中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：本文為北京理工大學(xué)電動(dòng)車輛國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室、北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院副教授、中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電動(dòng)車輛專業(yè)委員會(huì)委員孫立清所做的研究報(bào)告。原文標(biāo)題為《當(dāng)前新能源汽車及相關(guān)領(lǐng)域存在的問題或熱點(diǎn)剖析及建議》，篇幅較長(zhǎng)，我們分兩期刊發(fā)，本文為第二篇。(第一篇《剖析新能源汽車熱點(diǎn)：16條技術(shù)干貨與產(chǎn)業(yè)建議》)
對(duì)于當(dāng)下熱點(diǎn)TESLA電動(dòng)汽車，筆者綜合各方觀點(diǎn)認(rèn)為：
(1)TESLA采用的電池和管理系統(tǒng)價(jià)格偏高，集成后安全問題猶在。
以ModelS系列為例，電池成本約占到整車總成本的50%，其次為BMS系統(tǒng)，約25%左右，其余包括車身等構(gòu)件總計(jì)約25%?？梢婋姵叵到y(tǒng)為特斯拉電動(dòng)車最核心的成本構(gòu)成。目前特斯拉應(yīng)用的電池由日本松下公司提供，松下為特斯拉供貨的鋰電池型號(hào)為NCR18650A，屬于較常見的鎳鈷鋁三元鋰電池，其次為BMS系統(tǒng)，這部分成本比較固定。以高配版汽車為例，其使用的7410節(jié)左右松下NCR18650A電池成本就達(dá)到了18.5萬元(按電池價(jià)格25元/節(jié)計(jì)算)，占到了電池總成本的70%。另外電池管理系統(tǒng)成本約為8萬元。
特斯拉電池
雖近年來隨著鋰電池市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)張，鋰電池成本不斷降低，以日本為例，1995到2010年，15年間，日本鋰電池平均成本年率下滑幅度為11.2%。但受制于鈷資源，情況并非如此。倫敦金屬交易所鎳的期貨價(jià)格接近6萬美金，現(xiàn)在價(jià)格1.8萬美金，現(xiàn)在的價(jià)格只有最高價(jià)位的三分之一，另外一點(diǎn)就是鈷的加快只有三分之一，鎳和鈷的價(jià)格一旦漲起來，這個(gè)NCA一定遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過磷酸鐵鋰，這個(gè)價(jià)格之外都有用到鈷研究人不多，2011年鈷產(chǎn)量82200噸，對(duì)于這個(gè)8.22萬噸沒有什么概念，化學(xué)品大概占58%，化學(xué)品里面絕大部分都是用到了電池主要消費(fèi)類電子，每個(gè)人手上手機(jī)平板電腦、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)基本上都有這個(gè)元素。
如果我們把這個(gè)鈷元素用到電動(dòng)汽車上面產(chǎn)生什么后果，這個(gè)按照30度電的乘用車來算，每輛車金屬鈷的使用量大概20%，金屬鈷的使用量8公斤，一輛車8公斤，一千萬輛車就是八萬噸，不可能用八萬噸，可能三萬噸的時(shí)候、四萬噸的時(shí)候就會(huì)引起鈷的價(jià)格飛漲，三四萬噸充其量可以支撐三四百萬輛電動(dòng)汽車的發(fā)展，我想我們的這個(gè)行業(yè)的目標(biāo)肯定不是只做三四百萬輛，所以這個(gè)方式只能特斯拉做小眾車沒有辦法做普通大眾使用的車。比起目前其它類型的動(dòng)力電池能量密度可每年提升9%，tesla電池的優(yōu)勢(shì)并不會(huì)持久，也難以大眾化。
按目前技術(shù)看，特斯拉自身擁有的核心技術(shù)是BMS系統(tǒng)，具有一定的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，但它根本上沒有擺脫電池并聯(lián)，相反以昂貴的已經(jīng)證明并非百分百安全的PACK系統(tǒng)(不是指對(duì)人)獲得了所謂的優(yōu)勢(shì)。國(guó)外目前BMS系統(tǒng)主要采用的是定位于高端的主動(dòng)式BMS均衡系統(tǒng)，而國(guó)內(nèi)目前主要采用的是定位于中低端的被動(dòng)式或者只是起到顯示作用的不帶均衡功能的BMS。從可以看出，我國(guó)目前在BMS的開發(fā)和應(yīng)用方向還有很長(zhǎng)的一段的路要走。
但從國(guó)外的BMS發(fā)展?fàn)顩r中，我們可以看到，價(jià)格與技術(shù)含量高的主動(dòng)式BMS，是我國(guó)未來BMS發(fā)展的方向。在目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)處于轉(zhuǎn)型升級(jí)的特殊時(shí)期，我們應(yīng)該結(jié)合我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)狀況來發(fā)展具有高附加值的主動(dòng)BMS。國(guó)外BMS的成本在整個(gè)電池系統(tǒng)中的成本占比大約是30%左右。而假如采用國(guó)內(nèi)的被動(dòng)式BMS，差不多只占到總成本的3%左右。對(duì)于Tesla這樣的強(qiáng)調(diào)電子信息技術(shù)的公司，BMS的造價(jià)甚至高達(dá)2萬美金，價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于市場(chǎng)上一般的主動(dòng)式BMS. SOC準(zhǔn)確性因?yàn)闆]有真正做到電荷量的精確計(jì)量而值得懷疑！
(2)TESLA的電池技術(shù)并非先進(jìn)，安全性值得商榷
就電動(dòng)車的核心技術(shù)電池而言，特斯拉所使用的電池是鈷酸鋰系列的鋰電池，優(yōu)點(diǎn)是單位重量的比能更高，這就使得特斯拉使用同等單位體積和重量的電池，可以產(chǎn)生更多的能量。也正是因此，ModelS擁有了483KM的續(xù)航里程。特斯拉所使用的電池包在使用過程中安全性較低，鋰電池的燃燒爆炸問題一直是影響安全性的主要因素。
燃燒爆炸原因在于：一、局部損壞和短路導(dǎo)致溫度升高，有機(jī)電解液發(fā)生燃燒泄漏。二、幾百上千塊電池串并聯(lián)，熱管理和充放電管理BMS難度較大。針對(duì)這方面的擔(dān)憂，特斯拉ModelS啟用了電池組水冷系統(tǒng)，就系統(tǒng)本身而言，也并不是特別有技術(shù)優(yōu)勢(shì)和亮點(diǎn)。目前這項(xiàng)技術(shù)國(guó)內(nèi)也有一些電池生產(chǎn)企業(yè)在用，因此，這一技術(shù)并不是非常先進(jìn)。
特斯拉用最火的電池NCM和NCA，但安全問題值得商榷。鈷酸鋰電池危險(xiǎn)在什么地方，相信人們都心知肚明。因?yàn)殇囯x子電池充電的時(shí)候，這個(gè)鋰離子會(huì)走掉，走調(diào)之后最后導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)就是結(jié)構(gòu)沒有辦法維持原有的結(jié)構(gòu)，這樣造成的問題是氧以氧氣形式出來，初中化學(xué)學(xué)過的燃燒三個(gè)要素第一可燃物，所有的電池里面都是可燃物的，里面的電解液非?？扇嫉?，包括負(fù)極材料碳材也是可染的，另外有氧氣，本來電池密封沒有氧氣，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)釋放出來的燃?xì)饬硗膺_(dá)到燃點(diǎn)，如果用材料，本身電池如果不破裂可以滿足燃燒的三個(gè)條件，而爆炸的兩個(gè)條件，一個(gè)是密閉空間。
第二點(diǎn)能量的劇烈釋放我們用NCM或者NCN的電池理論上面我們沒有辦法規(guī)避內(nèi)升爆炸機(jī)制，這個(gè)電池不管怎么樣做，這個(gè)里面當(dāng)然如果做的特別好有可能對(duì)于乘用車來說人來得及逃生，但是對(duì)于電動(dòng)大巴來說這個(gè)逃生的時(shí)間比較長(zhǎng)，不一定可以達(dá)到這個(gè)過程。相對(duì)來講磷酸鐵鋰材料來說這個(gè)氧和磷緊密結(jié)合在一起，磷酸鐵鋰電池會(huì)起火燃燒但絕對(duì)不會(huì)爆炸；而固體電解質(zhì)電池由于沒有電解液，加之安全機(jī)制，會(huì)安全很多。電池廠包括很多的專家用NCM和NCA的電池，做材料十年的經(jīng)驗(yàn)告訴大家，使用NCM和NCA電池是暫時(shí)的情況，沒有它續(xù)駛里程的優(yōu)勢(shì)也就無從談起。
(3)TESLA并沒有從電池管理角度解決低溫充電問題，對(duì)于NCA電池低溫充電更是致命的。
液態(tài)電介質(zhì)電池在較低溫度下如-10度甚至更低的溫度下充電會(huì)初事故。這是由于，電池中的電解液離子遷移速率變得緩慢，那么在這樣的低溫環(huán)境下對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，容易出現(xiàn)電池中的鋰離子在負(fù)極表面沉積形成金屬鋰的狀態(tài)，而這種金屬鋰的存在不僅對(duì)電池的使用壽命和性能造成很大的影響，更重要的是這種金屬鋰容易引起電池內(nèi)部短路，造成電池的安全事故。顯然TESLA并沒有從電池管理角度解決低溫充電問題，對(duì)于NCA電池低溫充電更是致命的。
(4)TESLA的充電機(jī)是單向的，并非像VOTE一樣，可以作為電源對(duì)住宅供電
(5)電機(jī)所采用銅轉(zhuǎn)子交流異步電機(jī)沒有獲得太大優(yōu)勢(shì)，TESLA高價(jià)噱頭值得懷疑。
文獻(xiàn)研究《采用鑄鋁轉(zhuǎn)子和鑄銅轉(zhuǎn)子時(shí)鼠籠式異步電機(jī)的損耗特性對(duì)比》表明，以1臺(tái)5.5 kW三相異步電機(jī)為例,計(jì)算分析采用鑄鋁轉(zhuǎn)子和鑄銅轉(zhuǎn)子時(shí)電機(jī)各項(xiàng)損耗及效率的變化特點(diǎn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：空載時(shí),2種轉(zhuǎn)子的各項(xiàng)損耗并無太大差別;滿載時(shí),定子銅耗和鐵耗差別不大,銅轉(zhuǎn)子基波銅耗大幅降低,但諧波銅耗略微增加,最終使得電機(jī)總損耗降低約60W,效率增加約1%?？梢娝捎勉~轉(zhuǎn)子交流異步電機(jī)沒有獲得太大優(yōu)勢(shì)，尤其在低速功率相對(duì)較小的中低端電動(dòng)汽車上， TESLA拿銅轉(zhuǎn)子做高價(jià)噱頭值得懷疑。而實(shí)際上，采用六相制交流異步電機(jī)采用銅轉(zhuǎn)子可以獲得很高的效率優(yōu)勢(shì)。
(6)TESLA電機(jī)電控一體化并未實(shí)現(xiàn)
近日，三菱重工宣布他們研發(fā)出了世界上最小的電動(dòng)車用電機(jī)與逆變器組合系統(tǒng)。三菱重工實(shí)現(xiàn)電機(jī)與逆變器小型化的秘訣有兩點(diǎn)，首先是優(yōu)化逆變器內(nèi)的晶體管與二極管制造材質(zhì)。目前的逆變器內(nèi)部元件材質(zhì)多為硅，這次三菱重工將其加以改變，使用碳化硅(官方預(yù)估到2018年，碳化硅的元件生產(chǎn)制造成本就會(huì)與現(xiàn)有硅材料生產(chǎn)制造成本持平)代替硅。在保證逆變器工作效率的同時(shí)，新材料的引入使得逆變器與電機(jī)整體尺寸減小了44%，且發(fā)熱量更低。三菱重工縮小電機(jī)以及逆變器尺寸的第二個(gè)秘訣在于優(yōu)化了冷卻系統(tǒng)，傳統(tǒng)的逆變器與電機(jī)采用分體設(shè)計(jì)，冷卻時(shí)冷卻水先流向溫度較高的逆變器，隨后冷卻水為電機(jī)進(jìn)行冷卻。這次三菱重工將電機(jī)與逆變器進(jìn)行整合，將之組合成了一個(gè)類似圓筒的結(jié)構(gòu)，這樣冷卻水可以一次性為逆變器與電機(jī)進(jìn)行冷卻。同時(shí)，考慮到逆變器工作時(shí)的發(fā)熱量更大，冷卻水路在流經(jīng)逆變器部分相比流經(jīng)電機(jī)部分管路布置更加密集。TESLA的驅(qū)動(dòng)組件可以看出其尚未達(dá)到電機(jī)電控一體化。
(6)充電制式復(fù)雜繁多，無法兼容和實(shí)現(xiàn)雙向(V2G)
(7)車載能源系統(tǒng)沒有做到互聯(lián)和集成控制
電機(jī)電控，動(dòng)力轉(zhuǎn)向，水冷系統(tǒng)和空調(diào)以及懸架控制系統(tǒng)，沒有做到互聯(lián)和集成控制(指功率級(jí)別)。
(8)觸控技術(shù)并非TESLA的獨(dú)門絕技，實(shí)現(xiàn)起來也沒有必要繞彎子多點(diǎn)觸控技術(shù)并不是那么容易實(shí)現(xiàn)的，它是從硬件到軟件的一個(gè)有機(jī)的整體，可以說是一個(gè)系統(tǒng)工程。微軟在大談多點(diǎn)觸控的應(yīng)用前景，即將發(fā)布的Windows 7(Vista的升級(jí)產(chǎn)品)將全面支持多點(diǎn)觸控技術(shù)。多點(diǎn)觸控技術(shù)是一場(chǎng)觸控技術(shù)方面的革命，說白了就是屏幕將能識(shí)別你的五個(gè)手指同時(shí)做的點(diǎn)擊、觸控動(dòng)作。我們知道一個(gè)手指可能只能做點(diǎn)擊的動(dòng)作，可是五個(gè)手指衍生出的動(dòng)作將是很多很豐富的。
很遺憾市面上還沒有見到這種多點(diǎn)觸控的電腦，據(jù)說惠普做了一款能支持兩個(gè)手指動(dòng)作的觸控屏幕。iPhone為什么這么熱銷，關(guān)鍵就是它的多點(diǎn)觸控屏技術(shù)，這個(gè)對(duì)于其他手機(jī)廠家來說是很致命的。蘋果公司已經(jīng)為多點(diǎn)觸控技術(shù)申請(qǐng)了兩個(gè)專利。盡管如此，觸控技術(shù)我們并不陌生，早就有了。銀行的取款機(jī)大多是觸摸屏，很多醫(yī)院、圖書館等的大廳都有這種觸控技術(shù)的電腦。而支持觸摸屏的手機(jī)、MP3、數(shù)碼相機(jī)也很多。觸控技術(shù)，用手指代替了鍵盤、鼠標(biāo)，既顯示出了最大的人性化，又在特定的場(chǎng)合減少了鼠標(biāo)、鍵盤的空間。但是這些已經(jīng)存在的觸控屏幕都是單點(diǎn)觸控，也可以說是電阻式觸控。他的缺點(diǎn)主要是只能識(shí)別和支持每次一個(gè)手指的觸控、點(diǎn)擊。
(9)價(jià)格太高
特斯拉宣布了其在香港的售價(jià)，由于香港市場(chǎng)的定價(jià)將比照中國(guó)定價(jià)原則，入門款只售不到58萬港幣，約等于452,200人民幣，比中國(guó)定價(jià)73.4萬的價(jià)格便宜了28萬。 據(jù)了解，配備60kWh電池的Model S在香港將會(huì)以港幣579,000元開賣，85kWh電池的車款定價(jià)港幣657,000元；Model S Performance 85定價(jià)則是761,800元。電池管理系統(tǒng)價(jià)格也高的離譜！
(10)無法享受補(bǔ)貼和難以擺脫地方保護(hù)
(11)高速動(dòng)力學(xué)控制問題
K&C問題似乎存在，所以高速飄和令人暈
(12)空調(diào)系統(tǒng)不好，后排舒適性差
這些注定了(1)其品質(zhì)與寶馬的差距，不管穿何種外衣；(2)其必須要依附本土車企才能成長(zhǎng)。特斯拉成功的最核心資源在于其資源的整合力，商業(yè)模式的創(chuàng)新和應(yīng)用上有別于大部分電動(dòng)車廠商運(yùn)作模式，使其并非特別亮眼的技術(shù)構(gòu)成部件，組合起來卻具有了令人震撼的澎湃動(dòng)力。土豪可以因有錢，無所顧忌，TESLA給富人帶來無敵玩具，但對(duì)于大多數(shù)，中國(guó)人，莫過于蝴蝶效應(yīng)。
作為科技界，我們佩服馬斯克先生，但不得不提醒，變化無窮飛速發(fā)展的今天，任何被顛覆都是可能的，豐田和松下支持和參股下TESLA也有成為業(yè)界的先驅(qū)的可能。但其若已經(jīng)擁有或開始著手更具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)，如車載能源互聯(lián)技術(shù)，或者TESLA老本行的交流電技術(shù)(如電能數(shù)字化傳輸和變換)這些下一代電動(dòng)汽車技術(shù)，本土企業(yè)也許付出巨大努力才能改變傳統(tǒng)汽車的宿命。過去我們可以靠市場(chǎng)，現(xiàn)在更要靠技術(shù)，這些年的巨大汽車市場(chǎng)，似乎還沒有換來真正的立得住的自主技術(shù)，值得我們深思。
最后聲明，本人受條件局限，未對(duì)TESLA電動(dòng)汽車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或測(cè)試，歡迎有條件的企業(yè)測(cè)試后對(duì)本文扶正，萬分感謝。更進(jìn)一言，有條件的企業(yè)需要對(duì)TESLA電動(dòng)汽車進(jìn)行對(duì)標(biāo)研究，否則無端藐視和過度崇拜都會(huì)顯得很愚鈍。Tesla也更應(yīng)該讓中國(guó)消費(fèi)者或者技術(shù)界了解更多更詳細(xì)，這利大于弊，以避免對(duì)其可能粗淺或錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)改變其在中國(guó)消費(fèi)者或者技術(shù)界的形象。
