Tesla电池生死劫:穆斯克三改充电时间表

2013-07-24 09:46:00来源: 21世纪经济报道

上周,美国电动车公司Tesla(特斯拉)首席技术官施特劳贝尔(Straubel),称公司终于将充满电池的时间缩短到了5分钟——这已经跟加满一箱油的时间差不多了。为了让电动汽车更实用,Tesla正在拼命缩短充电时间。

今年5月Tesla刚刚宣布了一项升级,将这个时间缩短到20分钟。而去年9月Tesla一度宣布专为Model S和未来电动车型设计“超级充电站”网络,据称“能够在30分钟内将电池充满一半”。

Tesla能实现如此短的充电时间,靠的是充电站可以提供120千瓦超高功率,以及Tesla高出一般电动车电池储能三倍的电池组及特殊的电池管理系统

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。

为什么是钴酸锂电池

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Fisker Karma。

Tesla则有些另类,他旗下首款车型Roadster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。数据显示,钴酸锂的理论密度为5.1g/cm3,商品钴酸锂的振实密度一般为2.0-2.4g/cm3;而磷酸铁锂的理论密度仅为3.6g/cm3。海通国际证券公司最新的研报表明: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。

电池组成本四年下降44%

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,包括板形和方形电池,最终选择了松下的18650电池,原因主要有以下四点:

•能量密度更大且稳定性、一致性更好;

•可以有效降低电池系统的成本;

•全球每年生产数十亿个18650电池,安全级别不断提高;

•尺寸小但可控性高,即使电池组的某个单元发生故障,也能降低故障带来的影响。

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的能量密度高出三成。

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。

6831节锂电池的争议重组

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:

•69个18650电池被并联封装成一个电池砖;

•99个电池砖串联成一个电池片;

•11个电池片组成一个电池包,总计6831节。

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。

仅仅有保险丝还是不够,于是:

•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。

•在整车层面,设置有VSM (Vehicle SystemMonitor),用以监控BSM。

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。

等待检验的NCA

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。

Tesla旗下首款车型Roadster使用的是18650钴酸锂电池,而第二款量产车型Model S使用的是松下定制的三元材料电池,即镍钴铝三元正极材料的锂电池,业界俗称NCA。

钴酸锂电池技术最为成熟,较镍钴锰三元正极材料的锂电池(NMC)或镍钴铝三元正极材料的锂电池(NCA)单位能量密度较高,但是成本也较高。Model S使用的电池数量达到8000以上,比Roadster高出一千多节,但是成本却下降了三成,正是得益于三元电池较好的成本控制。

钴酸锂的电热峰值在200℃左右,相对磷酸铁锂要低。并且钴酸锂电池也确实没有磷酸铁锂电池2000次左右的循环次数高。但是受制于技术的瓶颈,磷酸铁锂电池虽然更稳定、循环次数更高,但一致性和单位能量密度较低,和钴酸锂电池二者各有优势。

关键字:Tesla

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/0724/article_7555.html
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