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2014/01/21

為什麼老牌車廠做不出 Tesla ? 圖解 Tesla 專利電池看網路業 DNA 如何顛覆傳統

Tesla 電動車才推出沒多久,就在全球引領風騷,除了創辦人兼執行長 Elon Musk 個人的傳奇性色彩、酷炫的汽車外觀、電動環保車的訴求易討好之外,Tesla 在電動車市場裡幾乎打趴所有競爭者的表現,才是真正的原因(表格引用自《Car and Driver》):


從這個比較表上可以看到,美國 EPA 環保署測試公布,Tesla Model S 與同時期的其他電動車相比,Tesla 一次充電後可行駛里程數, 超越所有傳統車廠品牌電動車三倍以上。而其他車廠即使同樣都使用鋰電池,但 Tesla 的電池包就是硬生生比其他廠牌的電池包容量多上三倍以上,達到 85 千瓦小時。在電力輸出方面, Tesla 輸出達 362 ,是其他廠牌的 2 倍以上。

在超級比一比的競賽上,Tesla 在效能上雖然不差,但仍不是最好,不過在一次可行駛里程數上,Tesla 的確把一群做汽車做幾十年的老前輩們,遠遠拋在後頭。難怪,從 Elon Musk 以降,整個團隊也擺出睥睨市場的態度,「Tesla 和傳統汽車廠的電動車是完全不同種類的產品」意味濃厚。

  • Tesla 的電池技術,DNA 全然有別於傳統車廠

從矽谷起家,Elon Musk 顯然覺得,電動車電池表現不佳的問題,答案顯然不在傳統車廠的想像範疇內,而是在與汽車毫不相關的電腦業。

和其他車廠不同,Tesla 的電池選用的是過去在筆記型電腦等消費性電子產品上才看得到的 18650 鋰電池。18650 的意思是,一顆電池的大小是直徑 18 mm、高 65 mm,只比三號電池大一點。為了解決消費者對筆記型電腦電池續航例的高標準要求,18650 鋰電池的特色就是在同樣的體積下能夠儲存較多的電能,擁有比其他電池高的能量密度。Tesla 就是用這種電池,搭配他們專利的電池組裝系統,才能讓整體效能表現上,讓其他車廠難以望其項背。(下圖為 18650 鋰電的大小。圖片引用自 Tesla Motors Club, FlasherZ。)

只比三號電池大一些,Tesla 要讓一台重達 2,108 公斤的 Model S(85kWh)能夠達到最高時速 200km/h,並可以以 88kmh 的車速下持續跑 482 公里,顯然需要非常多顆電池一起運作才有可能。根據專利文件,Tesla 單輛車體所需要的電池數量:第一代 Roadster 需要 6831 顆、第二代 Model S 依能效(60 kWh、85 kWh、85 kWh Performance)不同則要 7000 至 8000 顆不等。

傳統車廠的電動車也是採用電池組,不過最多大約就在百來個中、大型的電池組合。Tesla 的電池組卻需要上千甚至近萬顆小型電池組合;如何有效的處理這些電池,包含組裝、電池系統操控,以及安全控管等,就成為 18650 電池是否能夠成為電動車用電池的關鍵。

Tesla 的解決方式,一樣看得到矽谷軟體技術的概念影子:Tesla 將這些電池,透過大量數據的管理分析操作方式,即運用可以一次控制上萬台伺服器的「網路控制領域用程式」,來操作與控制電池系統。他們透過這樣的系統分層,管理龐大數量的電池,以及內部電壓和溫度。Tesla 推出過兩代車型,從專利文件,就可以看出 Tesla 怎麼做出傳統汽車廠無法想像的創新產品。

  • 第一代 Tesla 跑車 Roadster :

(如下圖。圖片引自中華網汽車)首先他們將 69 顆電池進行有效的串聯、並聯,並封裝成一個電池磚。

(如下圖。圖片引自電動汽車論壇)9 個電池磚串聯成一個電池片。

(如下圖。圖片引自Tesla Forum)11 個電池片組成一個電池包。

(如下圖。圖片引自Tesla Blog)這樣共 6831 顆電池,即有效的結合在一起。

(如下圖。圖片引自Dawn Endico, CC Licensed)而這個電池包也將會安置在 Roadster 車體的後方,近引擎上方。

除了這樣的電池分層放置外,Tesla 的系統還設計對每個層次的電池進行監控。他們在每個電池、電池磚、電池片的兩端設有保險絲,一旦發生過熱、電流過大等情形,就會立即融斷保險絲,斷掉電力輸出。

除了保險絲,他們也在電池片上設有電池監控板,用以監控每個電池磚的電壓、溫度;電池包上也設有電池系統監控,監測電池包的運作狀況,包含電流、電壓、溫度、溼度等。最後在整個車體上,則設置汽車系統監控,藉此有效層層監管,保證車體運行的安全。

  • 第二代 Tesla Model S :改變設計,電池包為扁平

Model S 在電池包上的處理方式和 Tesla Roadster 不一樣,後者是塊狀,放置於車體後方近引擎處,而前者為了可以快速換電池包,則是將電池包做成扁平狀,放置於車底;2013 年 6 月份 Tesla 發表公開示範(下方影片)稱:只要約一分半就可以換好整個 Model S 電池包。

 

下面我們將看 Model S 在電池包內部分層處理方式上,與第一代 Roadster 有些微不同之處。

 

Model S 的電池包放置於車體底盤,大小為長 2.7 公尺、寬 1.5 公尺、高 10 釐米(其中有一部分高 18 釐米,為兩個電池磚疊放在一處)。整個電池包採取密封設計,大部分原料為鋁或鋁合金。在這樣的設計下,電池包以扁平的形狀置於車底,成為底盤的一部分,可以提供 Model S 良好的支撐作用(如下圖。圖片引自(上)中華網汽車、(下)Green Car Reports

 

(如下圖。圖片引自車云)Model S 將電池包區分為七個區域,每個區域內排放兩個電池磚,每個電池磚內排入 370 個電池。加上突出的空間(即上述提到電池磚疊放之處),共八個區域,相互間是完全隔絕的。

這樣的設計可以增加整體的牢固性,使底盤更堅固;還有利於電池的管理,以免部分區域的電池毀壞,影響到其他區塊的電池運作。其中,中間兩塊區域間的隔板,比其他隔板還要厚,是為了增加整體電池包的堅固程度,能夠承受來自車輛側方的大力撞擊。

(如下圖上。圖片引自車云)Model S 的電池磚內部,也跟電池包一樣分成七個區域。區域間的隔離板呈 S 型,是電池磚內的冷卻系統,與熱管理系統相連接。(如下圖下。圖片引自車云)當電池排進電池磚後,可以看到有些電池正極朝上、有些負極朝上,每個電池磚中各有 185 個正、負極朝上的電池,總共 370 個電池在內。

從這個電池組結構來看,就可以解釋 Tesla 為什麼在 Model S 火燒車意外發生時,Elon Musk 會如此強調,Tesla 的安全設計讓電池組在車子撞擊後給予車主五分鐘的時間離開車子,而且不會全車起火燃燒,「我們電池組的燃燒能量只有汽油燃燒能量值的 10%,並且還分布在 16 個模塊裡,其間有還防火裝置。所以,Tesla 的燃燒可能性只有傳統汽油車的 1%。」

(如下圖。圖片引自車云)整個電池包在包裝上,頂部的面板設計成可單層或多層,提供降低噪音、熱傳導、自底盤的震動等功能,同時也可增固電池包的保護。此外,在車體底部還有加增防彈保護板,這個保護板和電池包底層間,在設計上有兩種選擇,一是留空、二是填充緩衝物質。

根據《車云》上的報導,上圖  Model S 電池設計的參考資料,源自 Tesla 在 2011 年底提交申請的 US 8286743 B2 號專利;當時 Tesla Model S 尚未量產,後來實際生產的 Tesla Model S 是否與這樣的設計完全一致不可知,但應相去不遠。這也是為什麼上述所使用到電池僅有 5920 塊,並非目前所知的 7000 至 8000 塊。

看過 Tesla 的電池設計,應該就可以想像,為什麼 Tesla 正在研究,把電池分散到車門與車身上。若 Tesla 真的能把電池分散到這些部位,將可以有效釋放更多車內空間,電池分散在不同部位,可能會降低意外發生時電池組集中在某個區塊而彼此串連而整個燒掉的問題。

  • MIT Technology Review : Tesla 正在主導電動車產業創新

Tesla 一開始發佈選擇這種原來應用在筆電上的小電池時,被傳統車廠斥為無稽,市場上充滿爭議與質疑,但這同時也是 Tesla 汽車與眾不同的最重要策略,MIT Technology Review 一篇題為 < Tesla 如何主導電動車創新?> 的文章,作者就認為, Tesla 的電池組技術,已經將電動車的能源技術帶向全新領域。

選用 18650 筆電電池:讓 Tesla 擁有高能效、低成本

雖然傳統汽車大廠較大的電池單元可以降低組裝與電源管理的難度;但這些大電池卻也因為含有較多能量,因此更危險。這也是為何這些大廠選擇能量密度低的電解液,以解決大電池容易起火的問題。反過來,為了彌補能量密度低的問題,他們選擇了可以更密集包在一起的平面狀電池單元,但這樣的電池單元成本較高。

Tesla 完全打破這樣的思維,原來應用在筆電上的 18650 電池:讓 Tesla 直接把消費性電子市場成熟的規模經濟優勢帶入,大幅減低成本。同時,因為這些電池體積較小,也容許 Tesla 使用較高能量密度的電解液,而擁有較高的能量密度,讓 Tesla 可以有效的降低材料成本。

Tesla 克服組裝上千顆小電池的困難,擁有更彈性系統

為了組裝上千顆小電池,Tesla 的 CTO JB Straubel 發明了液體冷卻系統(如上專利圖中所述),這個系統會蛇行繞在這些電池單元旁,快速冷卻發熱的電池,同時也能讓個體電池的問題,不會擴散到其他電池。

反觀,大而平的電池單元則容易在碰撞中變形、起火,因此這些汽車業者必須在車體內部,找到安全、遠離碰撞的地方來放置這些大電池;這就代表他們必須要犧牲一些諸如座位、後車廂等的空間。Tesla 則表示他們通過了撞擊測試,並未有電池變形、冷卻液漏出的狀況。

Tesla 希望再降電池成本

根據目前市場可獲取相關資料推測,Tesla Model S 的電池組要價約 42,500 至 55,250 美金不等,又或是 Model S 要價的一半,而 Straubel 不斷強調成本可以再更低,他們現在正在跟電池單元、電解液的供應商研究如何讓能量密度再提升,而且他希望能夠改變電池造型,讓組裝更簡易。

之前有台灣媒體報導,有台灣車廠買了 Tesla 回來整台拆開研究,很多老牌汽車都在做同樣的事情,通用汽車的執行長 Dan Akerson 據說有成立一個專案小組研究 Tesla;Brett Smith 是 Ann-Arbor-based 非營利中心專責汽車研究的製作、工程師、科技方面共同董事,他說 Tesla「已經從古怪、嬌俏的媒體寵兒,變成業界共同思考的『東西』。」

  • 延伸閱讀:

真的生火了!六週內火燒 Tesla 三次,車主:迫不及待再買一輛!

車門、車身就是電池?Tesla 正在設計又大又便宜的電動車!

為什麼汽車大城底特律做不出 Tesla 電動車,而矽谷卻辦到了?

(參考資料:PingWest車云1、車云2、MIT Technology Review。圖片來源:Car and DriverTesla Motors Club, FlasherZ中華網汽車電動汽車論壇Tesla ForumTesla BlogGreen Car Reports車云kqedquestDawn Endico,CC Licensed)

 

2014/01/10, 13:03  勘正:

感謝讀者指正,內文原「每小時 85 千瓦」,已更正為「85 千瓦小時」。另在續航力上,我們已更正 Tesla 續航力並非最佳。

Reference: http://techorange.com/2014/01/07/tesla-battery-system/ 

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