干货:揭秘特斯拉最新电池轻量化技术!

2016-09-20 19:52:02来源: 中国汽车材料网

   近期,特斯拉的100kWh车型,已经通过了欧盟认证机构RDW的评估。这意味,Model S/X 100D车型即将问世!其续航里程理论值将达到613km(基于NEDC标准)。

  按照欧盟规定,在欧盟成员国上市销售的车型,都必须经过其授权机构的认证方可。RDW是特斯拉委托的一家荷兰的公司,经其认证后即可获得在欧盟销售的许可。本文 ,我们来探究下,这个100kWh是如何做到的?

  Elon Musk曾经说过,特斯拉的续航(电量)要以每年5%的速度增加。从当前电池组的迭代情况来看,这个目标基本实现。除作为入门级配置的60kWh外,70kWh、85kWh均已分别升级为75kWh和90kWh。

  不久之后,100kWh和120kWh的电池组也将进入选配清单。目前,60kWh仍然作为一个乞丐版配置存在,以促进特斯拉的销量。真正有故事的,是70kWh和85kWh,是如何各增加5kWh电量的。

  有一点可以肯定,那就是电池组电量增加过程中,其电池组的结构是没有改变的。内部电池包(Battery Module)的数量也并未发生改变。我们先来简单了解下特斯拉电池组的内部构造。

  60kWh内部有14个电池包,每个电池包内含384个电芯,共计有5376个电芯组成;85kWh由16各电池包组成,每个电池包内含444个电芯,共计7102个电芯组成。

  后来加入的70kWh,实际上是一个75kWh电池组,经过软件限制而来的。多余的5kWh,最初被当做一个价值3000美元的选装包提供给车主。只要通过OTA软件更新,70D就可以变为75D。

  那么问题来了,75kWh电池组是怎么来的?关于这个问题,特斯拉官方并没有做出技术解释。根据作者的判断,75kWh其实是85kWh电池组,减少2个电池包而来的。在85kWh电池中,每个电池包的容量是5.3kWh,14个这样的电池包就是74.2kWh。

  这就是70kWh、75kWh,以及85kWh之间的关系。至于60kWh,这只是一个为了降低准入门槛而设置的配置而已。那么,90kWh又是怎么来的呢?

  从85kWh到90kWh,多了5kWh。是多加了一个电池包吗?在85kWh的电池组结构中,已经无法再叠加电池包。唯一的可能性就是更换了新的电芯。当然,其采用的依然是18650型号的电芯,只不过化学材料有所调整,增加了能量密度。

  在这道工序中,特斯拉将电芯的石墨阳极中,添加了少量的硅,从而提升了电芯的能量密度。在阳极中加入硅,已是电池领域公认的可以提升能量密度的办法。为避免不断叠加电池包,而造成的电池组质量过大,特斯拉接下来只能把重点放在研发高能量密度的电芯上。然而,对于三元锂离子电池来说,要想通过硅来增加能量密度,远没有那么简单。

  其基本原理是:在石墨阳极中加入硅后,由于硅原子的结构相比石墨能够容纳更多的锂离子,导致阳极对锂离子的吸纳能力增强。单次充放电循环中,阳极锂离子越多,能量密度也就越大。

  然而,硅在充分吸纳锂离子后,其体积会膨胀300%,比石墨吸纳锂离子后的膨胀率7%要大很多。这种反复的体积变化,会造成固态电极变得“松软”,容易崩离。以此,电池的循环寿命就会降低。

  另外一层因素,是硅阳极由于充放电时的膨胀/伸缩特性,会破坏锂电池电解质SEI膜的形成。这个膜是在锂电池初次循环时所形成的,对于阳极材料有保护作用,可以防止材料结构崩塌。

  基于上述原因,采用硅材料做阳极,虽然能量密度可以显著提升,但也伴随着副作用,最终会导致电池寿命缩短。所以,特斯拉采取的方案是,逐步在石墨阳极中添加少量的硅,在能量密度和循环寿命中寻找平衡点。

  众所周知,特斯拉采用的18650电池是由松下生产的。随着双方合作加深,特斯拉也在研发新的圆柱形电池。在Model 3正式投产后,新型21700电池将取代18650,成为新的电芯。

  21700电池依然是三元锂电池,阴极材料是镍钴铝酸锂(NCA)。这种圆柱形三元电池,是目前能量密度最高的动力电池解决方案。相比方块形电池,此类电池虽然能量密度高,但稳定性较差,需要有较为出色的BMS(电池管理系统)支持。

  特斯拉最早的Roadster采用的是松下的NCR18650A型电池,额定电压3.6V,容量3.1Ah。之前的85kWh电池组采用的是NCR18650B型电池,额定电压3.6V,容量3.1Ah。

  90kWh的电池型号不得而知,但应该不是直接由松下提供成品,而是特斯拉与松下共同研发,专供特斯拉车型的定制化电芯。目前,松下生产的18650电池中,NCR18650G型是容量最高的型号,达到了3.6Ah。如果按照这个计算的话,85kWh电池组中的7102颗电芯,替换为G型电池,正好是90kWh。

  所以,有一种可能性就是90kWh电池组中,电芯是NCR18650G型;而85kWh电池组中,电芯是NCR18650B型。总之,在电芯数量不变(电池组结构不变)的情况下,只有把单个电芯的容量提升至3.6Ah,才能确保90kWh的电量。

  而要实现100kWh,有2个方案:一是再叠加2个电池包,按照每个电池包5.3kWh的容量,正好可以得到100kWh;二是替换能量密度更高的电芯。作者认为,后者是最佳,也是最有可能的一个方案。

  因为90kWh是基于85kWh的电池组结构而来的。这个结构在18650电池规格下,已经定型,更改其设计结构的成本是很高的。事实上,电池组中已经没有空间再叠加更多的电池包了。

  如果增加电池包,不但电池组质量会增加,电池组的冷却循环系统都要改动。所以,提升电芯容量,才是最经济可行的方案。

  试想,在100kWh的电池组中,不改动电池组结构的情况下,单个电芯的容量要提升至3.9Ah,才有可能实现100kWh的容量。所以,作者猜想特斯拉已经与松下研发出了3.9Ah的18650电芯。这一功劳只能归功于阳极中的硅。

  未来十年的汽车“智能”浪潮值得期待,汽车将由电控机械技术主导转向电子、通信、软件、材料、机械技术的深度融合,成为跨行业创新技术前沿。

  “小型、轻量、智能、电动、共享”将成为未来十年汽车业的核心关键词。伴随消费者逐渐成熟理性,以及能源、交通、安全等问题日益显著,汽车最终将回归智慧运输的本质:“更轻便、更智能、更安全”将是未来发展方向。汽车产业,将逐渐由封闭走向开放,由机械电控技术主导转向电子、通信、软件、材料、机械技术的深度融合。汽车业将成为跨行业、多学科的创新技术前沿,亦将因此激发更多商业模式创新。

  我们预计,到2030年智能电动车市场份额有望超50%。其中,新兴汽车公司或占半壁江山;未抓住变革机遇的传统车企可能沦为代工厂乃至退出市场。未来5年,ADAS及智能驾驶、车联网、车用芯片、账号及操作系统等技术值得关注。中国车企和创业型公司受益于资本力量和工程师红利,有望在智能化进程中承接更多全球分工。

 

 

  电动:降低造车门槛,开启汽车智能革命的序幕。电动车大幅精简汽车结构和零件数量,核心动力总成(如电机、电池、甚至电控)均可以向第三方采购,因此动摇传统车企的体系优势和竞争力。新兴科技型车企快速涌现,并高举“智能化”卖点。到2018年前后,以电动车为载体的智能汽车可能再次改变消费者对汽车的认知。电池仍占当前电动车成本50%,未来,有助于提升电池性能和电动车效率的技术值得关注,如:三元正极材料、湿法隔膜、石墨烯导电溶剂、轻量化等。

  智能:未来汽车业主战场从ADAS到无人驾驶。ADAS是智能汽车的重要落地,外资巨头如博世、大陆等占主导地位,中资公司差距相对较大。我们预计,到2020年中国ADAS市场规模可达2000亿。伴随市场规模快速成长,中资公司可能在后装ADAS和预警类ADAS领域寻求突破。对于上市公司和中资创业公司而言,可能存在的机会在于:1)汽车芯片、2)电子制动机构、3)激光雷达和毫米波雷达硬件和算法、4)基于摄像头和多传感器融合的算法等。

  车联网:智能的延伸和拓展,后装车联网快速发展倒逼前装。前装车联网目前覆盖的业务范围相对有限,常见于导航和基本服务等,如通用安吉星等。未来,前装车联网可能进一步延伸至V2V、V2X领域,成为ADAS系统在特殊场景下的感知机构的延伸。LET-V等标准值得关注。后装车联网快速生长,产业链持续延伸,逐渐形成基于导航、娱乐的金融保险(UBI等)、二手车服务模式,亦应用于汽车贷款、汽车共享等领域。未来,后装车联网基于“人”的生活服务,有可能逐渐演变为以车载操作系统和O2O为载体的前装业务。

  共享:建立在汽车智能基础上的商业模式创新。车联网是汽车共享的安全基石,未来无人驾驶可能彻底改变汽车共享业态。出行共享(有司机)快速发展,车辆跟踪和派单算法影响客户体验,资本力量对商业模式和产业格局影响较大。车辆共享(无司机)建立在车联网定位/追踪技术基础上, C2C模式(如凹凸租车、PP租车等)初露端倪。

  资本将发挥巨大作用。一级市场由此拉开又一轮科技投资热潮;二级市场优势公司有望凭借融资能力和上市公司地位整合产业链,乃至形阶段性闭环生态。但也需要注意的是,未来汽车变革之路以10年为单位计,必然伴随资本市场的周期波动和预期变化。Gartner曲线亦提示资本预期与产业进步速度差异可能导致的估值波动。对于布局智能汽车等先进技术的企业而言,融资能力、现金流管理亦成为技术实力之外的重要竞争要素。

  “智能”汽车领域值得长期投资布局。未来十年的汽车“智能”浪潮值得期待,汽车将由电控机械技术主导转向电子、通信、软件、材料、机械技术的深度融合,成为跨行业、多学科的创新技术前沿,亦将因此激发更多商业模式创新。

  1、电动:降低造车门槛,开启汽车智能革命的序幕

  电动车降低造车门槛,颠覆传统车企在“动力总成”领域的核心竞争力。电动车大幅精简汽车结构和零件数量,核心动力总成(如电机、电池、甚至电控)均可以向第三方采购,因此动摇传统车企的体系优势和竞争力。到2018年前后,以电动车为载体的智能汽车可能再次改变消费者对汽车的认知。

  电动化是未来发展方向。对于个人消费者而言,高端电动车能够提供强劲的动力性和推背感,低端电动车能够节省汽油开支、降低用车成本。对于国家而言,电动车便于排放集中处理,提升效率。

  能够帮助提升电池和电动车性能的技术值得重点关注。电池仍占当前电动车成本50%,面对问题包括:1)能量密度提升和成本下降,2)充电速度提升。值得重视的技术方向包括:1)三元正极材料;2)湿法隔膜;3)石墨烯导电溶剂。此外,小型化+轻量化亦是电动化的关键支撑,碳纤维、铝镁合金值得重视。

  新能源拉开智能序幕

  电动车时代,整车企业原有的核心竞争力受到了撼动,智能将成核心竞争力。传统车企在“动力总成”领域的核心竞争力受到了挑战,新进入者打出“智能”牌,炫酷的屏幕和新技术对消费者构成较强吸引力。

  特斯拉拉开了汽车智能大战的序幕。开始接受预订以来,Model 3已累积接收近40万张订单,全球消费者对于智能和炫酷黑科技充满期待。

  电动化是未来发展趋势

  电动汽车带来驾驶乐趣的体验。电动汽车的加速性能秒杀传统燃油汽车。ModelS P90D可实现百公里加速2.8秒,创下世界纪录;比亚迪“唐”和“秦”也可轻松赢过燃油超跑。这是由电动机的工作特性决定的。

  节能减排是全球的发展主题。综合考虑从燃料开采到汽车驱动Well-to-Wheel全产业链效率,纯电动汽车与燃油车相当,但仍然具有低于汽油车的能耗和排放。

  我国石油对外依存度高,电动化是必然选择。据中国石油集团经济技术研究院统计,我国目前石油对外依存度超过60%,并且每年新增石油消费量70%以上为汽车。长期来看,燃油汽车的发展将会加剧我国石油危机,电动汽车成为必然选择。

  政策法规加速中国新能源汽车产业发展。2012年,国务院印发《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》,提出2015年乘用车平均燃料消耗量降至6.9升/百公里,到2020年降至5.0升/百公里。《中国制造2025》进一步提出,2025年乘用车油耗目标降至4.0升/百公里。法规标准倒逼乘用车企业发展电动汽车。

  中国新能源汽车产业在政策扶持下快速起飞。据统计,2015年中国新能源汽车销量达37.9万辆,同比增长4倍。我们认为,中国新能源汽车产业已经在政策扶持下走向技术进步。2016年我国新能源汽车销量有望达到60万辆,渗透率2%;至2030年,新能源销量可达2500万辆,渗透率50%。

 

   未来技术进步方向:动力电池技术提升

  新能源汽车带动相关产业链,2020年市场规模有望接近万亿,动力电池市场有望达到千亿级别。

  动力电池是新能源汽车关键环节。新能源汽车目前行业渗透率仍低于3%,电池成本居高不下是主要普及缓慢的主要原因之一。纯电动汽车电池成本约占整车成本近50%。电池能量密度提升、成本下降、充电速度提升是新能源汽车进一步普及的重要驱动力。

 

  三元正极材料电池能量密度较磷酸铁锂电池提高15%-30%,将成为乘用车动力电池主流技术路线。正极材料成本占锂电池比例接近40%,是决定电池性能的关键要素。我们预计,2020年三元正极材料市场规模有望超300亿。我们预计,2016年新能源汽车销量可达60万辆,带来三元材料电池10GWh需求。

 

  隔膜是锂离子电池的关键组件,湿法隔膜技术将进一步普及。受益于三元及高端磷酸铁锂电池渗透率提升,预计其2020年需求有望超18亿平方米,且受益于国产供需持续存在缺口,产品价格及利润率稳定。预计2020年湿法隔膜市场规模超50亿。

  石墨烯或将用于锂离子电池:导电剂、电极材料。石墨烯导电性能、力学性能优异。目前尚处于研发期,预计2020年市场空间可达5亿。

  未来技术进步方向:轻量化发展

  轻量化可显著提高续驶里程,是电动汽车发展的必然选择。电动汽车重量降低10%,对应续航里程可增加5.5%。在动力电池能量密度尚不能完全满足要求的当下,轻量化成为提高续驶里程的重要手段。万钢部长也在2016中国电动汽车百人会论坛上再次强调:“轻量化”是中国电动汽车发展的方向之一。

  汽车轻量化材料繁多:高强度钢、玻璃纤维、铝合金、镁合金、碳纤维等。铝合金被广泛应用,碳纤维是未来方向。铝合金应用于汽车轻量化的技术较为成熟,已达量产水平:特斯拉Model S采用了全铝车身;奇瑞捷豹路虎的全铝工厂已经竣工投产;车和家的铝合金工厂也已落户常州。碳纤维材料由于其突出的减重性能和比强度而受到广泛关注,但由于其造价高昂,目前只有极少数量产车型采用:如宝马i3、长城华冠的首款车型K50。

  2、智能:未来汽车主战场,从ADAS到无人驾驶

  智能汽车将重塑车企的核心竞争力。在汽油机时代,发动机、变速箱组成的动力总成是传统车企的核心竞争力。对于大型乘用车企业而言,发动机往往采用集团内InHouse的做法;新进入者无法购买合适的高性能发动机,只能通过自行研发积累。但一款好的发动机的研发周期往往需要十年以上的时间;而一旦批产发动机出现质量问题,又可能对车企的品牌形成巨大伤害。因此,发动机也就成为了传统整车企业最大的壁垒和核心竞争力。

  电动车时代,智能将成车企的核心竞争力。电动车大幅精简汽车结构和零件数量,核心动力总成(如电机、电池、甚至电控)均可以向第三方采购,因此动摇传统车企的体系优势和竞争力。新进入的造车企业往往以“智能化”为卖点,以炫酷的前沿技术吸引更年轻的消费者。未来10-20年,汽车产品及其产业链将面临巨大变化和挑战。传统车企不得不重新披挂上阵,加速智能应用的开发进度,以应对新进入者的挑战。

  未来汽车业主战场从ADAS到无人驾驶。ADAS是智能汽车的重要落地,外资巨头如博世、大陆等占主导地位,中资公司差距相对较大。我们预计,到2020年中国ADAS市场规模可达2000亿。伴随市场规模快速成长,中资公司可能在后装ADAS和预警类ADAS领域寻求突破。对于上市公司和中资创业公司而言,可能存在的机会在于:1)汽车芯片、2)电子制动机构、3)激光雷达和毫米波雷达硬件和算法、4)基于摄像头和多传感器融合的算法等。

  ADAS:智能驾驶的落地载体

  我们当前处于辅助驾驶前期,距离彻底的无人驾驶还有较长距离。美国汽车工程学会SAE将自动驾驶分为0到5级。目前L1和L2技术已相对成熟,L3和L4技术即将量产(特斯拉已经提前进入了3级自动驾驶阶段)。彻底的L5无人驾驶是指全路段、全天候的,无需人工干预的全自动驾驶,汽车可自主完成加速、制动、转向等动作,可能需要至少十年才能达到产业化阶段。

  智能驾驶以技术为核心驱动力,打造感知、决策、执行的闭环控制。目前ADAS核心技术主要掌握在外资公司手中,包括博世、大陆、德尔福、电装等。中国多年积累的工程师红利体现,创业型公司大量涌现,本土工程师和海归力量共同推动技术进步。但综合考虑法规、标准、公司规模和抗风险能力等要素,整车厂对大规模采购创业型ADAS产品仍有顾虑。中资公司可能在后装ADAS和预警类ADAS领域寻求突破。

  智能驾驶亦为三层金字塔供应链格局。1)顶端的OEM和科技型造车企业;2)ADAS供应商;3)底层零部件供应商。

  市场空间:万亿无人驾驶,千亿ADAS,百亿元器件。全球汽车销量增速放缓,但是整体销量仍超过8000万。中国市场2015年行业销量达2460万辆,带动相关产业链超2.5万亿。ADAS系统有望先行普及,预计2020年渗透率有望超30%,市场规模接近2000亿。同时产业链上游相关元器件行业如雷达、摄像头、HUD(抬头显示)等需求均有望快速增长,2020年有望达到百亿级别。

  根据功能不同,ADAS可分为预警类和执行类。在遇到紧急情况时,预警类ADAS只发出警告信号,由驾驶员决定如何操作;而执行类ADAS则可自主判断决策,控制车辆实现加速、制动、转向等动作,以避免碰撞。

  国外汽车零部件巨头在ADAS领域保持优势地位。包括大陆、德尔福、电装、奥托立夫、博世等。

  创业型公司大量涌现,上市公司亦希望借由参股和收购创业公司方式进入ADAS领域。借由资本的力量和中国多年积累的工程师红利,ADAS领域里的创业型公司快速涌现。我们认为,只有真正掌握核心技术、具有较强市场拓展能力(整车厂渠道)、具备出色融资能力、管理团队优秀且持衡的本土创业型才有可能最终胜出。在ADAS创业竞赛中获得最终胜利决非易事。

关键字:三元锂电池  轻量化技术  特斯拉

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/article_2016092016125.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
三元锂电池
轻量化技术
特斯拉

小广播

独家专题更多

TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved