​电动汽车科普入门

电动汽车科普入门

这期内容，是个比较枯燥的技术贴，为了避免看着乏味，不妨从特斯拉说起。毕竟特斯拉的Model3是现在特别热议的一个话题。Model3，是2016年4月1日，愚人节那天发布的。因为各种原因，上市时间一再跳票。2018年5月，这款车终于在北美上市；而直到2019年初，才正式在国内销售。以至于那几年间，很多人一直拿愚人节这个梗儿来开特斯拉的玩笑。进口Model3，在国内上市之初的售价是43万人民币，后来随着不同版本车型的推出，价格降到36万。2019年5月，第一辆国产Model3在上海的工厂下线，价格定为32.8万。在2020年1月，国产Model3可以享受政府提供给新能源车主的补贴，终端售价降到了29.9万元！而且据说，有可能在2020年内降至25万元，甚至会更低。所以有人开玩笑说：买特斯拉Model3是早买早受益，晚买得便宜。

其实Model3在北美的售价，一直非常稳定。长续航的版本是5.1万美元，算上运费、保险和海关关税，在咱们国家的落地价基本上就维持在44万人民币左右。而特斯拉在中国率先发售的就是Model3长续航版，售价定在43万，算得上是良心价。后来的价格变化，是开始销售标准续航版，这个版本在北美的售价是3万6千6百美元，折算成中国的落地价大约在35万左右。国产model332.8万的价格，看似比进口版低，但是考虑到电池容量缩水了13%，而且没有自动驾驶功能，所以优势并不明显。最近的价格下探，完全是得益于政府的补贴。

国产特斯拉肯定是存在降价空间的，到底能降多少呢？我们不妨先来分析下他的成本构成。国外有很多专家，对特斯拉的各款车型做过拆解，分析他们的成本。结果发现，动力系统在整车的成本中占到50%；其次是底盘和车身，占20%；然后是车子的内饰，占15%；剩下还有各种电子部件、传感器、轮胎等等。这个比例，和其他品牌的电动汽车大致相当，也就是说，主要的成本来自于动力系统。而在动力系统中，电池的成本贡献了76%、电动机13%，剩下的11%是电控系统。对于特斯拉来说，电池和电动机都需要外部采购，成本在短期内要大幅下降恐怕不太容易。

特斯拉选用了松下的18650和2170锂电池。说到这儿，我们要带出今天的第一个知识点，什么是18650？

18650是日本SONY公司定义的一种锂电池标准，18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0代表了圆柱形电池。圆柱形电池，是把锂离子电极片与绝缘隔膜，围绕一个圆心卷绕起来，形成一个小小的圆柱体，然后装入标准的钢制或铝制圆柱外壳中。

从Model3开始，特斯拉和松下合作推出了2170锂电池，顾名思义就是指外径为21mm，长度为70mm的圆柱型电池。2170的单体电池容量，相比18650，提高了35%。在Model3上，仅仅用了2976节电池，就达到了接近ModelS的续航里程，而ModelS则使用了7104节18650电池。

可能有的人会产生疑问：仅仅是形状变大一点，电池容量就有这么大的提高，为什么不把电池做得更大一些？好，我们再说第二个知识点：锂电池的工作原理。在上个世纪70、80年代，美国和日本的科学家分别发现锂离子有个有趣的特性，在正负极之间的运动可以完成储存和释放电能，所以发明了锂电池。这三位科学家因此还在2019年获得了诺贝尔化学奖。

锂离子在一定的电压下，会从正极的材料中脱离出来，嵌入负极的石墨材料，在这个过程中，物体可以吸收电能。锂离子对于石墨材料来说，是个闯入者，一旦电压低于某个阈值，锂离子就开始脱离负极材料，回家去了。那么这个过程，就开始放电。

锂离子特别活跃，对外界的温度又非常敏感。如果温度太高，锂离子嵌入正负极材料过多，就可能因短路而引发燃烧。而假如温度太低，锂离子的运动速度就变慢，电池的充放电效率也会下降。所以在寒冷的季节，为了保持锂离子的活性，需要不断给电芯加热，电池本身就会消耗一部分电量，直观的表现就是汽车的续航里程下降。

说完锂电池的工作原理，咱们要引出今天的第三个知识点：电池能量密度。电池的能量密度就是单位重量的电池，能够存储的电量。简单来讲，这个指标越大越好。特斯拉的2170锂电池电芯的能量密度达到了每公斤300瓦时，这是目前量产锂电池能够达到的最高水平。

那是不是意味着这种圆柱形的锂电池，代表了纯电动车的技术路线和未来呢？说到这儿，咱们要引出与圆柱形锂电池对应的另外一种形态的锂电池：方形卷绕层叠式电池。这个名字是不是太长了？可以简单称呼其层叠式电池。

这种电池的生产工艺，是把电极片与绝缘膜先平铺，然后围绕一个微小的转轴180度折叠，就像折纸一样。然后再平铺、折叠，就这么一层层堆起来，最后在外面套上设计好的铝制外壳密封就变成了一块电池。

需要说明的一点：锂电池生产工艺的种类多种多样，我们可能会看到软包锂电池，方壳锂电池，层压式锂电池等等不一而足的称谓。这些词汇，都是锂电池在生产中某个环节的简称。

层叠式的生产工艺，因为出现的时间比卷绕式工艺晚，所以在成熟度上有差距。在实验室中，层叠式电池的能量密度可以媲美卷绕式，但是在生产中，由于每个客户对于电池尺寸和形状都不一样；甚至，同一个客户不同产品的电池规格也不一致，结果给电池的生产增加了无尽的困难。以至于，每一批电池都像是在生产线上做试验。不同批次的电芯电气性能很难做到完全一致，所以量产的层叠式电池，一般都会采用牺牲一部分能量密度的方式，来提高生产中的良品率。结合刚才说过的锂电池工作原理，就是限制锂离子嵌入负极材料的数量。

其实，生产工艺对电芯能量密度的影响很小，影响能量密度的一个重要因素，是电池正极的复合材料。无论是卷绕式，还是层叠式的电池，目前的正极材料大都以三元锂为主。三元锂电池是指在正极材料中，添加了三种金属元素。层叠式电池一般会在正极中添加镍(Ni)钴(Co)锰(Mn)这三种金属，而圆柱形锂电池添加的是镍(Ni)钴(Co)铝(Al)。这三种金属在正极材料中含量并不高，就像美食中的调味品，少了它们，食物索然无味；而如果添加太多，美食就变成了苦药。镍和钴，特别是镍的含量越高，在正极材料中就可以容纳更多的锂离子；然而超过一个临界值后，锂离子就变得不可控，一旦出圈就危险了。锰和铝的作用主要是稳定剂，让锂离子不要太活跃。经过科学家的经验总结，维持这三种金属在正极材料中的特定比例，就可以获得稳定的电池能量密度。

通过多年的试验探索，当镍钴锰的比例调整为为80%:10%:10%时，电芯的能量密度可以达到300瓦时/公斤。采用这种材料制造出的锂电池，就是我们常听到的NCM811三元锂电池，有时干脆简称811锂电池。2019年下半年上市的大部分电动汽车，都开始采用811锂电池。这种材料，会在2020年成为三元锂电池的主流。

除了三元锂之外，最近比较热议的另一种锂电池技术，就是磷酸铁锂，它处于什么水平呢？从能量密度上看，磷酸铁锂相比三元锂大概有20%左右的差距。那为什么像比亚迪这样的国内品牌，还要力推这项技术呢？主要是因为磷酸铁锂电池，不需要使用镍、锰和钴这些贵金属，所以在成本上有优势。磷酸铁锂的热失控温度可以高达500度，而三元锂在200度时，锂离子就会失稳，所以磷酸铁锂电池的安全性也更高。不过更深层的原因：钴金属是一种非常重要的战略物资，在航空航天领域、高精尖武器中都需要用到。咱们国家的钴矿贫乏，所以从国家的战略角度出发，特别鼓励研发磷酸铁锂技术。

再说回特斯拉，虽然卷绕式圆柱形电池听起来相比层叠式方形电池有若干优势，但是在产业界，目前层叠式电池的使用规模更大，或者说更为主流。18650和2170，除了特斯拉之外，就只有在一些电动客车上还有应用。国内外其他的汽车厂商，在家用电动轿车上，使用的都是层叠式电池。从全球电池厂商的生产比例上看，圆柱形电池也是呈现一个逐年下降的趋势。这个原因，其实与电动汽车行业无关，层叠式电池的需求，来自于手机的兴起。大部分锂电池厂商，在上个世纪90年代，都纷纷降低对圆柱形卷绕生产线的建设，转产到层叠式电池工艺。当时手机，特别是智能手机的出现，对于轻薄型的锂电池呈现一种井喷式的发展需求。层叠式电池，不仅适用于手机，而且对于笔记本电脑以及后来出现的各种智能设备来说，都是一种最佳形态的锂电池方案。电动汽车行业乐于接受这种电池形态，是考虑到层叠式电池可以充分利用汽车底盘中的各种不规则空间，在有限的车体内，放置尽可能多的电池模块。

那么大家可能就困惑了：如果层叠式电池是主流，为什么特斯拉非要选择圆柱形电池呢？真相只有一个：在当时的条件下，除了圆柱形电池以外，特斯拉根本没有其他选择。

特斯拉在是2003年，由马丁.艾伯哈德和马克.塔本宁在美国硅谷创立的。这两个人虽没有后来加盟的埃隆.马斯克那么有名，但也属于天才级别的创业大神。艾伯哈德获得过计算机的学士学位和电子工程的硕士学位；塔本宁就读于加州伯克利大学的计算机系，在软件上有很高的造诣。他们两个早在1997年就联合创立过一家研发电子书的公司，并且在2000年，以几乎2亿美元的价格，成功地把这家公司转卖出去，实现了财务自由。这两个人不甘寂寞，在2003年，又创办了特斯拉汽车公司，希望制造出可以媲美超级跑车的电动汽车。

不过以他们的技术背景和实力，从零开始设计制造一辆跑车，简直就是天方夜谭。所以两个人决定，找一家靠谱的汽车公司，由对方提供汽车的底盘和车身，以及相关的技术支持。可惜在当时，没有大公司看得上他们，只有英国的莲花公司愿意合作。因为莲花公司当时正面临财务危机，有人送钱上门，肯定来者不拒。

莲花公司的长项是设计制造轻量化的小型跑车，所以摆在特斯拉面前的一个挑战就是：如何在小巧的车身内装配足够大容量的电池。在那个时候，通用汽车公司已经推出了世界上第一款量产的纯电动汽车，叫做EV1。

因为EV1研发的时间比较早，所以使用的还是传统的铅酸蓄电池，这个重达500多公斤的电池，只能提供100到120公里的续航里程。而且因为电池尺寸太大了，如果塞到特斯拉的原型车里，就没有乘坐空间了。幸好当时有一些汽车厂商，已经开始研发以锂电池作为动力来源的电动汽车，不过，他们更多选择的是层叠式电池。那特斯拉为什么剑走偏锋呢？

圆柱形电池的卷绕式生产工艺，在那个年代，经过很多年的发展，几乎达到炉火纯青的地步。当年有个段子：有一位美国的专家说，你从日本公司购买一批18650电池，然后用一台电池充放电仪器去测试它们，假如发现不同电池测出的曲线不一样；这个时候你应该怀疑的，是你的测试设备，而不是电池本身！

不仅仅是电芯一致性好，日本公司生产的18650电池，产线良率可以稳定在98%。而层叠式电池在当时的生产良率还不到40%。这个生产良率，不是以单个电芯为单位计量的，而是以生产线为单位来计量。也就是说，一条电芯生产线上，一次投产的成百上千个电芯，根据统计规律，如果抽检有若干电芯不合格，整条生产线上的电芯都被判定为不良品。所以40%的良率意味着什么呢？就是层叠式电池根本供不应求。在当时，锂电池厂商最大的客户是手机和笔记本电脑公司。电动汽车的订单，在锂电池工厂中的优先级并不高，这些公司经常处于等待交货的煎熬当中。像特斯拉这样的初创公司，与电池厂谈判时，没有任何博弈的筹码，不要说货源，就是研发过程中，基本的技术支持对方都不愿意提供。恰巧当时的松下公司，正面临一个艰难的抉择，是放弃自己在卷绕式工艺上多年的积累，跟风转产层叠式电池呢，还是继续坚守自己的阵地，与竞争对手对抗？

可能有人不理解，这两种工艺不都有一个卷绕的步骤吗？为什么要选择其中一个，就必须放弃另一个呢？因为他们不仅仅是在生产工艺上有差别，而且在生产设备、电池检测设备上都天差地别，这些设备的投入都是以亿、甚至十亿美元为单位计算的。所以那段时间，对电池产业来说，是个重新洗牌的时期。

在那段时期，松下公司一直不遗余力地推广和兜售他们的圆柱形电池产品和技术，遇到特斯拉，简直就是久旱逢甘霖。两家公司一拍即合，从2003年开始，一直合作到今天。

所以特斯拉没有选择层叠式电池的事实真相，并不是像埃隆.马斯克宣传的：圆柱形电池比层叠式电池更有优势。而是特斯拉在创立的时候，根本没有实力去抢到层叠式电池的技术和供应资源。

说完电池，咱们还要再聊聊电动汽车上的另外一个关键部件：电动机。在目前家用电动汽车上，大多采用交流电动机，并且可以分为两类：一类是「三相异步交流电动机」，另一类叫做「永磁同步交流电动机」。

永磁同步电机的优点是体积小，重量轻，比其他类型的电机可以输出更大的扭矩，是目前电动汽车应用最多的电动机。

而异步电机，或者更通俗的叫法是感应式电机，它的优点是可以承受更大范围的温差、没有退磁风险、高速区间效率好。

特斯拉的modelS和modelX，都采用了感应式电机。这也是为什么这两款车的加速特别快，而且最高时速都超过了200公里。这样的性能，在当时的电动汽车领域异军突起，瞬间就圈粉无数。甚至可以说，modelS在当时彻底改变了很多人对电动汽车的观念。

特斯拉选择感应电机，有三个原因。咱们刚才说过，特斯拉的两位创始人，初衷是打造可以媲美超级跑车的电动汽车。他们研发的第一款车Roadster，是辆双门双座的小跑车。

在莲花公司的帮助下，Roadster的零百加速达到了3.7秒，在当时的确可以和很多超跑一较高下。要想达到这样的技术指标，选择感应式电机，比永磁同步电机更容易实现。选择感应式电机的第二个原因，是特斯拉早期的大部分研发技术骨干，都来自于美国的工业变频器行业，他们对感应式电机技术特别熟悉，使用起来得心应手。第三个原因，就是制造永磁同步电机，要使用一种核心材料叫做钕铁硼，这种材料最大的储备国是咱们国家。而中美关系的微妙变化，经常会影响永磁电机在美国的供应。特斯拉作为一家初创公司，根本没办法拿到稳定的货源，所以选择感应式电机作为切入点是非常明智的。

不过从Model3开始，特斯拉也使用了永磁同步电机。更有意思的是，特斯拉已经发布了对ModelS和ModelX的升级计划，要用永磁同步电机替代现在的感应式电机方案。

虽然电动机已经发明出快200年了，但是特斯拉并没有墨守陈规，而是在标准产品的基础上做了很多改造。还形成许多专利，比如说，让电动机能够承受更大的电流，也就意味着可以输出更高的扭矩；以及用更便宜的材料制造出更加耐用的电机转子等等。所以特斯拉的电动机相比竞争对手，功耗更低、马力和扭矩更大，而且使用寿命也更长。

截止到2019年底，特斯拉公司一共申请了288项专利，获得授权的有283个。大致分析其中249项专利，可以看出电池专利数量最大，超过100项。充电类专利达到28项，接下来就是电动机的专利，有13项，甚至超过很多人对特斯拉最为赞赏的用户交互类别。

介绍完锂电池和电动机的知识点，大家是不是会有这么一种感觉：特斯拉因为诞生时，实力不强，只能选择非主流技术；现在好像又在向主流靠拢，这个形象，和众人眼中革命者一样的创新公司，完全对应不起来。而且，如果在这些产品技术上没有绝活，为什么他的各款产品，都在加速性能和续航里程上领先竞争对手呢？别急，我会在下一期的节目中慢慢给大家揭晓。