作者: 下午8:32 特斯拉, 资讯

续航 160 万公里,特斯拉的最后一张底牌


2019 年 9 月 6 日,加拿大达尔豪斯大学的 Jeff Dahn 实验室发表了一篇题为《基于顶级锂电池化学的广泛测试,将成为新电池技术的基准》的论文。

 

这是 Jeff Dahn 教授职业生涯中至关重要的一个研究成果,也是 Jeff 实验室与特斯拉达成合作后的第一个重磅成果。有了它,特斯拉 CEO Elon Musk 在智能汽车领域长达数年的夙愿终于有了眉目。

 

让我们先从特斯拉说起。

 

Semi Truck 疑云

 

2016 年 1 月,前特斯拉全球销售与服务总裁 Jerome Guillen 结束休假,回到特斯拉,他与特斯拉 CEO Elon Musk 展开了一段极简对话。

 

「你想做什么?」

「我们应该打造一台电动半挂卡车。」

 

某种程度上,这段对话改变了特斯拉。在 2016 年 6 月公布的特斯拉未来十年秘密宏图(Master Plan, Part Deux)中,半挂卡车项目顺利入围,成为 Elon 「涵盖地面运输主要形式」的重要组成部分。

 


那时的 Elon 也许并没有想到,半挂项目会加速特斯拉在电化学领域新兴技术的商业化进程。

 

2017 年 11 月 17 日,特斯拉半挂正式发布。


  • 满载 36 吨 0-96 km/h 加速 20 s

  • 能耗低于 2 kWh/英里

  • EPA 续航 300/500 英里(480/800 km)

  • 全行业性能最强、安全性最好/事故率最低(标配增强 Autopilot)

  • 总拥有成本最低(160 万公里保修)


特斯拉半挂发布伊始就引发了广泛关注,沃尔玛、DHL、联邦快递都表现出了浓厚兴趣并直接用订单投票。

 


2018 年 Q1 的财报会议上,Elon 宣布半挂积压订单已经达到 2000 个。即使按照 20 万美元标准版车型的售价,高达 4 亿美元的增量营收已经板上钉钉。

 

更重要的是,在 2017 年 Q1 的财报会议上,Elon 特别提到了半挂可预期的高毛利率。半挂的三电、中控和智能座舱组件都会与 Model 3 共享,比如半挂的 4 台电机都是 Model 3 同款电机。前特斯拉 CTO JB Straubel 说,卡车项目远没有一个常规的技术项目那么复杂。

 


大量的零部件共用极大地缩短了产品研发周期,大幅降低研发、制造和供应链管理的投入资源,规模效应驱动下的 BOM 成本有了更可观的下降空间。无论从哪一个角度,半挂都是特斯拉有史以来最利好财务数据的一款产品。

 

但到了 2019 年 Q1 的财报会议上,我们发现事情的走向并没有像我们预期的那样发展。

 

已经升任特斯拉汽车业务总裁的 Jerome 发表了一番自相矛盾的言论:一方面,特斯拉半挂原型车 working amazingly well(运行得令人惊讶的好);另一方面,原定于 2019 年量产的半挂将推迟至 2020 年量产。

 

Semi原定于 2019 年量产


问题出在哪里?

 

纯电动半挂的命门

 

Jerome 没有撒谎,但他隐藏了一个关键问题。而这个问题,就是半挂量产推迟的直接原因。

 

为了说明问题,我们需要先引入一个电化学概念:放电深度(Depth of Discharge),即电池组中可用容量占额定容量的百分比。举一个例子:Model 3 长续航版额定容量为 80.5 kWh,可用容量为 78 kWh,那么设计 DoD 就是 78/80.5=96%。

 

锂电池的有一个特性,电池循环寿命和 DoD 成反比,DoD 从 100% 降到 50% 可以带来至少 400% 的循环寿命次数增长。

 


如果你的 Model 3 经常深度充/放电,那么电池的可用容量就会按照设计循环寿命的规格衰减。按照特斯拉的定义,2170 电池会在 1500 次循环后衰减至初始容量的 80%。如果坚持执行满充满放的补能习惯,那么在 1500 次循环后,你的 Model 3 电池容量就会衰减到初始容量的 80% 左右。

 

商用车和乘用车的差异点来了:没有乘用车会长期持续地满充满放,但商用车在生命周期的绝大多数场景下都接近于满充满放。

 

美国特拉华大学的研究员 Nathaniel S. Pearre 调研了 484 辆燃油乘用车(规避了纯电动车基础设施不够完善,出行距离偏短的影响),即便是在地广人稀的美国,484 辆乘用车的平均行驶里程仅为 52 km/天,绝大多数车辆的单日行驶里程在 0-80 km 区间内。

 

也就是说排除一年仅有的几次长途出行场景,在绝大多数时候,纯电动车主只需要浅充浅放就可以完全满足出行需求。

 


考虑到特斯拉旗下续航最短的 Model 3 标准增强版的 EPA 续航里程都达到了 385 km,对于特斯拉车主而言,满充满放以满足出行需求的场景是极为少见的。

 

这意味着特斯拉官方设定的放电深度接近于无意义,而绝大多数车主都能获得远超设计规格的全生命周期行驶里程和缓慢的电池衰减速度。

 

换到商用车,也就是特斯拉半挂卡车,补能逻辑恰恰相反。

 

根据美国联邦运输安全管理局(FMCSA)的规定,半挂司机连续行驶至多 8 个小时后须强制休息 30 分钟,但在商用车的应用场景中,这个规定形同虚设。对于追求运营效率最大化的货运公司来讲,绝大多数时候货运车队都是不分昼夜,2-3 名司机交替驾驶来运营的。所谓「人休车不休」。

 


这就要求特斯拉半挂续航里程必须做到足够长,同时补能做到极度方便。对于这两个问题,特斯拉分别通过单程 EPA 续航 800 km 和充电 30 分钟行驶 640 km 的 Megacharger 超快充网络来尽可能降低纯电动力总成对货运效率的影响。

 

但问题在于,Model 3 续航 385 km,平均行驶里程 52 km/天,实际放电深度只有设计放电深度的 13.5%;特斯拉半挂续航 800 km,假设平均行驶里程 750 km/天,实际放电深度达到设计放电深度的 93.75%。

 

事实上,750 km/天是相当保守的估计。除了前面提到的「人休车不休」,根据 Auto EDU 的统计,美国的半挂保有量大约为 200 万辆,平均行驶里程超过 20 万公里/年,货运公司经常选择在第三年进行大修维护,平均每台半挂的生命周期典型行驶里程可以达到 100 万英里(160 万公里)。

 

对于半挂这样长期持续地满充满放需求 + 平均 160 万公里的全生命周期里程需求,特斯拉当前的电池技术能力是无法满足的。

 

在纯电动乘用车市场如鱼得水的特斯拉,换到纯电动商用车市场,遇到了一些真正的挑战。让我把问题说得更明确:特斯拉 2170 电池 30-50 万公里的使用寿命不足以支撑半挂的 160 万公里的运营需求。

 

Jeff Dahn 其人

 

2015 年 6 月,特斯拉宣布与 Jeff Dahn 实验室达成了未来五年合作计划。

 

Jeff Dahn 是公认的锂电池研究先驱,过去 20 多年来,他发表了超过 640 篇论文,同时还是 65 项发明的共同发明人。

 

Jeff Dahn 试乘 Model S


他做研究的风格偏日本学术界而非美国——非常热衷于与工业界进行深度交流与合作。在牵手特斯拉前,Jeff 先后和 NEC、Moli Energy、NSERC /3M 等多家商业巨擘进行锂电池商业化方面的研究工作。

 

2015 年 6 月,前特斯拉 CTO JB Straubel 和前特斯拉首席电池科学家 Kurt Kelty 开着一辆 Model S 来到达尔豪斯大学,提前锁定了 Jeff Dahn 与 NSERC/3M 合作于 2016 年 6 月到期后未来五年(2016 年 6 月-2021 年 6 月)的合约。

 


Jeff Dahn 长期致力于提升锂电池能量密度、改善寿命和降低成本这三大研究方向,这与特斯拉对动力电池的诉求高度一致。在前沿技术研发方面,他说过这么一句话:

Our goal is to do something useful, not publish papers in Nature and similar journals.


我们的目标是做一些有意义的东西,而非在《自然》或类似的学术期刊上发论文。

 

这与前特斯拉首席电池科学家 Kurt Kelty 秉承的「特斯拉不会专注于研究电池化学技术,我们的突破是成功实现了前沿电池技术的商业化应用。」不谋而合。

 

在特斯拉公布 Gigafactory 超级电池工厂计划后,Jeff Dahn 表态说:我必须参与其中。如今,他所领导的技术突破在特斯拉使命落地中已经变得不可或缺。

 

5300 次循环,3% 衰减

 

我们对中等能量密度的软包三元锂电池进行了广泛的测试……我们得出的结论是,这种电池支持驱动电动汽车行驶超过 160 万公里,并在电网储能应用中至少持续 20 年。


这是 Jeff Dahn 研究小组论文的第一段话。在后面的章节我们了解到,Jeff 小组花了十年时间对各种不同化学特性的正负极、电解液排列组合进行测试,最后就单晶 NCM 523 正极、石墨负极电池在 20、40 和 55 度的温度条件下进行了长达三年的充放电测试。

 

在长期充放循环测试中,Jeff 小组优先考虑对电池进行 100% DoD(即电压介于 3.0V-4.3V 区间的满充满放)测试,这一测试方法更接近商用车严苛的补能场景。

 

最终的测试结果显示,20 度工况下的单晶 NCM 523 展现出了极为出色的性能,在完成 5300 次循环后电池容量仍然可以达到初始容量的 97%。在完成 5300 循环后,Jeff 团队拆解了电池正极成像,可以看到单晶材料展现出了强大的结构稳定性,正极微粒中几乎没有出现多晶材料在满充满放后常见的微裂纹。

 


Jeff Dahn 认为,单晶材料晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列,这种结构稳定性是正极性能几乎没有衰减的主要原因。

 

即使按照表现最差的 40 度工况来看,按照最恶劣的应用场景反向推演(100% DoD,即将电动车电池容量使用到 0 去充电,充到 100% 停止充电,且车辆全生命周期严格遵循上述补能逻辑),电池衰减到 70%(特斯拉的质保衰减规格)也要花费十年时间跑完 3650 个循环,累计续航里程仍然可达 120 万公里。

 

而在实际的应用场景中,即便是补能场景更恶劣的商用车,也极少能做到 100% DoD。Jeff Dahn 认为,在现实场景中更可控的温度条件和复杂多元的补能逻辑下,电池循环寿命的表现会好得多。

 

电池达不到商用车运营需求,推动 Jeff Dahn 研发出超长续航电池。如无意外,故事到这里本该结束了。


可是,乘用车呢?

 

把大象放进冰箱需要几步?

 

2016 年 1 月,Elon 突然宣布,特斯拉自动驾驶技术将在未来 24-36 个月内就绪。按照最乐观的估计,你可能在两年后从洛杉矶自动驾驶到纽约。

 


这个预判对特斯拉产生了深远的负面影响,直到今天,每当特斯拉的产品 & 服务 & 功能出现跳票,「马斯克还说 2018 年特斯拉就实现自动驾驶呢」就会被当作典型案例拿出来批判一番。但鲜有人关心,2016 年 1 月前后特斯拉发生了什么。


2015 年 11 月,Elon 在特斯拉 2015 年 Q3 财报会议上宣布特斯拉的动力总成运行里程目标从 20 万英里调整为 100 万英里(160 万公里)。

 

十几天后,特斯拉宣布组织架构调整,Elon 接管 Autopilot 软件团队并将该业务重要性提升至超高优先级(Super High Priority)。

 

一个月后,芯片皇帝 Jim Keller 和 Pete Bannon 携其团队集体加入特斯拉,FSD 芯片研发团队成立。

 

一大波完整密集的部署之后,Elon 公布目标:特斯拉自动驾驶技术将在未来 24-36 个月内就绪。

 

就像「把大象放进冰箱需要几步」一样,自动驾驶汽车落地需要几步?你需要做到以下三点同时就绪:软件、硬件和车队。

 

自动驾驶软件系统就绪,需要将自动驾驶进一步拆解为几个细分功能,包括自动泊车、自动辅助导航驾驶(NoA)、识别信号灯及路标并做出反应(TSR)、城市自动辅助驾驶、智能召唤。如你所知,在 V10 版本推送后,特斯拉还需要实现 TSR 和城市自动辅助驾驶研发测试和推送。

 


自动驾驶硬件系统就绪,意味着你需要做到感知、电源、定位、计算、决策、控制(转向和制动)冗余。随着 Autopilot HW 3.0 车型的量产,除了感知,自动驾驶硬件系统全部就绪。

  

车队就绪,比大多数人想象得更加复杂。所有人都在说,自动驾驶技术的实现将使得车辆的闲置率大幅降低,车辆的行驶里程数大幅增长(Elon 预测自动驾驶汽车运行里程将增加 5 倍)。有没有想过,乘用车的设计是否足以支撑大幅增长的行驶里程?

 

2019 年 4 月 13 日,一位网友经过粗略的计算表示,自动驾驶技术的落地将使得打车平台的毛利率从当前的 20% 左右提升到 50+%。这个模型的前提是车辆运行寿命达到 24 万公里。Elon 在下方留言,特斯拉 Model 3 的动力总成和车身强度都是按照商用车 160 万公里的全生命周期运行里程设计的。

 


Elon 的话没讲完。10 天后的特斯拉自动驾驶投资者日上,Elon 的演讲全盘托出了特斯拉的野心。

 


低于 3.8 万美金的整车成本、160 万公里的车辆运行里程(电池)、3.5 英里/kWh 的超低能耗成本。

 

对着这张 PPT,Elon 将 10 天前在 Twitter 上的留言重复了一次:

The cars currently being built are all designed for 1,000,000 miles of operation.


The current battery pack is about maybe 300,000-500,000 miles. The new battery pack that is probably going into production next year is designed for 1,000,000 miles of operation with minimal maintenance.


Elon Musk、JB Straubel、Kurt Kelty、Jeff Dahn……在这些人的努力下,特斯拉设计运行里程 160 万公里的电池组,将于 2020 年年底量产。

 

在这张 PPT 的前一页,Elon 直接搬出了特斯拉秘密宏图之第二篇章(Master Plan Part Deux)中的规划:

 


在出行需求超出私家车的城市,特斯拉将部署自己的车队。确保无论你身在何处,我们的自动驾驶汽车随叫随到。

 

巨头转身,群敌环伺,什么是特斯拉的王牌?


2019 年 6 月 11 日,特斯拉 2019 年度股东大会。

(在 4 月 23 日自动驾驶投资者日后),我们会召开电池和动力总成投资者日,我们将不惜一切代价,确保我们的电池生产规模以最快的速度扩张。

 

如果我是外部投资人,我会高度关注两件事:自动驾驶的时间表和电池产能扩展及每千瓦时成本降低计划。

 

电池和自动驾驶,这是特斯拉最重要的两个战略重心。



底牌悉数挑明,特斯拉没有秘密。

 






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标签: Last modified: 2019年9月26日