相交流电源座上的尴尬。直到上世纪60年代硅谷终于用数字技术使感应电机摆脱了那种固定状态。大约在1990年,Alan Cocconi开发了一种早期便携式的逆变器,将电动车电池中的直流电(DC)转换为感应电机所需的交流电(AC)。“逆变器+电机”组合最终用在了GM的EV1上。没错,通用曾经就这样与一个时代失之交臂了,估计自己回想起来都像是梦魇。


GM的EV1(样子实在是不怎么好看哈~)


后来Cocconi又将该技术的改进版用在了tZERO跑车上。


tZero跑车


后来被特斯拉联合创始人Martin Eberhard和Marc Tarpenning发现了,再后来Musk出场了,然后就是特斯拉的故事了。这些历史点被连起来,就可以理解特斯拉最初会采用感应电机的原因了(尽管有许多技术改进)。


Tarpenning and Eberhard with the Tesla Gen.1 Roadster


感应电机与永磁电机

在目前主流的永磁电机与感应电机的对比中,感应电机的优点在于它不需要任何永磁材料(Permanent Magnet),而使用电磁铁(缠绕在黑色金属芯上的线圈)。


model S/X电机剖面图


由于硅谷半导体技术的出现(可以每秒多次进行开关和切换,比如高大上的MOSFET和IGBT),才让感应电机的出现成为可能。而永磁电机的转子通常都需要用到稀土材料,它的高成本、退磁与损毁的可能性、原材料供应链和期货市场价格的浮动等问题都是很明显的弊端。当然,感应电机也有其不完美的地方,比如特斯拉采用的铜转子,需要很高的铸造工艺。


model S/X的铜转子


由于感应电机的工作性质,转子往往会过热,造成能量损失,而这在电动车中又是很敏感的部分。此外,感应电机在低速工况需要频繁启停时也比较低效。因此,感应电机技术无论从成本还是效率上都有较大的改善空间。


创新任务

假设当工程师们接到了为Model 3开发新电机的任务时,马斯克给出的限定条件是要比上一代的感应电机成本要低,但性能上却不能妥协,还要更紧凑和高效。你可以想象一般这种情况下,工程师们要么就是跳楼,否则就要硬着头皮拼命创新了。 对啊,一般创新就是这么被逼出来的。


或许,可怜的工程师们第一步先会把历史中所有的电机技术都研究一遍。解释一下,这不是强词夺理。几百年前美国国父们在想着怎么拟定独立宣言、给自己设计一个啥样的政体时,麦迪逊就曾把历史中所有的政体都研究过一遍,还列出表格做对比呢,多可爱的钻研精神啊~


磁阻电机

而在以往所有的电机技术中,其实有一项技术是早于Nikola Tesla在1892年发明的三相交流电机的。磁阻电机其实早在1838年就被发明出来了,而且它的设计竟然令人惊讶的简单、高效和紧凑,且成本低廉。意外吧?


但磁阻电机却被束之高阁一个多世纪,是因它有一种叫作扭矩脉动的毛病(Torque Ripple),导致磁阻电机的功率输出会上下波动。


维基百科对Torque Ripple的解释


这对于电动车的行驶体验来说,简直是无法接受的,因为你一脚踩下踏板后无法获得一个平滑的加速。举个,前段时间我的车发动机曲轴传感器出毛病了(对此很惭愧,暂时预算太紧张买不起电动车),结果就是高速行驶时各种抖动和迟滞现象;再举个,飞机上遇到过气流过境吧?对,就像那样。


所以,磁阻电机就淹没在历史的洪流中,而那之后感应电机却因着硅谷的技术加持而崛起了。


磁阻电机的突破

所以,磁阻电机一直以来都被认为是非常难以被“驾驭”和“驯服”的,但逆变器和控制技术的发展又让它有了些可能性。尽管如此,直到本世纪初时,解决Torque Ripple问题仍旧是项挑战。


但你会细心发现其实业界已经陆续开始对此有了一些突破性研究,2011年有份研究论文就声称Torque Ripple问题得到了解决。



研究人员在磁阻电机的定子现有的电磁体中嵌入了一些稀土,竟然就可以让扭矩变得很平滑,而且这种方案还会使整个功率输出提高30%!




一般永磁电机里的稀土都是在转子上的,他这个发现还挺有意思的。然后就很自然的会怀疑Model 3的电机是不是也是这个路数呢?


可是…… 事情又有了反转。就是SandyMunro拆了Model 3,爆出了几张图片,真相才大白。



好消息是特斯拉其实并没有忘本抛弃了感应电机,他们的双电机版本,前驱用的还是感应电机。


马斯克的推文,前驱感应电机,后驱是IPMSRM

怎么做到的?

特斯拉很早前就说过model 3动力系统的耐久目标要达到1Mn miles(约161万㎞),前不久他们还真就展示了刚经过1Mn miles耐久测试的动力驱动单元。然后马斯克发推说“Model 3 motor/gearbox still in good condition after driving 1Mn miles. Designed for ultra high endurance.”



而且马斯克还说过Semi正在突破目标1Mn miles的研发,Semi正在用Model 3的动力单元负载进行着测试。


强大的SiC MOSFET

这个当然还是得靠图片,感谢Munro老爷子,谜底其实和电机转子的图片公开时一起很快就解开了。就是下面这个东西。



原来厉害在强大的逆变器。Model 3是第一款在电机控制器中采用SiC MOSFET的电动车(总共24个SICMOS),好处当然就是可以大幅提高逆变器的功率密度,让工作效率和续航等啥的变得很牛。


特别夸奖了电池的一致性极高,还拿出来基于Nvidia的改的那块板子,说简直是航天级的水准。但当时他因为不知道Nvidia是啥公司,还被diss说根本不懂IC的部分。

竞品对比

电机这部分Munro说的比较深入,其实关键点在几个月前Bloomberg的视频中他就谈到过了。


首先看一下,Model 3的电机是竞品中重量最轻、成本最低,但输出功率却是最大的。这套电机的效率比竞品的效率大约高出多少呢?Munro说的还特别有技术性,square root of 2(2的平方根),普通话翻译过来就是高出40%左右。


Munro让节目组拍下了这张对比图


而让Model 3的电机如此高效的原因就是那几块神奇的永磁块。


神秘的磁块

来看Munro之前在网上流出的一些拆解图片,看看那些磁块所在的位置。



你能看到转子上那些长方形的磁铁嵌入的位置吗?缺了一块,估计就是Munro拆下来的那块。Musk曾经发推说这是International Permanent Magnet(IPM),因为IPM早在日系为主的一些混动车型上采用了,当时就想说这没什么稀奇的。


来看一下近镜头,这就是从电机上拆下来的其中一块长方形磁块。



之前Munro在Bloomberg的视频中也特别提到这个磁块设计的创新性,就是当时没解释到底创新在哪里。



你可以从磁块上清晰看到有三个条纹,那就是四块磁极彼此排斥的永磁块的结合部分。而特斯拉竟然把这些磁块黏在了一起(回忆下小时候玩过的吸铁石,如果想把磁极彼此排斥的那面对在一起,如果是磁力特别大的吸铁石,徒手简直是不可能的),Munro说他也不知道用了什么厉害的胶。


这些磁极彼此的排斥力有多大呢?Munro说他刚开始拆下来看到这个小磁块的时候感到很新鲜,然后打算把这些黏连在一起的磁块拆开来看看,结果四个东西就像爆炸一样崩开了。


人们买的不是电动车,而是特斯拉


电池成本差距似乎会越拉越大,早些时候FT预测电芯成本时,特斯拉已经遥遥领先了。



而目前Giga1的产能已经马上就要逼近35GWh了,今年再预测的话成本可能又不是这个数了。


不知道为什么,特别喜欢这张有野马的Gigafactory的图片


在过去的几年里,特斯拉基本上是每两年翻一番,这就是典型的颠覆性技术指数增长的方式。它的增长速度超出了所有人的预期,你我恐怕谁都没想到。



你说特斯拉颠覆在哪儿呢?多的都懒得再说了…… 不过Gigafactory那东西是特斯拉自己深埋在下面的根基,但大部分消费者不是因为有伟大的情怀才去买特斯拉的,特别是到了平价车型量产后,人们就是觉得那个东西很酷才去买的。如果你在油管输入关键词Tesla或是Model 3,你就从没见过有一个品牌这么有话题性,能让消费者这么愿意拿来炫耀和分享的。


我真的就随便输入了model3


而且前段时间看CleanTechnica做的调查,特斯拉还有着极高的消费者品牌忠诚度,也是目前潜在新能源车消费者们最倾向于去购买的品牌。这还没包括潜在的由燃油车想要过渡到电动车的消费者,加上这部分的话会更吓人。




再来看看美国2018年各家的销量情况。




如果没有Model 3的话,这个表就会很难看。所以,你能看出什么?人们买的其实不是电动车,而是特斯拉。所以,电动车上传统车企如何来拼品牌?燃油车的品牌力能够递延到电动车时代么?这个确实要打上问号的。


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