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    新聞資訊

    揭秘特斯拉最新電池輕量化技術發布時間:2016-9-22??

    近期,特斯拉的100kWh車型,已經通過了歐盟認證機構RDW的評估。這意味,Model S/X  100D車型即將問世!其續航里程理論值將達到613km(基于NEDC標準)。

    按照歐盟規定,在歐盟成員國上市銷售的車型,都必須經過其授權機構的認證方可。RDW是特斯拉委托的一家荷蘭的公司,經其認證后即可獲得在歐盟銷售的許可。本文  ,我們來探究下,這個100kWh是如何做到的?

    Elon  Musk曾經說過,特斯拉的續航(電量)要以每年5%的速度增加。從當前電池組的迭代情況來看,這個目標基本實現。除作為入門級配置的60kWh外,70kWh、85kWh均已分別升級為75kWh和90kWh。

    不久之后,100kWh和120kWh的電池組也將進入選配清單。目前,60kWh仍然作為一個乞丐版配置存在,以促進特斯拉的銷量。真正有故事的,是70kWh和85kWh,是如何各增加5kWh電量的。

    有一點可以肯定,那就是電池組電量增加過程中,其電池組的結構是沒有改變的。內部電池包(Battery  Module)的數量也并未發生改變。我們先來簡單了解下特斯拉電池組的內部構造。

    60kWh內部有14個電池包,每個電池包內含384個電芯,共計有5376個電芯組成;85kWh由16各電池包組成,每個電池包內含444個電芯,共計7102個電芯組成。

    后來加入的70kWh,實際上是一個75kWh電池組,經過軟件限制而來的。多余的5kWh,最初被當做一個價值3000美元的選裝包提供給車主。只要通過OTA軟件更新,70D就可以變為75D。

    那么問題來了,75kWh電池組是怎么來的?關于這個問題,特斯拉官方并沒有做出技術解釋。根據作者的判斷,75kWh其實是85kWh電池組,減少2個電池包而來的。在85kWh電池中,每個電池包的容量是5.3kWh,14個這樣的電池包就是74.2kWh。

    這就是70kWh、75kWh,以及85kWh之間的關系。至于60kWh,這只是一個為了降低準入門檻而設置的配置而已。那么,90kWh又是怎么來的呢?

    從85kWh到90kWh,多了5kWh。是多加了一個電池包嗎?在85kWh的電池組結構中,已經無法再疊加電池包。唯一的可能性就是更換了新的電芯。當然,其采用的依然是18650型號的電芯,只不過化學材料有所調整,增加了能量密度。

    在這道工序中,特斯拉將電芯的石墨陽極中,添加了少量的硅,從而提升了電芯的能量密度。在陽極中加入硅,已是電池領域公認的可以提升能量密度的辦法。為避免不斷疊加電池包,而造成的電池組質量過大,特斯拉接下來只能把重點放在研發高能量密度的電芯上。然而,對于三元鋰離子電池來說,要想通過硅來增加能量密度,遠沒有那么簡單。

    其基本原理是:在石墨陽極中加入硅后,由于硅原子的結構相比石墨能夠容納更多的鋰離子,導致陽極對鋰離子的吸納能力增強。單次充放電循環中,陽極鋰離子越多,能量密度也就越大。

    然而,硅在充分吸納鋰離子后,其體積會膨脹300%,比石墨吸納鋰離子后的膨脹率7%要大很多。這種反復的體積變化,會造成固態電極變得"松軟",容易崩離。以此,電池的循環壽命就會降低。

    另外一層因素,是硅陽極由于充放電時的膨脹/伸縮特性,會破壞鋰電池電解質SEI膜的形成。這個膜是在鋰電池初次循環時所形成的,對于陽極材料有保護作用,可以防止材料結構崩塌。

    基于上述原因,采用硅材料做陽極,雖然能量密度可以顯著提升,但也伴隨著副作用,最終會導致電池壽命縮短。所以,特斯拉采取的方案是,逐步在石墨陽極中添加少量的硅,在能量密度和循環壽命中尋找平衡點。

    眾所周知,特斯拉采用的18650電池是由松下生產的。隨著雙方合作加深,特斯拉也在研發新的圓柱形電池。在Model  3正式投產后,新型21700電池將取代18650,成為新的電芯。

    21700電池依然是三元鋰電池,陰極材料是鎳鈷鋁酸鋰(NCA)。這種圓柱形三元電池,是目前能量密度最高的動力電池解決方案。相比方塊形電池,此類電池雖然能量密度高,但穩定性較差,需要有較為出色的BMS(電池管理系統)支持。

    特斯拉最早的Roadster采用的是松下的NCR18650A型電池,額定電壓3.6V,容量3.1Ah。之前的85kWh電池組采用的是NCR18650B型電池,額定電壓3.6V,容量3.1Ah。

    90kWh的電池型號不得而知,但應該不是直接由松下提供成品,而是特斯拉與松下共同研發,專供特斯拉車型的定制化電芯。目前,松下生產的18650電池中,NCR18650G型是容量最高的型號,達到了3.6Ah。如果按照這個計算的話,85kWh電池組中的7102顆電芯,替換為G型電池,正好是90kWh。

    所以,有一種可能性就是90kWh電池組中,電芯是NCR18650G型;而85kWh電池組中,電芯是NCR18650B型??傊?,在電芯數量不變(電池組結構不變)的情況下,只有把單個電芯的容量提升至3.6Ah,才能確保90kWh的電量。

    而要實現100kWh,有2個方案:一是再疊加2個電池包,按照每個電池包5.3kWh的容量,正好可以得到100kWh;二是替換能量密度更高的電芯。作者認為,后者是最佳,也是最有可能的一個方案。

    因為90kWh是基于85kWh的電池組結構而來的。這個結構在18650電池規格下,已經定型,更改其設計結構的成本是很高的。事實上,電池組中已經沒有空間再疊加更多的電池包了。

    如果增加電池包,不但電池組質量會增加,電池組的冷卻循環系統都要改動。所以,提升電芯容量,才是最經濟可行的方案。

    試想,在100kWh的電池組中,不改動電池組結構的情況下,單個電芯的容量要提升至3.9Ah,才有可能實現100kWh的容量。所以,作者猜想特斯拉已經與松下研發出了3.9Ah的18650電芯。這一功勞只能歸功于陽極中的硅。

    未來十年的汽車"智能"浪潮值得期待,汽車將由電控機械技術主導轉向電子、通信、軟件、材料、機械技術的深度融合,成為跨行業創新技術前沿。

    "小型、輕量、智能、電動、共享"將成為未來十年汽車業的核心關鍵詞。伴隨消費者逐漸成熟理性,以及能源、交通、安全等問題日益顯著,汽車最終將回歸智慧運輸的本質:"更輕便、更智能、更安全"將是未來發展方向。汽車產業,將逐漸由封閉走向開放,由機械電控技術主導轉向電子、通信、軟件、材料、機械技術的深度融合。汽車業將成為跨行業、多學科的創新技術前沿,亦將因此激發更多商業模式創新。

    我們預計,到2030年智能電動車市場份額有望超50%。其中,新興汽車公司或占半壁江山;未抓住變革機遇的傳統車企可能淪為代工廠乃至退出市場。未來5年,ADAS及智能駕駛、車聯網、車用芯片、賬號及操作系統等技術值得關注。中國車企和創業型公司受益于資本力量和工程師紅利,有望在智能化進程中承接更多全球分工。

    電動:降低造車門檻,開啟汽車智能革命的序幕。電動車大幅精簡汽車結構和零件數量,核心動力總成(如電機、電池、甚至電控)均可以向第三方采購,因此動搖傳統車企的體系優勢和競爭力。新興科技型車企快速涌現,并高舉"智能化"賣點。到2018年前后,以電動車為載體的智能汽車可能再次改變消費者對汽車的認知。電池仍占當前電動車成本50%,未來,有助于提升電池性能和電動車效率的技術值得關注,如:三元正極材料、濕法隔膜、石墨烯導電溶劑、輕量化等。

    智能:未來汽車業主戰場從ADAS到無人駕駛。ADAS是智能汽車的重要落地,外資巨頭如博世、大陸等占主導地位,中資公司差距相對較大。我們預計,到2020年中國ADAS市場規??蛇_2000億。伴隨市場規??焖俪砷L,中資公司可能在后裝ADAS和預警類ADAS領域尋求突破。對于上市公司和中資創業公司而言,可能存在的機會在于:1)汽車芯片、2)電子制動機構、3)激光雷達和毫米波雷達硬件和算法、4)基于攝像頭和多傳感器融合的算法等。

    車聯網:智能的延伸和拓展,后裝車聯網快速發展倒逼前裝。前裝車聯網目前覆蓋的業務范圍相對有限,常見于導航和基本服務等,如通用安吉星等。未來,前裝車聯網可能進一步延伸至V2V、V2X領域,成為ADAS系統在特殊場景下的感知機構的延伸。LET-V等標準值得關注。后裝車聯網快速生長,產業鏈持續延伸,逐漸形成基于導航、娛樂的金融保險(UBI等)、二手車服務模式,亦應用于汽車貸款、汽車共享等領域。未來,后裝車聯網基于"人"的生活服務,有可能逐漸演變為以車載操作系統和O2O為載體的前裝業務。

    共享:建立在汽車智能基礎上的商業模式創新。車聯網是汽車共享的安全基石,未來無人駕駛可能徹底改變汽車共享業態。出行共享(有司機)快速發展,車輛跟蹤和派單算法影響客戶體驗,資本力量對商業模式和產業格局影響較大。車輛共享(無司機)建立在車聯網定位/追蹤技術基礎上,  C2C模式(如凹凸租車、PP租車等)初露端倪。

    資本將發揮巨大作用。一級市場由此拉開又一輪科技投資熱潮;二級市場優勢公司有望憑借融資能力和上市公司地位整合產業鏈,乃至形階段性閉環生態。但也需要注意的是,未來汽車變革之路以10年為單位計,必然伴隨資本市場的周期波動和預期變化。Gartner曲線亦提示資本預期與產業進步速度差異可能導致的估值波動。對于布局智能汽車等先進技術的企業而言,融資能力、現金流管理亦成為技術實力之外的重要競爭要素。

    "智能"汽車領域值得長期投資布局。未來十年的汽車"智能"浪潮值得期待,汽車將由電控機械技術主導轉向電子、通信、軟件、材料、機械技術的深度融合,成為跨行業、多學科的創新技術前沿,亦將因此激發更多商業模式創新。

    1、電動:降低造車門檻,開啟汽車智能革命的序幕

    電動車降低造車門檻,顛覆傳統車企在"動力總成"領域的核心競爭力。電動車大幅精簡汽車結構和零件數量,核心動力總成(如電機、電池、甚至電控)均可以向第三方采購,因此動搖傳統車企的體系優勢和競爭力。到2018年前后,以電動車為載體的智能汽車可能再次改變消費者對汽車的認知。

    電動化是未來發展方向。對于個人消費者而言,高端電動車能夠提供強勁的動力性和推背感,低端電動車能夠節省汽油開支、降低用車成本。對于國家而言,電動車便于排放集中處理,提升效率。

    能夠幫助提升電池和電動車性能的技術值得重點關注。電池仍占當前電動車成本50%,面對問題包括:1)能量密度提升和成本下降,2)充電速度提升。值得重視的技術方向包括:1)三元正極材料;2)濕法隔膜;3)石墨烯導電溶劑。此外,小型化+輕量化亦是電動化的關鍵支撐,碳纖維、鋁鎂合金值得重視。

    新能源拉開智能序幕

    電動車時代,整車企業原有的核心競爭力受到了撼動,智能將成核心競爭力。傳統車企在"動力總成"領域的核心競爭力受到了挑戰,新進入者打出"智能"牌,炫酷的屏幕和新技術對消費者構成較強吸引力。

    特斯拉拉開了汽車智能大戰的序幕。開始接受預訂以來,Model 3已累積接收近40萬張訂單,全球消費者對于智能和炫酷黑科技充滿期待。

    電動化是未來發展趨勢

    電動汽車帶來駕駛樂趣的體驗。電動汽車的加速性能秒殺傳統燃油汽車。ModelS  P90D可實現百公里加速2.8秒,創下世界紀錄;比亞迪"唐"和"秦"也可輕松贏過燃油超跑。這是由電動機的工作特性決定的。

    節能減排是全球的發展主題。綜合考慮從燃料開采到汽車驅動Well-to-Wheel全產業鏈效率,純電動汽車與燃油車相當,但仍然具有低于汽油車的能耗和排放。

    我國石油對外依存度高,電動化是必然選擇。據中國石油集團經濟技術研究院統計,我國目前石油對外依存度超過60%,并且每年新增石油消費量70%以上為汽車。長期來看,燃油汽車的發展將會加劇我國石油危機,電動汽車成為必然選擇。

    政策法規加速中國新能源汽車產業發展。2012年,國務院印發《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012—2020年)》,提出2015年乘用車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?!吨袊圃?025》進一步提出,2025年乘用車油耗目標降至4.0升/百公里。法規標準倒逼乘用車企業發展電動汽車。

    中國新能源汽車產業在政策扶持下快速起飛。據統計,2015年中國新能源汽車銷量達37.9萬輛,同比增長4倍。我們認為,中國新能源汽車產業已經在政策扶持下走向技術進步。2016年我國新能源汽車銷量有望達到60萬輛,滲透率2%;至2030年,新能源銷量可達2500萬輛,滲透率50%。

    未來技術進步方向:動力電池技術提升

    新能源汽車帶動相關產業鏈,2020年市場規模有望接近萬億,動力電池市場有望達到千億級別。

    動力電池是新能源汽車關鍵環節。新能源汽車目前行業滲透率仍低于3%,電池成本居高不下是主要普及緩慢的主要原因之一。純電動汽車電池成本約占整車成本近50%。電池能量密度提升、成本下降、充電速度提升是新能源汽車進一步普及的重要驅動力。

    三元正極材料電池能量密度較磷酸鐵鋰電池提高15%-30%,將成為乘用車動力電池主流技術路線。正極材料成本占鋰電池比例接近40%,是決定電池性能的關鍵要素。我們預計,2020年三元正極材料市場規模有望超300億。我們預計,2016年新能源汽車銷量可達60萬輛,帶來三元材料電池10GWh需求。

    隔膜是鋰離子電池的關鍵組件,濕法隔膜技術將進一步普及。受益于三元及高端磷酸鐵鋰電池滲透率提升,預計其2020年需求有望超18億平方米,且受益于國產供需持續存在缺口,產品價格及利潤率穩定。預計2020年濕法隔膜市場規模超50億。

    石墨烯或將用于鋰離子電池:導電劑、電極材料。石墨烯導電性能、力學性能優異。目前尚處于研發期,預計2020年市場空間可達5億。

    未來技術進步方向:輕量化發展

    輕量化可顯著提高續駛里程,是電動汽車發展的必然選擇。電動汽車重量降低10%,對應續航里程可增加5.5%。在動力電池能量密度尚不能完全滿足要求的當下,輕量化成為提高續駛里程的重要手段。萬鋼部長也在2016中國電動汽車百人會論壇上再次強調:"輕量化"是中國電動汽車發展的方向之一。

    汽車輕量化材料繁多:高強度鋼、玻璃纖維、鋁合金、鎂合金、碳纖維等。鋁合金被廣泛應用,碳纖維是未來方向。鋁合金應用于汽車輕量化的技術較為成熟,已達量產水平:特斯拉Model  S采用了全鋁車身;奇瑞捷豹路虎的全鋁工廠已經竣工投產;車和家的鋁合金工廠也已落戶常州。碳纖維材料由于其突出的減重性能和比強度而受到廣泛關注,但由于其造價高昂,目前只有極少數量產車型采用:如寶馬i3、長城華冠的首款車型K50。

    2、智能:未來汽車主戰場,從ADAS到無人駕駛

    智能汽車將重塑車企的核心競爭力。在汽油機時代,發動機、變速箱組成的動力總成是傳統車企的核心競爭力。對于大型乘用車企業而言,發動機往往采用集團內InHouse的做法;新進入者無法購買合適的高性能發動機,只能通過自行研發積累。但一款好的發動機的研發周期往往需要十年以上的時間;而一旦批產發動機出現質量問題,又可能對車企的品牌形成巨大傷害。因此,發動機也就成為了傳統整車企業最大的壁壘和核心競爭力。

    電動車時代,智能將成車企的核心競爭力。電動車大幅精簡汽車結構和零件數量,核心動力總成(如電機、電池、甚至電控)均可以向第三方采購,因此動搖傳統車企的體系優勢和競爭力。新進入的造車企業往往以"智能化"為賣點,以炫酷的前沿技術吸引更年輕的消費者。未來10-20年,汽車產品及其產業鏈將面臨巨大變化和挑戰。傳統車企不得不重新披掛上陣,加速智能應用的開發進度,以應對新進入者的挑戰。

    未來汽車業主戰場從ADAS到無人駕駛。ADAS是智能汽車的重要落地,外資巨頭如博世、大陸等占主導地位,中資公司差距相對較大。我們預計,到2020年中國ADAS市場規??蛇_2000億。伴隨市場規??焖俪砷L,中資公司可能在后裝ADAS和預警類ADAS領域尋求突破。對于上市公司和中資創業公司而言,可能存在的機會在于:1)汽車芯片、2)電子制動機構、3)激光雷達和毫米波雷達硬件和算法、4)基于攝像頭和多傳感器融合的算法等。

    ADAS:智能駕駛的落地載體

    我們當前處于輔助駕駛前期,距離徹底的無人駕駛還有較長距離。美國汽車工程學會SAE將自動駕駛分為0到5級。目前L1和L2技術已相對成熟,L3和L4技術即將量產(特斯拉已經提前進入了3級自動駕駛階段)。徹底的L5無人駕駛是指全路段、全天候的,無需人工干預的全自動駕駛,汽車可自主完成加速、制動、轉向等動作,可能需要至少十年才能達到產業化階段。

    智能駕駛以技術為核心驅動力,打造感知、決策、執行的閉環控制。目前ADAS核心技術主要掌握在外資公司手中,包括博世、大陸、德爾福、電裝等。中國多年積累的工程師紅利體現,創業型公司大量涌現,本土工程師和海歸力量共同推動技術進步。但綜合考慮法規、標準、公司規模和抗風險能力等要素,整車廠對大規模采購創業型ADAS產品仍有顧慮。中資公司可能在后裝ADAS和預警類ADAS領域尋求突破。

    智能駕駛亦為三層金字塔供應鏈格局。1)頂端的OEM和科技型造車企業;2)ADAS供應商;3)底層零部件供應商。

    市場空間:萬億無人駕駛,千億ADAS,百億元器件。全球汽車銷量增速放緩,但是整體銷量仍超過8000萬。中國市場2015年行業銷量達2460萬輛,帶動相關產業鏈超2.5萬億。ADAS系統有望先行普及,預計2020年滲透率有望超30%,市場規模接近2000億。同時產業鏈上游相關元器件行業如雷達、攝像頭、HUD(抬頭顯示)等需求均有望快速增長,2020年有望達到百億級別。

    根據功能不同,ADAS可分為預警類和執行類。在遇到緊急情況時,預警類ADAS只發出警告信號,由駕駛員決定如何操作;而執行類ADAS則可自主判斷決策,控制車輛實現加速、制動、轉向等動作,以避免碰撞。

    國外汽車零部件巨頭在ADAS領域保持優勢地位。包括大陸、德爾福、電裝、奧托立夫、博世等。

    創業型公司大量涌現,上市公司亦希望借由參股和收購創業公司方式進入ADAS領域。借由資本的力量和中國多年積累的工程師紅利,ADAS領域里的創業型公司快速涌現。我們認為,只有真正掌握核心技術、具有較強市場拓展能力(整車廠渠道)、具備出色融資能力、管理團隊優秀且持衡的本土創業型才有可能最終勝出。在ADAS創業競賽中獲得最終勝利決非易事。 


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