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為何特斯拉新能源技術很領先?

文章作者頭像
發布:liuxianglong 來源: Astroys、特斯拉電動車、無人車情報局
PostTime:28-3-2020 16:41
在人們的印象中,Tesla作為電動車行業的領軍者,以車輛的長續航、超強性能以及操控見稱,可是Tesla到底領先了多少

以下為文章全文:(本站微信公共賬號:cartech8)


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在人們的印象中,Tesla作為電動車行業的領軍者,以車輛的長續航、超強性能以及操控見稱,可是Tesla到底領先了多少,真的有很多人知道嗎?讓我們帶著許多網友的問題,一起走入一個以技術和創新引領的電動車科技企業。

01

特斯拉看重的Maxwell的干電極技術解析

用干法將額外的鋰添加到負極,補償容量損失。

特斯拉已完成對Maxwell的收購,該公司之前更多主要從事超級電容的開發與應用。然而,近期大部分業界媒體已經注意到特斯拉對Maxwell的興趣可能更多與他們的干電極技術有關。

那么Maxwell的干電極技術到底神在哪兒呢?前不久Randy Carlson在Seeking Alpha上發表的一篇文章中寫到了有關此過程的大量技術細節,試著大白話翻譯了一下。

1.原纖維化(Fibrilization)

特斯拉收購Maxwell的一項重要技術理由可以歸結為“原纖維化(Fibrilization)”。這是什么意思呢?舉個例子,在炎熱的天氣下,鞋底不小心黏到了口香糖,當你抬腳繼續向前邁步時,就會使黏到鞋底的口香糖“纖維化”。所有那些將將鞋底連接到人行道上的粘性物質稱為原纖維(Fibrils)。

Maxwell的干電極工藝通過將混入活躍的負極或正極材料顆粒的PTFE(Teflon)原纖維化,形成負極或正極材料的自支撐膜(self supporting film)。我們可以把Maxwell的這個工藝想象成一個裝滿高爾夫球和口香糖的大水箱,水箱底部有一個窄口的二維漏斗。當高爾夫球的重量通過槽將高爾夫球和口香糖片推到底部時,高爾夫球之間相互推動、滑動和滾動,偶爾會有一些口香糖被擠壓。隨著高爾夫球繼續重新排列穿過狹槽,高爾夫球最終與口香糖的原纖維連在一起。這就是對Maxwell工藝的大致描述。然后將負極和正極材料的薄膜層壓到金屬箔集電體上制備負極和正極,正極和負極之間用隔膜卷繞制成電池的卷芯。

而最關鍵的是Maxwell的工藝使電池的負極和正極不使用溶劑。

傳統的鋰電池制造使用有粘合劑材料的溶劑,NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)是其中一種常見溶劑。將具有粘合劑的溶劑與負極或正極粉末混合后,把漿料涂在電極集電體上并干燥。溶劑有毒,必須小心回收,進行純化和再利用。而且需要巨大、昂貴且復雜的電極涂覆機。下圖就是若干年前特斯拉Giga 1正在建造的這種機器。

Maxwell干電極工藝更簡單,不使用溶劑,它提供了一個重要但不那么明顯的優勢。該過程從電極粉末開始,比如說特斯拉的NCA正極的鋰鎳鈷氧化鋁粉末。將少量(約5-8%)細粉狀PTFE粘合劑與正極粉末混合。然后將混合的正極+粘合劑粉末通過擠壓機形成薄的電極材料帶。

將擠出的電極材料帶層壓到金屬箔集電體上形成成品電極。過程如下面草圖。

Maxwell的工藝皆適用于正極和負極。用NCA粉末和鋁箔制作正極,用石墨粉和銅箔制作負極。另外,還為Teflon添加了一些不同的聚合物,獲得了更好的強度和離子傳輸,添加一些其他材料可以提高導電性。通過將電極膜卷繞成卷,然后送入層壓機。但這個過程其實非常非常簡單。

Maxwell已將這種工藝用于制造超級電容。使用這個簡單的過程,制造電池的成本支出將會少得多,且不使用溶劑。

2.更高的能量密度

為了充分理解在電極制造中不使用溶劑的重要性,就需要了解整個鋰電池的制造方法。

通常鋰離子電池處于很低的電量狀態時,當暴露在空氣中時它們不會有劇烈反應。正極材料、既鋰化金屬氧化物會完全鋰化,而負極不含任何鋰。這意味著所有鋰離子(除了在電池末端添加的電解質中的少量鋰離子)都在正極材料內。

正極材料很重,大約是其中鋰含量的20倍。在完全充電的鋰電池中,大部分鋰已從正極材料中移動并儲存在負極的石墨中。隨著電池放電,鋰返回到正極,鋰離子嵌入到正極中,回到金屬氧化物晶體中。當負極消耗完鋰,或正極充滿鋰且不能再接受更多時,電池就已完全放電。

這里存在一些問題。當電池充滿電解質且進行第一次充電時,正極材料的一些鋰離子會被負極、電解質和鋰離子之間的反應消耗掉。這種寄生反應形成SEI(Solid Electrolyte Interphase,固體電解質界面)。SEI是電池的重要組成部分,因為它可以防止電解質與負極中的碳反應。問題在于,一旦進行第一次充電,在放電過程中從負極返回正極的鋰離子就會損失一些。結果導致了“第一次循環容量損失”,這種現象在所有常見類型的鋰離子電池中很普遍。第一次循環容量損失真正重要的原因是用于形成SEI的鋰成為了鋰化正極材料的一部分,因此電池在生命周期內總是帶著一堆永遠不會被使用的很重的正極材料,因為它最初包含的一些鋰在SEI中被束縛住了。

解決方案似乎只需添加額外的鋰來彌補用于形成SEI的缺口部分。這似乎只是一個小問題,添加的鋰必須是鋰金屬,或者將鋰添加到負極的石墨中。但在有溶劑的情況下,鋰金屬和與混有鋰金屬的碳不能很好地彼此融合,通常都伴隨著煙霧、火苗和噪音等強烈反應。因此,第一次循環容量損失的問題一直沒有得到很好的解決。

但Maxwell的工藝不使用溶劑。順便提一下,Maxwell有一項待審專利,專利內容正是用干法將鋰金屬添加到負極,補償第一次循環的容量損失。。。。。。

添加額外的鋰有兩個好處。首先,少量添加的鋰可以彌補在初始充電時形成SEI所消耗的鋰,從而減少第一次循環容量損失。這就意味著更高的電池容量與能量密度。

其次,添加更多的鋰可以補償隨著時間的推移而消耗掉的鋰,因為SEI會隨著電荷循環以微小的速度繼續增長。因此,添加一點鋰可能意味著增加電池壽命。

3.結論

Maxwell的超級電容本身似乎對特斯拉電池性能的提高暫時不會有立竿見影的作用,但Maxwell用于制造超級電容器的專利工藝可以大大降低特斯拉或松下的電池制造成本。此外,由于這是一種干電極制造工藝,可以添加額外的鋰,特斯拉/松下電池的容量和循環壽命都可能會提高。

前段時間不斷有些傳聞說松下可能計劃削減對Giga 1的資本支出,有些人認為這是松下失去了對特斯拉銷量信心的證據。而通過這篇文章,另一個更有趣的解釋可能是,松下認為現有工藝可能會因技術迭代即將過時,繼續投資會面臨不小的風險。因此可密切關注特斯拉與松下之間的關系動向。

02

Roadster 2如何達到較高速度?

最近Elon在接受電臺采訪時,說到了Roadster 2可選裝SpaceX套件,并強調了車輛驚人的加速度,那么,以電機驅動的Roadster如何能達到較高速度呢?

有一些因素會決定你的最高速度。一個是發動機最高轉速和最低齒比,其次是功率輸出,還有就是輪胎的設計。

來看下車身的受力圖。發動機或電機有一個向前的力,同時受到滾動阻力和空氣阻力。當這兩種力相等,且與發動機或電機的最大力相反時,汽車會達到最大速度。滾動阻力是輪胎接觸面積的函數,汽車質量在燃油車和電動車上應該沒什么區別。

布加迪Chiron大約是4,400磅,特斯拉LR版的二代Roadster也差不多。這兩款車真正不同在于空氣動力學,Chiron的風阻系數是0.35、二代Roadster則為0.22。

Chiron的風阻相對高一些是由于配有8升發動機,需要極高的進氣量,同時還有10個散熱器。超跑性能的關鍵指標不只有風阻系數,它們需要特殊的空氣擾流板和車身面板來提供足夠的下壓力來抵消高速行駛時的上升力。汽車前部的阻力系數和空氣密度系數都會影響到空氣阻力,但速度的平方值是最大的影響因素。如果速度加倍,就會有四倍的空氣阻力。這就是空氣動力學對超級跑車如此重要的原因。

為了明白二代Roadster是如何達到250mph的最高額定速度的,讓我們做一些計算。假設電機的最高轉速為18,000轉,21英寸輪轂總輪徑約為28英寸,乘以π,周長約為7.5英尺。這意味著車輪將在一英里內滾動730圈,乘以每小時英里數的車速除以60,就可以獲得每分鐘的車輪轉數。

我們看一下Model S,其電機的固定減速比為9.7:1,最高車速為157mph。

而為了使Roadster達到250mph,齒輪必須從9.6減少到6左右。

如果你想知道為什么所有的電動車都不只是使用較低的齒比,是因為一種叫做“機械效益”的現象。想象一下,你試圖用一個滑輪舉起一根10磅重的物體。如果你下拉滑輪一側的繩索2英尺,就不得不用10磅的力才能讓10磅重的物體抬高2英尺。這是1:1的機械效益。

相反,如果你添加了第二個滑輪,并用10磅力下拉2英尺,你就可以舉起20磅的重量,但它只能行進1英尺。這是1:2的機械效益。減速齒輪就是相同的原理,因此齒比越大,速度就越低,但扭矩卻更大。

所以,這與所有的工程問題一樣,就需要權衡。工程師們必須針對現實進行優化。對于二代Roadster(或是說所有未來的超跑)來說,它們可能會針對不同的電機設計不同的齒比。對于前置電機,可以像以前一樣使用9:1的減速比,以便為低速時提供更大的扭矩和性能。對于后置電機,更可能使用5/6:1來允許更大的最高速度。

從廣義的角度來看,你可以看到電動車在許多方面都優于燃油車。當然電池的能量密度和電動車的平均續航還有進一步提高的空間。

03

Model 3到底有多先進?

凱文凱利在5月27日的中國國際大數據產業博覽會上說到:“為什么特斯拉比福特更值錢?一邊是福特公司,每年生產一億臺汽車,總收入大概350億美元;再看特斯拉,它的產量每年大概只有20萬臺。但很重要的一點是——它的價值非常大。

因為福特公司,它的產品跟數據是沒有任何關系的,福特公司不懂得收集它客戶的數據,不懂得收集車載的數據。但是特斯拉不同,它可以通過車載的數據來分析消費者、駕駛人員的駕駛習慣,它的車輪上甚至都嵌入了微型計算機。所有車上的數據都能上傳到平臺進行分析,幫助它們制造下一代的駕駛車輛。”

Model 3除了是Tesla史上銷量最高的產品,它還具備了很多Tesla的先進技術,這些技術如今也運用在了Model S和X上。北美的Sandy Munro以拆解車輛并出版研究報告著稱,當然Model 3也成為了Munro的目標之一。

Munro說Model 3的冷卻系統非常值得稱道,Model 3有著一個非常特別的冷卻中樞 — Superbottle。就是這個大怪物!

其實這部分是Munro在談到為什么底特律造不出像Model 3這樣的車時,拿這個冷卻中樞來舉例的(就是這么個東西需要好多部門參與,各自為政現象……)。

1.奇怪的圖案

Superbottle上有一個獨有的圖案,這個之前在網上留出的Munro拆解的圖片中就引起過部分注意,有位國外車主為博友介紹Frunk時也發現過。

來自國外某油管博主介紹model 3 Frunk的視頻

上面還印有“Superbottle”的字樣~

Model 3的BMS上就有性質類似的特別的圖案,不知道這些是啥意思。

你會奇怪我為啥在那兩塊64針芯片上也畫圈了,因為上面其實也有圖案,就像下面這樣。

初步推測可能是特斯拉的工程師們會在自己比較關鍵的in-house的東西上,留下這些表示所屬權的東西,秀一下優越感,意思是“你是我的”(完全瞎猜的)。題外話,不過BMS那塊核心的64針芯片應該是Analog Device的,不明白了~

Anyway,以下有關Superbottle的介紹基本上是基于David那篇文章。

2.Superbottle的結構

Superbottle的整體設計很有趣。典型的汽車冷卻回路會包括一個冷卻劑罐、一個水泵、一些軟管、一個熱交換器,或許還有某種閥門。通常情況下,這些組件是彼此獨立封裝的,每個組件都有各自的安裝條款和專用包裝空間(加上間隙要求)。

然而,Model 3的冷卻系統卻很不同,它把兩個泵、一個熱交換器和一個控制閥都集成在了冷卻灌的瓶身上。看看這個巧妙的設計。

看一下水泵。

這是電子驅動的冷卻劑控制閥,由它改變冷卻劑流動的路徑。

這是一個計算機控制的執行器,由它來改變冷卻劑的流動方向。

這是一個冷卻器的特寫,它就固定在Superbottle的側面。

3.冷卻回路圖解

看下圖中Superbottle所在的位置,中間寫著“CR”的圓圈代表冷卻劑罐。這個圖解釋了Superbottle是怎樣成為冷卻系統的核心、即組件和熱交換器之間的中樞,從而完成電池、驅動和電子電氣系統的冷卻工作的。

下圖是冷卻模式的示意圖。冷卻劑從電池中取熱,從電池包的后端被抽到冷卻劑罐里,然后通過冷卻器進行冷卻。最后把冷卻下來的冷卻劑抽回到電池包的前端,與此同時又會重新取熱。

第二個水泵將冷卻劑送到管理模塊(圖片上灰框里的Management Module,就是Penthouse那里面的一堆stuff),再進入驅動單元(包括電機),隨后返回散熱器進行冷卻,然后進入罐內,最后再返回到penthhouse獲取更多的熱量。

再看加熱模式,冷卻劑被注入到Penthouse,再進入驅動單元的油冷卻熱交換器取熱,通過集成閥從散熱器直接經過冷卻器(在這種情況下是不工作的)為電池加熱。

Munro說,特斯拉實際上是故意利用電機堵轉所產生的熱量來為電池加熱,這是一種不需要電阻加熱的新解決方案。

4.Superbottle的優勢

以下是Munro對Superbottle相對于傳統設計的優勢進行的全面分析。

  • 由于水泵、執行器和閥門與外殼的集成,增加了模塊化和包裝空間的優勢。(組件通常有空間保護要求,如果是彼此分離的組件,會根據布局增加這些要求)。
  • 隨著冷卻系統功能方面的集成,增加了可服務性功能的潛力。
  • 與Superbottle集成的組件外殼相關的潛在重量降低。
  • 由于沒有獨立的水泵安裝支架而帶來的潛在重量的降低。
  • 降低了最終組裝成本,因為這可能是一個完整的模塊。
  • 由于組件集成和快速斷開的設計,減少了最終裝配時間與勞動力。

04

硅谷基因

Munro一直都大加贊賞他們將許多電子器件都高度集成在各種電路板上的技術,可以使線束長度大大縮短,EEA簡單許多,這本質上是源自硅谷的東西,底特律基因是做不出來的。

2018年美國媒體對特斯拉的首席電機設計師Konstantinos Laskaris進行過幾次采訪,他只是說Model 3更換為永磁電機是出于對成本、性能、效率之間的平衡,技術細節上沒有什么干貨。但Model 3電機的水很深,簡單粗暴地歸因為要國產化的分析似乎太簡單了。

Laskaris談model 3電機的報道

1.特斯拉與感應電機的淵源

任何特斯拉的愛好者都非常清楚,他們的名稱源自生活在19世紀的Nikola Tesla,而他發明的三相交流電機也是特斯拉電機的源始。

Nikola Tesla與三相交流感應電機

特斯拉從一代Roadster到Model S、再到Model X,都采用了三相交流感應電機(3-phase AC inductuon motor)。但Nikola Tesla的發明幾十年后,這款電機一直處于只能在一個固定的三相交流電源座上的尷尬。直到上世紀60年代硅谷終于用數字技術使感應電機擺脫了那種固定狀態。大約在1990年,Alan Cocconi開發了一種早期便攜式的逆變器,將電動車電池中的直流電(DC)轉換為感應電機所需的交流電(AC)。“逆變器+電機”組合最終用在了GM的EV1上。沒錯,通用曾經就這樣與一個時代失之交臂了,估計自己回想起來都像是夢魘。

[文章糾錯]

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