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首先将钴酸锂电池应用汽车 Tesla凭什么



  作为电动车的核心部件之一,Tesla的电池曾经被嘲笑、被诟病,甚至在实现销售爆发式增长之后,仍有很多业界专家称其“电池技术老旧”、“无核心竞争力”。原因在于Tesla是唯一一家采用18650型钴酸锂离子电池的公司,这种电池一直用于笔记本电脑中,难登电动汽车之“大雅之堂”,并且存在安全隐患。

  作为动力输出的后盾,电池对电动车的作用不言而喻。因为本身性能较稳定、安全系数较高且可循环充电次数多,磷酸铁锂电池是目前市场上动力电池的首选,如雪佛兰Volt、日产Leaf、比亚迪E6和FiskerKarma。

  Tesla则有些另类,他旗下的Roadster和Model S使用的是18650钴酸锂电池。与磷酸铁锂电池相比,这种电池虽然技术较为成熟,功率高、能量密度大、且一致性较高,但安全系数较低,热特性和电特性较差,成本也相对较高。

  据业内人士介绍,18650电池外电压但凡低于2.7V或高于3.3V,都会出现过热的症状。如果电池组较大且组内温度梯度控制得不好,就会存在很大的起火风险。而电池技术的关键恰恰就是电压电流和热量控制,难怪Tesla被批评为电池技术不靠谱。

  但实际上,被认为更安全可靠的磷酸铁锂电池也并非万无一失。在制备的烧结过程中,氧化铁在高温环境下存在被还原成单质铁的可能性,单质铁会引起电池的微短路,这是电池中很忌讳的物质。此外,磷酸铁锂电池在实际生产中充放电曲线差异大,一致性较差且能量密度较低,这直接影响到电动车敏感的续航问题。海通国际证券公司最新的研报显示:特斯拉电池能量密度(170wh/kg)大约是比亚迪电动车磷酸铁锂电池能量密度的两倍。

  早在上世纪70年代,英国宾汉顿大学的Whittingham女士就发明了18650电池,这种电池常应用于笔记本电脑、强光手电等数码产品上,但是,将这种直径18mm、高65mm的圆柱形锂电池用在汽车上,Tesla是第一个吃螃蟹的人。

  Tesla的电池技术总监Kurt Kelty曾经表示:Tesla起初也尝试了市面上超过300种电池,包括板型和方型电池,最终选择了松下的18650电池,一方面,18650的能量密度更大且稳定性与一致性更好。另一方面,18650可以有效降低电池系统的成本。

  松下官网显示,型号为NCR18650的锂电池是一款高能量模型(HighCapacity)电池,该电池的名义伏特数为3.6V,名义最小容量为2750毫安时,重量为45.5克。并且,在Tesla第二代车型Model S上使用的18650比之前Roadster的能量密度高出3成。

  据Tesla首席技术官JB Straubel表述:从Roadster到Model S“转型”的四年时间,电池组成本已经下降了约44%,并且仍然会继续下降。松下曾在2010年向Tesla投资3000万美元,成为其股东之一。并且于2011年达成战略协议,将负责Tesla今后5年全部车辆的电池供应。按照Tesla目前预计每年2万辆的产量,松下18650将装配在超过8万台Model S上。

  18650存在安全风险是不争的事实,Tesla如何“搞定”这一硬伤?秘密武器在于其电池管理系统,给出的解决方案是将6831节2安时左右的松下18650封装电池通过串联和并联结合在一起。

  要驱动一辆电动车,需要大量的18650电池,Tesla Roadster的电池系统包含6831节小电池,而Tesla Model S更是高达8000节,如何排列组装这些数量众多的小电池尤为重要。

  这时候,Tesla创始人之一Marc Tarpenning以往的经验派上了用场。他曾是这个领域的专家并成功出售过一家公司。他把网络控制领域用程序控制成百上万台服务器的模式搬到了Tesla电池系统控制领域,通过一年的DOE(design of experiment,实验设计),用分层次管理的办法成功控制了这6831节小电池以及电压和温度:

  仅仅有这些层次还不够,对于每一个层次都要进行监控,于是他们在每个电池单元、每个电池砖、每个电池片的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。

  ·在每个电池片上,均设置有BMB (Battery Monitor board)即电池监控板,用以监控每个电池砖的电压,温度以及整个电池片的输出电压。

  ·在整个电池包上,设置有BSM(Battery System Monitor),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,方位,烟雾等。

  这样一套电池控制系统成为Tesla的技术核心,当Tesla刚刚公布这套造价高昂的系统时(传言高于20000美金),很多业内人士不约而同地对其唱衰,认为将7000个电池放在汽车里的行为是可笑的。但事实却给予他们有力的回应,雪佛兰Volt起火、Fisker Karma车型更是一年内发生三次自燃事件,而反观Tesla,不论是Roadster还是Tesla Model S都从未发生过起火自燃事件。

  Tesla已经和丰田、戴姆勒等厂商在电动车领域进行合作,包括为smart、奔驰A级、奔驰B级等车型电动版提供电池动力,给丰田RAV4电动车提供电池组和电机等。目前戴姆勒持有Tesla 4.3%的股份,丰田也持有Tesla 2.9%的股份。但是由于Tesla正式投入市场的产品时间不长且数量不多,理论上完美的Tesla电池系统还需继续面临实践检验。