特斯拉電池生死劫：馬斯克三改充電時間表
日期：2024-10-16 08:33:18 作者：宏力精密鋼管 閱讀數(shù)：595上周，美國電動車公司特斯拉(Tesla)首席技術(shù)官施特勞貝爾(Straubel)，稱公司終于將充滿電池的時間縮短到了5分鐘——這已經(jīng)跟加滿一箱油的時間差不多了。為了讓電動汽車更實(shí)用，Tesla正在拼命縮短充電時間。
今年5月Tesla剛剛宣布了一項(xiàng)升級，將這個時間縮短到20分鐘。而去年9月Tesla一度宣布專為Model S和未來電動車型設(shè)計(jì)“超級充電站”網(wǎng)絡(luò)，據(jù)稱“能夠在30分鐘內(nèi)將電池充滿一半”。
Tesla能實(shí)現(xiàn)如此短的充電時間，靠的是充電站可以提供120千瓦超高功率，以及Tesla高出一般電動車電池儲能三倍的電池組及特殊的電池管理系統(tǒng)。
作為電動車的核心部件之一，Tesla的電池曾經(jīng)被嘲笑、被詬病，甚至在實(shí)現(xiàn)銷售爆發(fā)式增長之后，仍有很多業(yè)界專家稱其“電池技術(shù)老舊”、“無核心競爭力”。原因在于Tesla是唯一一家采用18650型鈷酸鋰離子電池的公司，這種電池一直用于筆記本電腦中，難登電動汽車之“大雅之堂”，并且存在安全隱患。
為什么是鈷酸鋰電池?
作為動力輸出的后盾，電池對電動車的作用不言而喻。因?yàn)楸旧硇阅茌^穩(wěn)定、安全系數(shù)較高且可循環(huán)充電次數(shù)多，磷酸鐵鋰電池是目前市場上動力電池的首選，如雪佛蘭Volt、日產(chǎn)Leaf、比亞迪E6和Fisker Karma。
Tesla則有些另類，他旗下首款車型Roadster使用的是18650鈷酸鋰電池。與磷酸鐵鋰電池相比，這種電池雖然技術(shù)較為成熟，功率高、能量密度大,且一致性較高，但安全系數(shù)較低，熱特性和電特性較差，成本也相對較高。
據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，18650電池外電壓但凡低于2.7V或高于3.3V，都會出現(xiàn)過熱的癥狀。如果電池組較大且組內(nèi)溫度梯度控制得不好，就會存在很大的起火風(fēng)險。而電池技術(shù)的關(guān)鍵恰恰就是電壓電流和熱量控制，難怪Tesla被批評為電池技術(shù)不靠譜。
但實(shí)際上，被認(rèn)為更安全可靠的磷酸鐵鋰電池也并非萬無一失。在制備的燒結(jié)過程中，氧化鐵在高溫環(huán)境下存在被還原成單質(zhì)鐵的可能性，單質(zhì)鐵會引起電池的微短路，這是電池中很忌諱的物質(zhì)。此外，磷酸鐵鋰電池在實(shí)際生產(chǎn)中充放電曲線差異大，一致性較差且能量密度較低，這直接影響到電動車敏感的續(xù)航問題。數(shù)據(jù)顯示，鈷酸鋰的理論密度為5.1g/cm3，商品鈷酸鋰的振實(shí)密度一般為2.0-2.4g/cm3;而磷酸鐵鋰的理論密度僅為3.6g/cm3。海通國際證券公司最新的研報(bào)表明：特斯拉電池能量密度(170wh/kg)大約是比亞迪電動車磷酸鐵鋰電池能量密度的兩倍。
電池組成本四年下降44%
早在上世紀(jì)70年代，英國賓漢頓大學(xué)的Whittingham女士就發(fā)明了18650電池，這種電池常應(yīng)用于筆記本電腦、強(qiáng)光手電等數(shù)碼產(chǎn)品上，但是，將這種直徑18mm、高65mm的圓柱形鋰電池用在汽車上，Tesla是第一個吃螃蟹的人。
Tesla的電池技術(shù)總監(jiān)Kurt Kelty曾經(jīng)表示：Tesla起初也嘗試了市面上超過300種電池，包括板形和方形電池，最終選擇了松下的18650電池，原因主要有以下四點(diǎn)：
·能量密度更大且穩(wěn)定性、一致性更好;
·可以有效降低電池系統(tǒng)的成本;
·全球每年生產(chǎn)數(shù)十億個18650電池，安全級別不斷提高;
·尺寸小但可控性高，即使電池組的某個單元發(fā)生故障，也能降低故障帶來的影響。
松下官網(wǎng)顯示，型號為NCR18650的鋰電池是一款高能量模型(HighCapacity)電池，該電池的名義伏特?cái)?shù)為3.6V，名義最小容量為2750毫安時，重量為45.5克。并且，在Tesla第二代車型Model S上使用的18650比之前Roadster的能量密度高出三成。
據(jù)Tesla首席技術(shù)官JB Straubel表述：從Roadster到Model S“轉(zhuǎn)型”的四年時間，電池組成本已經(jīng)下降了約44%，并且仍然會繼續(xù)下降。松下曾在2010年向Tesla投資3000萬美元，成為其股東之一。并且于2011年達(dá)成戰(zhàn)略協(xié)議，將負(fù)責(zé)Tesla今后5年全部車輛的電池供應(yīng)。按照Tesla目前預(yù)計(jì)每年2萬輛的產(chǎn)量，松下18650將裝配在超過8萬臺Model S上。
6831節(jié)鋰電池的爭議重組
18650存在安全風(fēng)險是不爭的事實(shí)，Tesla如何“搞定”這一硬傷?秘密武器在于其電池管理系統(tǒng)，給出的解決方案是將6831節(jié)2安時左右的松下18650封裝電池通過串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)合在一起。
要驅(qū)動一輛電動車，需要大量的18650電池，Tesla Roadster的電池系統(tǒng)包含6831節(jié)小電池，而Tesla Model S更是高達(dá)8000節(jié)，如何排列組裝這些數(shù)量眾多的小電池尤為重要。
這時候，Tesla創(chuàng)始人之一Marc Tarpenning以往的經(jīng)驗(yàn)派上了用場。他曾是這個領(lǐng)域的專家并成功出售過一家公司。他把網(wǎng)絡(luò)控制領(lǐng)域用程序控制成百上萬臺服務(wù)器的模式搬到了Tesla電池系統(tǒng)控制領(lǐng)域，通過一年的DOE(design of experiment，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì))，用分層次管理的辦法成功控制了這6831節(jié)小電池以及電壓和溫度：
·69個18650電池被并聯(lián)封裝成一個電池磚;
·99個電池磚串聯(lián)成一個電池片;
·11個電池片組成一個電池包，總計(jì)6831節(jié)。
僅僅有這些層次還不夠，對于每一個層次都要進(jìn)行監(jiān)控，于是他們在每個電池單元、每個電池磚、每個電池片的兩端均設(shè)置有保險絲，一旦電池過熱或者電流過大則立刻融斷，斷開輸出。
僅僅有保險絲還是不夠，于是：
·在每個電池片上，均設(shè)置有BMB (Battery Monitor board)即電池監(jiān)控板，用以監(jiān)控每個電池磚的電壓，溫度以及整個電池片的輸出電壓。
·在整個電池包上，設(shè)置有BSM(Battery System Monitor),用以監(jiān)控整個電池包的工作環(huán)境。包括電池包的電流、電壓、溫度、濕度、方位、煙霧等。
·在整車層面，設(shè)置有VSM (Vehicle SystemMonitor),用以監(jiān)控BSM。
這樣一套電池控制系統(tǒng)成為Tesla的技術(shù)核心,當(dāng)Tesla剛剛公布這套造價高昂的系統(tǒng)時(傳言高于20000美金)，很多業(yè)內(nèi)人士不約而同地對其唱衰，認(rèn)為將7000個電池放在汽車?yán)锏男袨槭强尚Φ?。但事?shí)卻給予他們有力的回應(yīng)，雪佛蘭Volt起火、Fisker Karma車型更是一年內(nèi)發(fā)生三次自燃事件，而反觀Tesla，不論是Roadster還是Tesla Model S都從未發(fā)生過起火自燃事件。
等待檢驗(yàn)的NCA
Tesla已經(jīng)和豐田、戴姆勒等廠商在電動車領(lǐng)域進(jìn)行合作，包括為smart、奔馳A級、奔馳B級等車型電動版提供電池動力，給豐田RAV4電動車提供電池組和電機(jī)等。目前戴姆勒持有Tesla 4.3%的股份，豐田也持有Tesla 2.9%的股份。但是由于Tesla正式投入市場的產(chǎn)品時間不長且數(shù)量不多，理論上完美的Tesla電池系統(tǒng)還需繼續(xù)面臨實(shí)踐檢驗(yàn)。
Tesla旗下首款車型Roadster使用的是18650鈷酸鋰電池，而第二款量產(chǎn)車型Model S使用的是松下定制的三元材料電池，即鎳鈷鋁三元正極材料的鋰電池，業(yè)界俗稱NCA。
鈷酸鋰電池技術(shù)最為成熟，較鎳鈷錳三元正極材料的鋰電池(NMC)或鎳鈷鋁三元正極材料的鋰電池(NCA)單位能量密度較高，但是成本也較高。Model S使用的電池?cái)?shù)量達(dá)到8000以上，比Roadster高出一千多節(jié)，但是成本卻下降了三成，正是得益于三元電池較好的成本控制。
鈷酸鋰的電熱峰值在200℃左右，相對磷酸鐵鋰要低。并且鈷酸鋰電池也確實(shí)沒有磷酸鐵鋰電池2000次左右的循環(huán)次數(shù)高。但是受制于技術(shù)的瓶頸，磷酸鐵鋰電池雖然更穩(wěn)定、循環(huán)次數(shù)更高，但一致性和單位能量密度較低，和鈷酸鋰電池二者各有優(yōu)勢。