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1、特斯拉纯电动汽车技术分析当今汽车技术领域正在发生一场深刻的变革，燃油车在百年汽车发展史上的霸权地位开始动摇。特斯拉于硅谷横空出世，用全新的方式去思考、设计、制造和经营汽车，重新定义电动汽车的概念，让豪华智能电动汽车从图纸变成现实。特斯拉在诞生的时候就确信：这个世界上并不缺少新的消耗着汽油、排放着污染物尾气、有着复杂传动装置的汽车，特斯拉决定站在科技、汽车、能源的交叉口，进行颠覆性的思考和研发。面对地球环境危机的日益加重，特斯拉坚信转变人类出行方式是化解这场危机的核心。然而汽车电气化仍然有着诸多难题，例如电动汽车能否在性能上比肩甚至超越传统燃油车，特斯拉又是否能够作为行业开拓者打破传统汽车行业坚
2、固的壁垒？本文从特斯拉的技术路线、技术优势和专利开放等方面，分析特斯拉纯电动汽车技术。1. 特斯拉的技术路线及选择原因特斯拉的首要任务不是要成为全球最大的汽车公司，而是要弥补电动汽车长期存在的若干缺陷，并通过惊艳的产品颠覆人们对电动汽车的看法，然后通过竞争使全球汽车巨头不得不去开发自己的电动汽车，其终极目标及公司的宗旨是尽快在市场上推出大众市场接受的电动汽车，加速实现可持续交通。特斯拉成立之初，遇到的一个大难题就是新技术的早期研发成本会导致产品的价格过高。这也是第一部手机或第一台计算机价格非常昂贵的主要原因。但是特斯拉是电动汽车领域的首创者，所以即使产品价格昂贵，物有所值也会被人们接受。由于市
3、场上已有质量较好且价格合适的燃油汽车，推出质量与2.5 万美元的燃油汽车相当但却要卖 10 多万美元的电动汽车是行不通的。因此，特斯拉制订了三步走的商业计划：第一阶段向超级富豪推出高价、小批量汽车。推出第一款产品时价格很高，但确保汽车的高档品位，使其物有所值，即生产出的汽车足以媲美顶级性能车，那么定价为 10 万美元也就不存在问题。图 1 特斯拉第一阶段电动汽车 Roadster先生产面向小众的高端产品，是为了吸引第一批目标顾客成为电动汽车的铁粉，向公众证明电动汽车可以达到甚至超越传统燃油汽车的技术水平，特斯拉在第一阶段推出了 Roadster （图 1）。第二阶段以中高端价位向更多相对富裕的
4、消费者推出中等价位、中等批量生产的电动汽车。借助第一阶段获得的利润，开发第二阶段的汽车。第二阶段的汽车依然比较贵，但其竞争对象更像是 7.5 万美元价位的奔驰或宝马，而不再是法拉利。图 2 特斯拉电动汽车 Model X 这样做的目的是为了扩大公众对电动汽车的接受面，特斯拉为此推出了 Model S 及 Model X（图 2），这也是特斯拉正在经历的阶段。第三阶段向普通大众推出低价、量产的汽车（图 3）。通过第二阶段获取的利润和积累的经验，开发更经济、更大规模量产的大众化电动汽车，其相对便宜的价格和保养的节省，使中产阶级完全可以负担得起。图 3 特斯拉生产线这一阶段主要是为了促使更多传统汽车
5、厂商在电动汽车项目上进行投资，刺激竞争，推动整个行业朝着可持续交通的方向转变。特斯拉在第三阶段将推出Model 3 车型，价格很可能只有 3.5 万美元左右。在汽车行业有这样一个经验法则：汽车价格每下降 5000 美元，能够买得起汽车的买家数量就会大约增加 1 倍。所以说，如果特斯拉能够推出比 Model S 便宜 35000 美元的主流电动汽车，买家数量会翻 7 番，也就是之前的 128 倍，届时大多数人都能够买得起这款车。如果选择购买 Model 3 的人很多，也将促使其他汽车公司在电动汽车项目上进行大量投资，从而间接地通过刺激竞争，推动整个行业朝着电动汽车的方向实现多个数量级的跃进，而特
6、斯拉在其中就将发挥重要的催化剂作用。因此，第三阶段就是特斯拉存在的意义。可以看出，特斯拉最艰难的阶段是第一和第二阶段，因为汽车是最典型的规模产业，没有大规模量产，就没有盈利。特斯拉已经成功走过了第一阶段，第二阶段也将在 2017 年完成。2017 年后，特斯拉 Model 3 车型将会面世，这将是一款彻底颠覆整个汽车行业、改变世界交通状况的节点性产品。2. 特斯拉目前的技术优势2.1 电池特斯拉是唯一一家采用 18650 型三元锂离子电池的电动汽车公司。这种类型电池曾一直用于笔记本电脑、数码相机、手机等电子消费产品中。针对电动汽车的应用环境，特斯拉使用的 18650 型电池又不同于笔记本等数码
7、设备所使用的 18650 型电池，其技术标准也要高于后者，例如在设计上特斯拉使用的 18650 型电池能量密度高于同时期其它类锂电池 50% 以上（图 4）。特斯拉选择松下 18650 型电池的原因主要有：能量密度大，稳定性、一致性更高；技术较为成熟、出货量大、生产自动化程度高，可以有效降低电池系统成本；全球每年生产数 10 亿个 18650 型电池，安全级别不断提高；单体电池尺寸小但可控性高，可降低单个电池发生故障带来的影响，即使电池组的某个单元发生故障，也不会对电池整体性能产生影响，但车辆会显示出错误信息，对用户进行警示，这也是配备较多单体电池的好处。特斯拉旗下量产车型 Model S（图
8、 5）使用的是松下定制的三元材料电池，即镍钴铝三元正极材料的锂电池。虽然 18650 型电池是全球顶尖电池，但传统 18650 型锂电池也有其自身特性所无法忽略的一些相对弱点，例如对温度相对敏感、一致性差等。电动汽车对电池的要求是单次充电续航里程大、性能稳定可靠、安全系数高且可循环充电次数多。特斯拉解决 18650 型传统电池短板的办法包括：活性的电化学材料、改进的电芯结构设计、优化模组设计、先进的故障保护机制和电池充放电控制，以及其业内领先的热管理系统和电池管理系统。 活性材料和改进的电芯结构设计，带来单位体积/重量内能量存储更高，提高充电电压的同时，电芯稳定性更好。 采用多电芯并联成组方式
9、，提高电池包瞬间放电能力；电池包的多模组串联及其平板设计，更利于底盘布置更多的电池，提高单次充电的续航里程。 核心的故障处理机制，全温度区间电池充放电的控制，以及高精度的 SOC 和 SOH 算法，对于单次循环超过 400 km 续航里程而言，假使 600 次日常充放电循环，同样可以满足 240000 km 整车寿命。事实上，特斯拉为客户提供 8 年不限里程的质量保证。 热管理系统不仅仅指液冷，还有围绕电芯覆盖面的绝缘、导热创新材料的应用，以及长方形铝制冷却管路的设计，确保电池工作在最优化、最一致的温度区间，从而获得即使在低温低电量时的电芯均衡一致性，并延长电池循环寿命，满足汽车级要求。 电池
10、管理系统是指基于汽车级的硬件软件，特别是多重安全设计，协同电芯、模组、电池包的安全装置，确保电池包安全可靠。同时该系统创新的控制策略保证了电池的监控管理精度最优化。特斯拉公司的研究人员对电池组的每一个层次都进行了严密的监控，在每个电池单元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，以此避免因某个电池出现异常情况（过热或电流过大）时影响到整个电池包。在每个电池模组上，均设置有电池监控板（Battery Monitor Board，BMB），用以监控每个电池块的电压、温度以及整个电池模组的输出电压。在整个电池包上，设置有电池系统控制器以及智能保险，用以监控整个电池包的工作环境
11、，包括电池包的电流、电压、温度、湿度等。在系统层面，设置有系统安全控制器，用以监控电池系统控制器。在车辆发生碰撞时，电池的外部结构可以保护电芯免受冲击并自动切断电源，这样一套电池控制系统已经成为特斯拉汽车电池的技术核心。2.2 电机与常规的全轮驱动车辆只用一台发动机和变速箱分配能量、牺牲效率来换取牵引力不同，特斯拉的工程师们在后轮驱动 Model S 的基础上，在前轴加装了一台电机，使之成为双电机全轮驱动的 Model S（图 6）。特斯拉采用三相四极交流感应电动机，铜转子，具有变频驱动功能的驱动逆变器与动能再生制动系统。不仅体积小，重量轻，而且可以瞬时输出到最大扭矩，并在全寿命内基本无需保养
12、。特斯拉 Model S 电动机还获得 2014 年度国际最佳发动机大奖。两台电机对 Model S 前后轮扭矩分别进行数字化独立控制，实现了车辆卓越的牵引控制，提升了性能表现的精准度。此外，Model S 的双电机数字化扭矩控制与低重心设计相结合，有效地增强了车辆的抓地力及操控性能。技术上的创新与进步，令特斯拉的产品拥有独步同行业的优势。专注汽车创新领域的专家 Steven L 在其文章中曾解析特斯拉利用双电机提升车辆性能的秘密两个电机，我们把前轮的电机称为辅电机，后轮的电机称为主电机。两个电机可以根据各自特性，在不同工况下发挥各自优势，在任何一个转速区间内，电机组合都能为系统提供充足的扭矩
13、支持与功率输出，从而优化驱动系统的效率。双电机全轮驱动 Model S 最震撼人心的莫过于它的加速表现。车辆在起步时，轮胎与地面的摩擦力是车辆动力的来源。相较于两轮驱动（包括前轮驱动和后轮驱动）只能有 2 个轮胎提供动力，全轮驱动可以最大限度地利用路面和轮胎之间的摩擦力，实现快速起步。同时，依靠 2 个电动机在瞬间输出的最大扭矩，实现瞬间加速。双电机的使用从多个技术层面强化了 Model S 的性能优势，使其拥有极限速度极佳稳定性。2.3 铝制车身特斯拉营销经理、铁杆车迷泰德米伦蒂诺说过，在北美打造一辆最安全的汽车首先就是从金属材料的选择开始。特斯拉的电池很笨重，必须通过降低车身的重量来弥补笨
14、重电池的不足。因此，特斯拉求助了 Space X，并使用了它的先进火箭技术，结果特斯拉汽车成为北美唯一使用全铝车身的汽车（图 7）。图 7 全铝车身的特斯拉电动汽车Model S 主要采用的是美国铝业公司（Alcoa）生产的铝材来制造底盘和车身板件。这种轻质金属必须精密冲压，为此，特斯拉工厂配备了北美最大规模的液压机，大约相当于 7 层楼高，其延伸到地下的部分有 3 层楼高。实际上这是将总共 5 台液压机连成 1 排，用于模铸造型复杂的部件，如前机盖或车身两侧的板件。这是一种慢速冲压，目的是尽量减少热量和翘曲。完成冲压后还要用激光切割机进行更精密的加工。成型的部件被送往车间，装载在智能运输车上
15、的车身可以沿着地面铺设的磁轨导航行驶。由于缺少合格的供应商，所以特斯拉使用的零件目前大部分为自产。Model S 其实是我们从零开始制造出来的。马斯克在 2012 年 11 月于纽约市举行的 Model S 发布会上解释道。挤压件、冲压件和铸件的专业组合实现了需要的刚度和强度。高刚度、高强度结构不仅能保护车内乘员，还能提供更好的整体操控性。没有内燃机发动机的影响，经过优化的车前部，更有利于乘员的安全。完全平直的双八边形导轨沿车体结构底部布置设计，在紧急情况下可以吸收冲击能量。关键部位采用高强度钢材增强乘员安全。由于铝质车身重量很轻，所以即使搭载 85 kWh 电池组，车辆的续航里程仍能达到 5
16、00 km 以上，而多数纯电动汽车的续航里程仅在 120 km 左右。铝材相较传统汽车采用的钢材的不足之处，反倒通过一些人所谓的过度设计而得到了弥补：早期版本的 Model S 在侧面板件中嵌入了硼钢，并用航空航天级螺钉固定。这种工艺现在已经淘汰，取而代之的是更多铝增强材料的使用，阿波罗登月飞行器使用的也是这种铝材，而且依然采用航空航天级螺钉固定。这种铝增强材料可以吸收冲击力，例如在 NHTSA 测试中，当一根撞杆高速撞击车辆的侧面时，撞杆在撞到车内乘客之前就已经断裂或致使汽车停下。车尾的双保险杠可以保护坐在第三排座位上的乘客。第三排实际上是位于后备箱位置的儿童尺寸背向可折叠座位。Model S 在 NHTSA 测 试中撞坏了一个独立的车顶冲撞机，而它的车顶却没有塌陷，这也同样得益于用航空航天级螺钉固定的铝增强材料。2.4 安全性特斯拉 Model S 是 2014 年唯一一款同时获得欧洲 Euro NCAP 和美国高速公路安全管理局（NHTSA
