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[汽車之家技術] “天啊，哥們兒，那是輛TESLA，坎兒新的。”如果不是親眼所見，誰也不會相信那輛著火的是一輛TESLAMODEL S。在此之前，加上Roadster車型，量產的TESLA電動車累積的行駛里程已經超過了1.81億公里，TESLA似乎用這樣的方式證明了產品的可靠性。這就好像當年所有人都相信泰坦尼克號是一艘永不沉沒的遊輪一樣。當然，在技術上，馬斯克也的確給了很多讓我們相信他的理由。電池總成結構    既然是電池惹的禍，那我們就先來了解下有關它的情況。眾所週知，TESLA電動車的電池採用了松下提供的NCA系列（鎳鈷鋁體系）18650鈷酸鋰電池，單顆電池容量為3100毫安培時（mAh，一般我們在電瓶上看到的單位是“安時”，這主要是根據不同容量的電池來選擇不同的單位）。    這種電池我們並不陌生，像筆記本電腦等電子數位設備使用的都是這種類型的電池，相比于其他電動車使用的電池類型，18650電池的技術更為成熟，比能量（參與電極反應的單位品質的電極材料放出電能的大小）方面它幾乎是磷酸鐵鋰電池（比亞迪e6）的兩倍，也就是說，在同等體積的情況下，18650電池組成的電池單元可以儲存更多的電能。這也是TESLA使用這種電池的其中一個原因。    TESLA電動車與其他品牌電動車使用電池的情況車型MODEL S 85KWh豐田普銳斯雪佛蘭沃藍達Volt比亞迪e6日產聆風正極材料鈷酸鋰18650電池錳酸鋰三元磷酸鐵鋰錳酸鋰電池供應商松下（三洋被其收購）松下LG化學比亞迪AESC電池總容量85kWh44kWh16kWh60kWh24kWh續航里程426km20km62km300km160km電池質保期8年不限里程整車質保3年，10萬公里8年，約16萬公里（英里換算）5年，10萬公里8年，約16萬公里（英里換算）續航里程為純電動行駛里程，數據來自官方    儘管如此，把這種電池運用在電動車上還是有一定難度，比如，要想滿足一輛電動車的使用需求就需要使用很多個18650鋰電池，這就出現了一個要解決的問題，如何把它們組合在一起。    85kWh的MODEL S的電池單元一共運用了8142個18650鋰電池，工程師首先將這些電池以磚、片逐一平均分配最終組成一整個電池包，電池包位於車身底板。    將這幾千節電池組合在一起的方式雖然被行業認為是件不可思議的事，但對於TESLA的工程師來說，相比接下來要解決的問題，那不過是一個稍稍複雜些的算數題。    18650電池的穩定性    雖然18650鈷酸鋰電池是滿足較高續航行駛里程的關鍵，但它在高溫狀態下的穩定性相比鎳鈷錳酸鋰（NCM）和磷酸鐵鋰電池則要稍差些，因此，在安全性方面就需要技術的有力支撐。    暴烈的性格曾讓它也惹了不少麻煩，記得在幾年前，新力公司就因旗下筆記本產品所使用的電池發生爆炸採取了召回行動。不過，現在的18650電池已經可以在技術上避免自燃或無故爆炸的情況出現。不過，在發生強烈的撞擊後，這種電池還是存在著很大的爆炸可能，另外，對於低溫環境的適應能力也不是很穩定，在低溫環境下，鈷酸鋰電池容易出現因過度放電導致過熱的情況。這樣看來，如何管理這些電池就成了十分重要的事。如何監控電池包的狀態    電池包內的保險裝置分佈到每一節18650鈷酸鋰電池，每一節18650鈷酸鋰電池兩端均設有保險絲，當電池出現過熱或電流過大時，保險絲會切斷，以此避免因某個電池出現異常情況（過熱或電流過大）時影響到整個電池包。    我們在上面介紹電池包結構中提到了每個電池包由若干個電池片組成，一個電池片由若干個電池磚組成，而一個電池磚又有若干個18650鈷酸鋰電池組成，除了每節18650電池設有保險裝置外，每個電池片和每個電池磚也都有保險裝置，一旦發現某一單位內部出現問題，保險裝置都會將其切斷與其他電池單元的聯繫，從而避免殃及池魚的情況出現。另外，每個電池片之間都有相對獨立的空間並由防火牆相隔，即便是單個電池片內部出現了起火的情況，火勢也可得到一定控制，不至於迅速蔓延至整個電池包。    當然，保險裝置是最後的一道屏障，當它切斷的時候也就意味著某個電池單元出現了問題，如果涉及到更換，整個電池包可以以“片”為單位進行更換。每節電池之間以並聯的方式連接，而電池磚之間和電池片之間分別以串聯的方式連接，也就是說，在實際用車過程中，當某節電池出現問題時，車輛不會拋錨，受到影響的只是車輛的續航里程。    維持整個電池包的工作狀態以及監控每個電池單元的系統對於TESLA電動車的性能是關鍵（在其他品牌電動車上，這同樣十分重要）。通過在每個電池片（內部由含有若干18650鈷酸鋰電池的電池磚組成）裏的電池監控裝置（Battery System Monitor）來監控電池片內每一個電池磚的狀態，其中不僅是電流、電壓，它還能識別電池的工作溫度、各個電池磚的相對位置以及是否產生煙霧等。    電池的溫度是影響電池性能的一個關鍵因素，過高或過低都會使其工作狀態出現波動，進而影響到車輛的整體性能，所以，需要系統不斷地均衡每個電池的溫度。以上提到的這些有關安全和電池性能的保障都得益於這種電池分層管理模式的設計。    車身結構確保電池總成的安全    之前TESLA MODEL S在NHTSA（美國高速公路安全協會）進行了碰撞測試，最終拿到了五星的成績，這個結果讓埃隆•馬斯克有點自我膨脹，不管怎樣，MODEL S在各項碰撞測試中對假人的保護以及電池的狀態還是值得稱道的。下面我們通過當時碰撞的情況來看看這款車在被動安全方面表現如何。    NHTSA的碰撞測試包括100%正面碰撞、27°角側面碰撞、75°角側面柱碰和翻滾碰撞、車頂強度這幾項碰撞測試，如果你想詳細了解詳細的NHTSA碰撞測試方式可以看看我們之前製作的那篇文章。《測試項目不夠全面 中美歐碰撞規則對比》相關視頻：更多精彩視頻，盡在汽車之家視頻頻道    在100%正面碰撞測試中，MODEL S以56km/h的速度撞向剛性壁障，從碰撞過程中的車身姿態來看，相比我們在C-NCAP碰撞測試時看到的情況有所不同，MODEL S的車尾並沒有出現大幅度抬起的情況，這與整個車身的重量分佈有關，MODEL S的電池分佈在車底，電機位於後車橋，而車頭前部又不像傳統汽車那樣裝有動力總成，所以，整車的重量基本都集中在車輛底部和尾部並且重心較低，這樣，在這項碰撞測試中，車身的幅動相對較小。    由於“發動機艙”內不需要安裝動力總成，這樣，就能有足夠的空間來佈置用於提高車身強度的結構，在這樣的碰撞情況下，很難傷及位於乘員艙下方的電池組。    相比之下，來自側面的碰撞對電池的安全性能威脅更大，因此，通過高強度的材料避免碰撞時電池組受到過度擠壓是十分重要的，上面我們提到18650鈷酸鋰電池在碰撞時確實存在爆炸的可能。不過，一味的提高強度對於乘員而言可不是一件好事，我們在之前分析碰撞測試時提到的吸能緩衝理念在這裡同樣受用。又要避免電池組受到擠壓，又要保護乘員，這樣的難度可想而知。    通過一份材料我們看到，MODEL S的門檻梁部分採用了一種由鋁制部件組成的多層結構，這樣的結構在抵禦碰撞力量的同時，可以在結構的引導下逐漸吸收碰撞能量，該結構理念源自阿波羅飛船在登陸月球時所使用的著陸器。不知道這是不是一門心思想在火星退休的埃隆•馬斯克想出的點子。從這份報告來看，在柱碰測試中，對於乘員艙的保護，MODEL S（駕駛艙保留了63.5%）比沃爾沃V60（駕駛艙保留7.8%）還要優異。    考慮到後排設有第三排座椅，在後部防撞結構的設計方面，MODEL S在車尾裝配兩根防撞梁，以此降低在後部碰撞發生時第三排乘客受傷的可能。    為什麼還是著火了？    在看過了包括電池安全技術和車身被動安全方面的介紹，那MODEL S為什麼還會出現碰撞後起火的情況呢？事發的一段時間後，埃隆•馬斯克發佈了相關的聲明，聲明中說到，這次高速事故引發的車輛起火是因車輛底部的電池保護罩被硬物刺穿，強烈的撞擊使得刺穿的峰值力超過25噸並把6.35毫米的車底護板打了一個直徑76.2毫米的洞。    隨即，電池總成前部的通風孔開始向外釋放熱量並導致起火，而當消防員趕來時採取了傳統的滅火方式，進而導致起火面積變大，後來使用乾粉滅火器才將火勢控制。由於電池總成內部為每個電池模組都建立了單獨的防火牆，因此，火勢沒有蔓延至其他地方。報警系統也及時通過各種聲音和圖示警告駕駛員儘快離開車輛，最終，駕駛員免於受傷。    編輯總結：    因為碰撞起火的事故讓今年股價已翻4倍的TESLA股票在當日的跌幅達到8.92%，的確，相比于傳統汽車起火，電動車起火確實比較敏感，此前，比亞迪也曾經歷過類似的事件。這兩件事放在一起來看都屬於意外，一個是被金屬刺穿車底，一個是被高速行駛的跑車攔腰撞擊，這樣的極端情況下即便是傳統汽車也不能排除起火的可能。    不可否認，馬斯克將電動車推向了一個新的高度，在一定程度上，他用個人的色彩渲染了TESLA品牌，當然，對於TESLA品牌而言這只是一方面，更重要的是它向我們詮釋了未來的交通工具的樣子。MODEL S應該算是個真正的開始，接下來，除了繼續打造用戶體驗外，電池的升級也是產品發展的關鍵，在馬斯克眼中，只有超級電容才能為其所用（充放電速度快），但由於技術原因，超級電容還無法全面滿足電動車的需求。總而言之，在安全方面，電動車的製造廠商每一步都會走得很小心。特斯拉凭什么能将钴酸锂电池应用于汽车？2013年05月28日 13:27来源：车云网作为电动车的核心部件之一，特斯拉（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”。原因在于特斯拉是唯一一家采用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。事实果真如此吗?    据车云网5月28日报道，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。　　在汽车上使用钴酸锂电池，特斯拉算第一个　　特斯拉则有些另类，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，特斯拉是第一个吃螃蟹的人。　　特斯拉的电池技术总监Kurt Kelty曾经表示：特斯拉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。并且，虽然每个电池单元的尺寸小，但每个单元的能量可控制在较小的范围，与使用大尺寸电池单元时相比，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。此外，全球每年要生产数十亿个18650型电池单元，安全级别也在不断提高。　　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，在特斯拉第二代车型Model S上使用的18650比之前Roadster的能量密度高出3成。　　据特斯拉首席技术官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年向特斯拉投资3000万美元，成为其股东之一。并且于2011年达成战略协议，将负责特斯拉今后5年全部车辆的电池供应。按照特斯拉目前预计每年2万辆的产量，松下18650将装配在超过8万台Model S上。　　6831节锂电池的神奇重组　　18650存在安全风险是不争的事实，特斯拉如何“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，特斯拉创始人之一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特斯拉电池系统控制领域，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,当特斯拉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，而反观特斯拉，不论是Roadster还是Tesla Model S都从未发生过起火自燃事件。　　    特斯拉已经和丰田、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。目前戴姆勒持有特斯拉4.3%的股份，丰田也持有特斯拉2.9%的股份。但是由于特斯拉正式投入市场的产品时间不长且数量不多，理论上完美的特斯拉电池系统还需继续面临实践检验。-----------------Tesla采用的电池是松下的18650小电池，正极材料是三元材料。作为同行，国内的比亚迪[-4.03%资金研报]采用的是大电池，正极材料是磷酸铁锂。汪刘胜认为，与大电池的生产相比，小电池的制造成本和未知风险低;同时，成熟的小电池可采用高能量比正极材料，电池容量高，电池组重量轻且续航里程高。而比亚迪所用的电池优势在于循环次数多和安全性高，但能量密度和瞬间功率不如Tesla。目前比亚迪电池成本比较高，但未来将持续下降。　　Tesla和比亚迪的市场定位也不同。汪刘胜认为，Tesla目前成功得益于其精准定位富豪市场。对于大众市场，Tesla计划开发出价格在3万美元以下的车，推出时间可能在2016年。目前，Tesla仅有三款车型，在售车型仅有ModelS，其一季度成为美国豪车销量冠军。不过，Tesla当前车型生产成本很高。　　与Tesla不同，比亚迪采取公交优先的推广战略。目前，比亚迪的电动大巴开始略有盈利，E6还不能贡献利润。汪刘胜认为，比亚迪的公交优先战略很适合自身条件。因为在现有价格水平下，电动汽车行驶里程相对较少，回本周期过长，在大众中短期难以普及。　　“比亚迪通过电动公交车K9和出租车E6率先打开市场，并随着市场规模扩大和产量的提升，从而促使生产成本降低。在公共交通电动化先行的过程中，进一步积累技术经验并降低成本，未来推出更适合家庭的电动汽车，来实现正向良性循环，走出一条高性价比、大众化普及之路。”汪刘胜说。　　比亚迪2012年年报显示，其参股运营的鹏程电动汽车出租有限公司报告期实现净利润311万元。电动公交车的能源成本优势正在逐步转化为利润。　　访谈中投资者咨询电动车的商业化进程加速，问到是否能够完全取代传统汽车。汪刘胜认为，电动车完全有可能取代传统汽车。为应对潜在的冲击，传统汽车巨头都在加大电动汽车研发，只不过由于市场和技术未成熟，推进相对保守。他认为Tesla的冲击将促使传统汽车厂商加大投入，预计电动汽车的普及进程会加快。　　不过，电动车行业近期也并非全是好消息，美国电动车产商Coda、Fisker和全球领先的锂电池企业A123相继宣布破产。汪刘胜表示，全球电动汽车现仍处于起步和探索阶段，Tesla首获成功意义重大，而成本、续航里程和安全性是目前阻碍电动汽车发展的主要障碍。