解讀特斯拉Model 3電池技術(shù)及電池包拆解

早在去年馬斯克公布Model 3所采用的電池組時(shí)我們就知道，特斯拉使用了其公司最新的電池配比技術(shù)，淘汰了松下18650電池，而改用21700新型電池，由在內(nèi)達(dá)華州的“超級(jí)電池工廠”(Gigafactory)生產(chǎn)。

同為圓柱形鋰電池，21700新型電池的規(guī)格為直徑21毫米、長(zhǎng)度70毫米，就理論上限方面要比18650型(直徑18毫米、長(zhǎng)度65毫米)更有利。為此，21700鋰電池率先被使用到Model 3中。

1.21700電池的優(yōu)勢(shì)

從優(yōu)勢(shì)上來(lái)說(shuō)，21700相對(duì)于18650主要在能量密度、成本、輕量化三方面進(jìn)行了改善提升，這三點(diǎn)提升讓Model 3聽起來(lái)更加“騷氣”，我們一點(diǎn)一點(diǎn)來(lái)分析一下：

1)能量密度提升20%以上

21700電池的能量密度要優(yōu)于18650電池。從特斯拉披露的信息看，在現(xiàn)有條件下，其生產(chǎn)的21700電池系統(tǒng)的能量密度在300Wh/kg左右，比其原來(lái)18650電池系統(tǒng)的250Wh/kg約提高20%。從松下的動(dòng)力鋰電池單體的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，其21700電池的體積能量密度遠(yuǎn)高于18650型電池單體。單體電芯能量密度的提升要遠(yuǎn)高于成組后提升的20%幅度。

2)電池系統(tǒng)成本下降9%左右

鋰電大數(shù)據(jù)根據(jù)Tesla披露的電池價(jià)格信息，預(yù)計(jì)21700的動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)售價(jià)為170美元/KWh，相比18650的售價(jià)185美元/KWh，價(jià)格下降幅度可達(dá)8.1%左右。18650的系統(tǒng)的成本約為171美元/KWh，改用21700后，系統(tǒng)成本約能實(shí)現(xiàn)9%左右的降幅，達(dá)到155美元/KWh。

單體容量提升后，PACK所需配件數(shù)同比例減少帶動(dòng)PACK成本下降。從18650型號(hào)切換至21700型號(hào)后，電池單體電池容量可以達(dá)到3~4.8Ah，大幅提升35%，同等能量下所需電池的數(shù)量可減少約1/3，Tesla Models電動(dòng)汽車使用7104節(jié)18650電池串并聯(lián)成電池組，在新款Models 3上，采用21700后，電池節(jié)數(shù)必將大幅減少。在降低系統(tǒng)管理難度的同時(shí)將同比例的減少電池包采用的金屬結(jié)構(gòu)件及導(dǎo)電連接件等配件數(shù)量，特斯拉的Pack成本占總系統(tǒng)成本約24%，預(yù)計(jì)電池包成本降幅較為可觀。

值得一提的是，特斯拉并沒有將Model 3電池設(shè)計(jì)為易更換模式，看來(lái)特斯拉徹底要放棄電池更換的方案了，這也和成本緊密有關(guān)。

3)輕量化降低10%

采用新型21700電池之后，系統(tǒng)相比目前的電池能減少了10%的組件和重量，從而進(jìn)一步降低電池Pack的重量，整車的能量密度將得到部分提升。

Model 3一共有四個(gè)配置，分別是：50、65、80、P80D ，數(shù)字相對(duì)應(yīng)的是裝載電池的總?cè)萘?。電池容量分別對(duì)應(yīng)不同的續(xù)航里程(EPA 測(cè)試)：357 km、454km、550km和539 km。但就整備質(zhì)量看，分別為1650kg、1725kg、1800kg、1925kg。作為一款整體尺寸(4694/1849/1443mm)與寶馬3系(1540kg~1650kg)相當(dāng)?shù)能囆?，還是要重不少。

另外，特斯拉也增加了其他一些巧妙的設(shè)計(jì)以節(jié)省重量和成本。例如，它去掉了外置電池組加熱器，而只使用汽車動(dòng)力總成提供的熱量，即使汽車停了下來(lái)，也能為電池加熱。這是因?yàn)殡姵匦枰谝粋€(gè)適宜的溫度下工作，以保持其最佳性能，這意味著它們需要在過(guò)熱的環(huán)境下冷卻，在寒冷的天氣下加熱。

2.21700電池“黑盒子”

所謂“黑盒子”，是指從用戶的觀點(diǎn)來(lái)看一個(gè)器件或產(chǎn)品時(shí)，并不關(guān)心其內(nèi)部構(gòu)造和原理，而只關(guān)心它的功能及如何使用這些功能。那么我們就從用戶的角度來(lái)看看21700的情況!

1)下游市場(chǎng)是否接受改變?

電池企業(yè)生產(chǎn)何種型號(hào)的電池，要受多種因素影響。目前新能源汽車界所強(qiáng)調(diào)的“正向研發(fā)”，要求從功能入手設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，這也決定了必須從使用入手去反推電池型號(hào)和規(guī)格，因此，電池型號(hào)是否更換主要還是看下游市場(chǎng)。

“18650的適配性很強(qiáng)，除了在電動(dòng)汽車外，還可以在3C數(shù)碼、無(wú)人機(jī)、電動(dòng)工具等其它領(lǐng)域消化。但對(duì)于21700 而言，尚沒有形成有效的產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)消化這些電池，這無(wú)疑會(huì)增加成本?！?/p>

2)設(shè)備與工藝是否滿足?

21700電池的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝等并非一朝一日就能準(zhǔn)備好，如何布局還要看電池生產(chǎn)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)策略。

電池的成本降低是以產(chǎn)量和良品率為基礎(chǔ)的。起點(diǎn)研究(SPIR)的數(shù)據(jù)顯示，松下、三星SDI的18650電池良品率一般在98%以上，國(guó)內(nèi)的良品率一般在95%以上，但這仍意味著會(huì)有較多的B品電池需要處理，這對(duì)于21700而言是個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

3)政策是否支持?

除了市場(chǎng)需求不明顯和電池企業(yè)制造工藝不足之外，國(guó)家在電池尺寸標(biāo)準(zhǔn)方面的相關(guān)政策也對(duì)國(guó)內(nèi)電池尺寸的選擇存在重大影響。

工信部制定的《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》征求意見稿中，推薦的圓柱電池型號(hào)只有18650和32650兩種，一旦強(qiáng)制統(tǒng)一則會(huì)對(duì)其它型號(hào)的電池不利。如果國(guó)家制定的電池尺寸標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確支持，這一類型號(hào)的發(fā)展前景將沒有看上去那么美好。

1、車輛續(xù)航除了跟電池有關(guān)以外，還跟不同工況下的運(yùn)行有關(guān)。由于后者的問(wèn)題比較復(fù)雜，今天主要來(lái)談電池。

2、電池最重要的性能參數(shù)是能量密度，能量密度有體積能量密度（Wh/L），也有質(zhì)量能量密度（Wh/kg）。我們?cè)陔姵厣细嗾務(wù)摰氖琴|(zhì)量能量密度（Wh/kg），它決定了單位重量的電池所儲(chǔ)存能量的大小。

3、電池的能量密度常常指向兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)，一個(gè)是電池系統(tǒng)的能量密度，一個(gè)是電芯的能量密度。

電芯（Cell）是一個(gè)電池系統(tǒng)的最小單元，也有人描述為單體電池。你理解為單節(jié)電池就行，比如說(shuō)，一節(jié)五號(hào)電池。M 個(gè)電芯組成一個(gè)模組（Module），N 個(gè)模組組成一個(gè)電池包（Pack），這就是車用動(dòng)力電池的基本結(jié)構(gòu)。也有人直接把電池包叫做電池組。

▲Nissan Leaf 使用的是軟包電池，從上到下依次為電芯，電池模組和電池包。

其實(shí)就是一個(gè)很簡(jiǎn)單的公式，電池包 = N·模組 = N·（M·電芯）。

4、由于電池包關(guān)系到電池最終的形狀和車輛布置，大部分廠家會(huì)選擇采購(gòu)電芯，自己來(lái)做電池系統(tǒng)。電池系統(tǒng)的能量密度和電芯選型有關(guān)，比如圓柱電池因?yàn)閱蝹€(gè)電芯容量小，電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在單個(gè)電芯能量密度占優(yōu)勢(shì)的前提下，電池系統(tǒng)的能量密度相對(duì)會(huì)低一些。（結(jié)論參考來(lái)自麥肯錫的報(bào)告）

▲電動(dòng)車制造商的電池供應(yīng)鏈策略，原圖來(lái)自麥肯錫，42號(hào)車庫(kù)翻譯。

5、從結(jié)構(gòu)上劃分，電芯主要有三種類型，方殼電池（Prismatic），軟包電池（Pouch）和圓柱電池（Cylindrical）。

▲從左到右分別為圓柱電池、方殼電池和軟包電池。

從原材料劃分，電芯有磷酸鐵鋰、鎳鈷錳（NCM）和鎳鈷鋁（NCA）等不同類型，這里的材料主要指的是正極材料。在原材料的影響中，正極材料對(duì)電芯的能量密度影響較大。

負(fù)極材料普遍以石墨為主，目前主流研究方向在探索硅碳負(fù)極的商業(yè)化。

電芯的結(jié)構(gòu)和原材料組成的不同，對(duì)電芯的能量密度均有影響。

3.電池包容量

與此前的Model S和Model X都不同的是，特斯拉在發(fā)布Model 3時(shí)沒有采用常規(guī)的“千瓦時(shí)”來(lái)表示其電池組容量，而只是給出了一個(gè)充電速率：在240V、30A的情況下，每小時(shí)充電可以行駛30英里(約合48.28公里)。

特斯拉電池組

那么，Model 3的電池容量有多大?根據(jù)此前EPA官方認(rèn)證信息，標(biāo)準(zhǔn)版Model 3續(xù)航里程為350公里，電池組容量為50kWh，使用了 2976 節(jié) 21700 電池，每 31節(jié)電池構(gòu)成一個(gè)電池磚。這些電池磚又被分為 4 個(gè)模塊，其中2組包含23個(gè)電池磚的模塊，2組包含25個(gè)電池磚的模塊。

特斯拉電池組布局示意圖

Model 3長(zhǎng)里程版的續(xù)航里程能夠達(dá)到500公里，電池組容量達(dá)到了80.5kWh，使用了4416節(jié)21700電池，每46節(jié)電池構(gòu)成一個(gè)電池磚。和標(biāo)準(zhǔn)版Model 3一樣，這些電池磚被分為4個(gè)模塊。

4.電池衰減率

對(duì)任何可充電電池來(lái)說(shuō)，衰減是必然的。隨著充電循環(huán)次數(shù)的增加，電池中正負(fù)極的反應(yīng)材料會(huì)產(chǎn)生損失，電解質(zhì)的性能也會(huì)下降，導(dǎo)致整個(gè)電池的實(shí)際電量縮減。一般來(lái)說(shuō)，以化學(xué)性質(zhì)比較活潑的鋰電池為例，在500個(gè)充電循環(huán)之后，其電量會(huì)衰減至80%左右。

對(duì)于Model S/X，特斯拉從來(lái)沒有對(duì)其電池健康度做承諾。不過(guò)Model 3倒是有官方數(shù)據(jù)，即20萬(wàn)公里之后，仍可以維持在70%以上的容量。但事實(shí)真有特斯拉官宣得那么理想嗎?

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，一份針對(duì)上百位特斯拉真實(shí)車主的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，在行駛了10萬(wàn)公里之后，Model S/X的電池容量縮水幅度為5%，在30萬(wàn)公里后，多數(shù)特斯拉還能保證90%以上的電池容量，在80萬(wàn)公里之后，依然還能維持在80%以上的水準(zhǔn)。并且，頻繁的充放電，甚至可以減緩衰減。

5.Model 3電池包拆解

最近國(guó)外一家機(jī)構(gòu)對(duì)Model 3的電池包進(jìn)行了拆解，今天我們一起來(lái)看看拆解的情況吧!

將車子在臺(tái)架上抬起來(lái)

拆電池包之前對(duì)車輛做分析

開始拆電池包

電池包已拆下來(lái)

對(duì)電池包的拆卸做分析

電池包整體

從整體上來(lái)看，電池包造型設(shè)計(jì)平整、美觀

右側(cè)白色盒子為DCDC

中間銀白色件為高壓配電盒

電池模組

橙色線為高壓線

對(duì)高壓線進(jìn)行拆解

拆解電池箱體蓋板

拆電池模組

電池模組特寫1

電池模組特寫2

電池模組特寫3

第一個(gè)電池模組已拆下來(lái)

檢查第一個(gè)電池模組

電池模組間連接方式特寫

拆卸后電池模組整體特寫

電池模組全景

CMU用3根Bonding線來(lái)連接金手指和FPC

電池模組拆解全景

BMS主板

拆解電池模組

拆解結(jié)束

Model 3是特斯拉Model X系列的新品，2017年7月，特斯拉宣布，首批30輛Model3將在2017年7月28日舉辦的慶典上交付給顧客。但截至2018年5月28日，該款車型只在美國(guó)和加拿大實(shí)現(xiàn)交付，特斯拉推遲Model 3的歐亞洲交付時(shí)間至2019年。

毫無(wú)疑問(wèn)，現(xiàn)在特斯拉承受著巨大的壓力，畢竟公司已經(jīng)食言過(guò)很多次。日前馬斯克在接受CBS采訪時(shí)在談到了公司目前面臨的壓力：我目前壓力山大，在過(guò)去幾個(gè)月事情變得極其困難和讓人苦惱。沒錯(cuò)，現(xiàn)在我都已經(jīng)在工廠地板上睡覺了，這并不是因?yàn)樵谀莾核X很有趣，那兒太糟糕了。為此，大家怎么看馬哥幸福的煩惱呢?

位于美國(guó)加州Fremont的特斯拉工廠是世界上最先進(jìn)的汽車工廠之一，坐擁 530 萬(wàn)平方英尺的生產(chǎn)和辦公區(qū)，總占地面積約 370 英畝。在Fremont市批準(zhǔn)特斯拉的擴(kuò)建計(jì)劃后，公司的廠房規(guī)模將翻番，達(dá)到近 1000 萬(wàn)平方英尺，并且在接下來(lái)的幾年中創(chuàng)造數(shù)千個(gè)新工作崗位。

在特斯拉之前，F(xiàn)remont工廠在1962至1982年期間隸屬于通用汽車公司;從 1984 年到2009年，該工廠歸屬于豐田創(chuàng)立的新聯(lián)合汽車制造公司 (NUMMI)。特斯拉 于 2010 年收購(gòu)該工廠并進(jìn)行升級(jí)改造。2012年6月，特斯拉第一臺(tái)Model S在該工廠下線。為了改變廠區(qū)原本昏暗、封閉的環(huán)境，特斯拉為工廠增設(shè)了天窗，為工人們引入自然光，并且用白色環(huán)氧樹脂噴涂地面，營(yíng)造了清潔的工作環(huán)境。同時(shí)，廠區(qū)還設(shè)立了食堂、健身房、衛(wèi)生中心和戶外休閑區(qū)。

為了實(shí)現(xiàn)在2018年產(chǎn)能攀升至500,000臺(tái)車的目標(biāo)，特斯拉在著力打造全球自動(dòng)化程度最高的制造系統(tǒng)，并確保大多數(shù)功能都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的培訓(xùn)，從而滿足特斯拉的生產(chǎn)流程。截至目前，特斯拉Fremont共產(chǎn)的生產(chǎn)率提升了 400%，在2017年Model 3投入生產(chǎn)后，這一生產(chǎn)率將再一次提升。Fremont工廠生產(chǎn)的每一臺(tái)Model S、Model X和Model 3，以及車輛的絕大部分零部件，都體現(xiàn)著特斯拉最高水平的生產(chǎn)工藝。

加利福尼亞州Fremont，特斯拉工廠設(shè)施圖

本文提及的特斯拉的車間里，從原始材料到加工成品的組裝，幾乎全部生產(chǎn)過(guò)程及工作(除了少量零部件)都是自給自足，也因此，這里被稱為全球最智能的全自動(dòng)化生產(chǎn)車間。

在四大制造環(huán)節(jié)中，即沖壓生產(chǎn)線、車身中心、烤漆中心與組裝中心，保守估計(jì)有著150余臺(tái)機(jī)器人參與到工作中。在這里，你幾乎都看不到人的身影。

全是機(jī)器人的組裝中心

能完成很多動(dòng)作的機(jī)器人

噴漆烤漆車間一覽

安裝擋風(fēng)玻璃的過(guò)程

安裝座椅的過(guò)程

一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的沖壓完成只要6秒鐘

精細(xì)加工發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程

僅用一個(gè)機(jī)器人就能搬運(yùn)車架

流水線運(yùn)營(yíng)過(guò)程機(jī)器人們無(wú)縫對(duì)接