特斯拉縮短電動車電池充電時間

    鋰電世界  上周，美國電動車公司Tesla(特斯拉)首席技術官施特勞貝爾(Straubel)，稱公司終于將充滿電池的時間縮短到了5分鐘——這已經跟加滿一箱油的時間差不多了。為了讓電動汽車更實用，Tesla正在拼命縮短充電時間。

    今年5月Tesla剛剛宣布了一項升級，將這個時間縮短到20分鐘。而去年9月Tesla一度宣布專為Model S和未來電動車型設計“超級充電站”網絡，據稱“能夠在30分鐘內將電池充滿一半”。

     Tesla能實現如此短的充電時間，靠的是充電站可以提供120千瓦超高功率，以及Tesla高出一般電動車電池儲能三倍的電池組及特殊的電池管理系統。

    作為電動車的核心部件之一，Tesla的電池曾經被嘲笑、被詬病，甚至在實現銷售爆發式增長之后，仍有很多業界專家稱其“電池技術老舊”、“無核心競爭力”。原因在于Tesla是唯一一家采用18650型鈷酸鋰離子電池的公司，這種電池一直用于筆記本電腦中，難登電動汽車之“大雅之堂”，并且存在安全隱患。

    為什么是鈷酸鋰電池？

    作為動力輸出的后盾，電池對電動車的作用不言而喻。因為本身性能較穩定、安全系數較高且可循環充電次數多，磷酸鐵鋰電池是目前市場上動力電池的首選，如雪佛蘭Volt、日產Leaf、比亞迪(35.91,0.83,2.37%)E6和Fisker Karma。

     Tesla則有些另類，他旗下首款車型Roadster使用的是18650鈷酸鋰電池。與磷酸鐵鋰電池相比，這種電池雖然技術較為成熟，功率高、能量密度大，且一致性較高，但安全系數較低，熱特性和電特性較差，成本也相對較高。

    據業內人士介紹，18650電池外電壓但凡低于2.7V或高于3.3V，都會出現過熱的癥狀。如果電池組較大且組內溫度梯度控制得不好，就會存在很大的起火風險。而電池技術的關鍵恰恰就是電壓電流和熱量控制，難怪Tesla被批評為電池技術不靠譜。

    但實際上，被認為更安全可靠的磷酸鐵鋰電池也并非萬無一失。在制備的燒結過程中，氧化鐵在高溫環境下存在被還原成單質鐵的可能性，單質鐵會引起電池的微短路，這是電池中很忌諱的物質。此外，磷酸鐵鋰電池在實際生產中充放電曲線差異大，一致性較差且能量密度較低，這直接影響到電動車敏感的續航問題。數據顯示，鈷酸鋰的理論密度為5.1g/cm3，商品鈷酸鋰的振實密度一般為2.0-2.4g/cm3；而磷酸鐵鋰的理論密度僅為3.6g/cm3。海通國際證券公司最新的研報表明：特斯拉電池能量密度(170wh/kg)大約是比亞迪電動車磷酸鐵鋰電池能量密度的兩倍。

    電池組成本四年下降44%

    早在上世紀70年代，英國賓漢頓大學的Whittingham女士就發明了18650電池，這種電池常應用于筆記本電腦、強光手電等數碼產品上，但是，將這種直徑18mm、高65mm的圓柱形鋰電池用在汽車上，Tesla是第一個吃螃蟹的人。

     Tesla的電池技術總監Kurt Kelty曾經表示：Tesla起初也嘗試了市面上超過300種電池，包括板形和方形電池，最終選擇了松下的18650電池，原因主要有以下四點：

    ·能量密度更大且穩定性、一致性更好；

    ·可以有效降低電池系統的成本；

    ·全球每年生產數十億個18650電池，安全級別不斷提高；

    ·尺寸小但可控性高，即使電池組的某個單元發生故障，也能降低故障帶來的影響。

    松下官網顯示，型號為NCR18650的鋰電池是一款高能量模型(HighCapacity)電池，該電池的名義伏特數為3.6V，名義最小容量為2750毫安時，重量為45.5克。并且，在Tesla第二代車型Model S上使用的18650比之前Roadster的能量密度高出三成。

    據Tesla首席技術官JB Straubel表述：從Roadster到Model S“轉型”的四年時間，電池組成本已經下降了約44%，并且仍然會繼續下降。松下曾在2010年向Tesla投資3000萬美元，成為其股東之一。并且于2011年達成戰略協議，將負責Tesla今后5年全部車輛的電池供應。按照Tesla目前預計每年2萬輛的產量，松下18650將裝配在超過8萬臺Model S上。

    6831節鋰電池的爭議重組

    18650存在安全風險是不爭的事實，Tesla如何“搞定”這一硬傷？秘密武器在于其電池管理系統，給出的解決方案是將6831節2安時左右的松下18650封裝電池通過串聯和并聯結合在一起。

    要驅動一輛電動車，需要大量的18650電池，Tesla Roadster的電池系統包含6831節小電池，而Tesla Model S更是高達8000節，如何排列組裝這些數量眾多的小電池尤為重要。

    這時候，Tesla創始人之一Marc Tarpenning以往的經驗派上了用場。他曾是這個領域的專家并成功出售過一家公司。他把網絡控制領域用程序控制成百上萬臺服務器的模式搬到了Tesla電池系統控制領域，通過一年的DOE(design of experiment，實驗設計)，用分層次管理的辦法成功控制了這6831節小電池以及電壓和溫度：

    ·69個18650電池被并聯封裝成一個電池磚；

    ·99個電池磚串聯成一個電池片；

    ·11個電池片組成一個電池包，總計6831節。

    僅僅有這些層次還不夠，對于每一個層次都要進行監控，于是他們在每個電池單元、每個電池磚、每個電池片的兩端均設置有保險絲，一旦電池過熱或者電流過大則立刻融斷，斷開輸出。

    僅僅有保險絲還是不夠，于是：

    ·在每個電池片上，均設置有BMB(Battery Monitor board)即電池監控板，用以監控每個電池磚的電壓，溫度以及整個電池片的輸出電壓。

    ·在整個電池包上，設置有BSM(Battery System Monitor)，用以監控整個電池包的工作環境。包括電池包的電流、電壓、溫度、濕度、方位、煙霧等。

    ·在整車層面，設置有VSM(Vehicle SystemMonitor)，用以監控BSM。

    這樣一套電池控制系統成為Tesla的技術核心，當Tesla剛剛公布這套造價高昂的系統時(傳言高于20000美金)，很多業內人士不約而同地對其唱衰，認為將7000個電池放在汽車里的行為是可笑的。但事實卻給予他們有力的回應，雪佛蘭Volt起火、Fisker Karma車型更是一年內發生三次自燃事件，而反觀Tesla，不論是Roadster還是Tesla Model S都從未發生過起火自燃事件。

    等待檢驗的NCA

     Tesla已經和豐田、戴姆勒等廠商在電動車領域進行合作，包括為smart、奔馳A級、奔馳B級等車型電動版提供電池動力，給豐田RAV4電動車提供電池組和電機等。目前戴姆勒持有Tesla4.3%的股份，豐田也持有Tesla2.9%的股份。但是由于Tesla正式投入市場的產品時間不長且數量不多，理論上完美的Tesla電池系統還需繼續面臨實踐檢驗。

     Tesla旗下首款車型Roadster使用的是18650鈷酸鋰電池，而第二款量產車型Model S使用的是松下定制的三元材料電池，即鎳鈷鋁三元正極材料的鋰電池，業界俗稱NCA。

    鈷酸鋰電池技術最為成熟，較鎳鈷錳三元正極材料的鋰電池(NMC)或鎳鈷鋁三元正極材料的鋰電池(NCA)單位能量密度較高，但是成本也較高。Model S使用的電池數量達到8000以上，比Roadster高出一千多節，但是成本卻下降了三成，正是得益于三元電池較好的成本控制。

    鈷酸鋰的電熱峰值在200℃左右，相對磷酸鐵鋰要低。并且鈷酸鋰電池也確實沒有磷酸鐵鋰電池2000次左右的循環次數高。但是受制于技術的瓶頸，磷酸鐵鋰電池雖然更穩定、循環次數更高，但一致性和單位能量密度較低，和鈷酸鋰電池二者各有優勢。