鉅大LARGE | 點擊量：1084次 | 2021年11月17日
揭秘特斯拉最新電池輕量化技術
近期，特斯拉的100kWh車型，已經通過了歐盟認證機構RDW的評估。這意味，ModelS/X100D車型即將問世！其續航里程理論值將達到613km（基于NEDC標準）。
按照歐盟規定，在歐盟成員國上市銷售的車型，都必須經過其授權機構的認證方可。RDW是特斯拉委托的一家荷蘭的公司，經其認證后即可獲得在歐盟銷售的許可。本文，我們來探究下，這個100kWh是如何做到的？
ElonMusk曾經說過，特斯拉的續航（電量）要以每年5%的速度新增。從當前電池組的迭代情況來看，這個目標基本實現。除作為入門級配置的60kWh外，70kWh、85kWh均已分別升級為75kWh和90kWh。
不久之后，100kWh和120kWh的電池組也將進入選配清單。目前，60kWh仍然作為一個乞丐版配置存在，以促進特斯拉的銷量。真正有故事的，是70kWh和85kWh，是如何各新增5kWh電量的。
有一點可以肯定，那就是電池組電量新增過程中，其電池組的結構是沒有改變的。內部電池包（BatteryModule）的數量也并未發生改變。我們先來簡單了解下特斯拉電池組的內部構造。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
60kWh內部有14個電池包，每個電池包內含384個電芯，共計有5376個電芯組成；85kWh由16各電池包組成，每個電池包內含444個電芯，共計7102個電芯組成。
后來加入的70kWh，實際上是一個75kWh電池組，經過軟件限制而來的。多余的5kWh，最初被當做一個價值3000美元的選裝包供應給車主。只要通過OTA軟件更新，70D就可以變為75D。
那么問題來了，75kWh電池組是怎么來的？有關這個問題，特斯拉官方并沒有做出技術解釋。根據作者的判斷，75kWh其實是85kWh電池組，減少2個電池包而來的。在85kWh電池中，每個電池包的容量是5.3kWh，14個這樣的電池包就是74.2kWh。
這就是70kWh、75kWh，以及85kWh之間的關系。至于60kWh，這只是一個為了降低準入門檻而設置的配置而已。那么，90kWh又是怎么來的呢？
從85kWh到90kWh，多了5kWh。是多加了一個電池包嗎？在85kWh的電池組結構中，已經無法再疊加電池包。唯一的可能性就是更換了新的電芯。當然，其采用的依然是18650型號的電芯，只不過化學材料有所調整，新增了能量密度。
在這道工序中，特斯拉將電芯的石墨陽極中，添加了少量的硅，從而提升了電芯的能量密度。在陽極中加入硅，已是電池領域公認的可以提升能量密度的辦法。為防止不斷疊加電池包，而造成的電池組質量過大，特斯拉接下來只能把重點放在研發高能量密度的電芯上。然而，有關三元鋰離子電池來說，要想通過硅來新增能量密度，遠沒有那么簡單。
其基本原理是：在石墨陽極中加入硅后，由于硅原子的結構相比石墨能夠容納更多的鋰離子，導致陽極對鋰離子的吸納能力增強。單次充放電循環中，陽極鋰離子越多，能量密度也就越大。
然而，硅在充分吸納鋰離子后，其體積會膨脹300%，比石墨吸納鋰離子后的膨脹率7%要大很多。這種反復的體積變化，會造成固態電極變得“松軟”，容易崩離。以此，電池的循環壽命就會降低。
另外一層因素，是硅陽極由于充放電時的膨脹/伸縮特性，會破壞鋰離子電池電解質SEI膜的形成。這個膜是在鋰離子電池初次循環時所形成的，有關陽極材料有保護用途，可以防止材料結構崩塌。
基于上述原因，采用硅材料做陽極，雖然能量密度可以顯著提升，但也伴隨著副用途，最終會導致電池壽命縮短。所以，特斯拉采取的方法是，逐步在石墨陽極中添加少量的硅，在能量密度和循環壽命中尋找平衡點。
眾所周知，特斯拉采用的18650電池是由松下生產的。隨著雙方合作加深，特斯拉也在研發新的圓柱形電池。在Model3正式投產后，新型21700電池將取代18650，成為新的電芯。
21700電池依然是三元鋰離子電池，陰極材料是鎳鈷鋁酸鋰（NCA）。這種圓柱形三元電池，是目前能量密度最高的動力鋰離子電池解決方法。相比方塊形電池，此類電池雖然能量密度高，但穩定性較差，要有較為出色的BMS（電池管理系統）支持。
特斯拉最早的Roadster采用的是松下的NCR18650A型電池，額定電壓3.6V，容量3.1Ah。之前的85kWh電池組采用的是NCR18650B型電池，額定電壓3.6V，容量3.1Ah。
90kWh的電池型號不得而知，但應該不是直接由松下供應成品，而是特斯拉與松下共同研發，專供特斯拉車型的定制化電芯。目前，松下生產的18650電池中，NCR18650G型是容量最高的型號，達到了3.6Ah。假如按照這個計算的話，85kWh電池組中的7102顆電芯，替換為G型電池，正好是90kWh。
所以，有一種可能性就是90kWh電池組中，電芯是NCR18650G型；而85kWh電池組中，電芯是NCR18650B型?？傊?，在電芯數量不變（電池組結構不變）的情況下，只有把單個電芯的容量提升至3.6Ah，才能確保90kWh的電量。
而要實現100kWh，有2個方法：一是再疊加2個電池包，按照每個電池包5.3kWh的容量，正好可以得到100kWh；二是替換能量密度更高的電芯。作者認為，后者是最佳，也是最有可能的一個方法。
因為90kWh是基于85kWh的電池組結構而來的。這個結構在18650電池規格下，已經定型，更改其設計結構的成本是很高的。事實上，電池組中已經沒有空間再疊加更多的電池包了。
假如新增電池包，不但電池組質量會新增，電池組的冷卻循環系統都要改動。所以，提升電芯容量，才是最經濟可行的方法。
試想，在100kWh的電池組中，不改動電池組結構的情況下，單個電芯的容量要提升至3.9Ah，才有可能實現100kWh的容量。所以，作者猜想特斯拉已經與松下研發出了3.9Ah的18650電芯。這一功勞只能歸功于陽極中的硅。
未來十年的汽車“智能”浪潮值得期待，汽車將由電控機械技術主導轉向電子、通信、軟件、材料、機械技術的深度融合，成為跨行業創新技術前沿。
“小型、輕量、智能、電動、共享”將成為未來十年汽車業的核心關鍵詞。伴隨消費者逐漸成熟理性，以及能源、交通、安全等問題日益顯著，汽車最終將回歸智慧運輸的本質：“更輕便、更智能、更安全”將是未來發展方向。汽車產業，將逐漸由封閉走向開放，由機械電控技術主導轉向電子、通信、軟件、材料、機械技術的深度融合。汽車業將成為跨行業、多學科的創新技術前沿，亦將因此激發更多商業模式創新。
我們預計，到2030年智能電動汽車市場份額有望超50%。其中，新興汽車公司或占半壁江山；未抓住變革機遇的傳統車企可能淪為代廠乃至退出市場。未來5年，ADAS及智能駕駛、車聯網、車用芯片、賬號及操作系統等技術值得關注。我國車企和創業型公司受益于資本力量和工程師紅利，有望在智能化進程中承接更多全球分工。
電動：降低造車門檻，開啟汽車智能革命的序幕。電動汽車大幅精簡汽車結構和零件數量，核心動力總成（如電機、電池、甚至電控）均可以向第三方采購，因此動搖傳統車企的體系優勢和競爭力。新興科技型車企快速涌現，并高舉“智能化”賣點。到2018年前后，以電動汽車為載體的智能汽車可能再次改變消費者對汽車的認知。電池仍占當前電動汽車成本50%，未來，有助于提升電池性能和電動汽車效率的技術值得關注，如：三元正極材料、濕法隔膜、石墨烯導電溶劑、輕量化等。
智能：未來汽車業主戰場從ADAS到無人駕駛。ADAS是智能汽車的重要落地，外資巨頭如博世、大陸等占主導地位，中資公司差距相對較大。我們預計，到2020年我國ADAS市場規模可達2000億。伴隨市場規?？焖俪砷L，中資公司可能在后裝ADAS和預警類ADAS領域尋求突破。有關上市公司和中資創業公司而言，可能存在的機會在于：1）汽車芯片、2）電子制動機構、3）激光和毫米波硬件和算法、4）基于攝像頭和多傳感器融合的算法等。
車聯網：智能的延伸和拓展，后裝車聯網快速發展倒逼前裝。前裝車聯網目前覆蓋的業務范圍相對有限，常見于導航和基本服務等，如通用安吉星等。未來，前裝車聯網可能進一步延伸至V2V、V2X領域，成為ADAS系統在特殊場景下的感知機構的延伸。LET-V等標準值得關注。后裝車聯網快速生長，產業鏈持續延伸，逐漸形成基于導航、娛樂的金融保險（UBI等）、二手車服務模式，亦應用于汽車貸款、汽車共享等領域。未來，后裝車聯網基于“人”的生活服務，有可能逐漸演變為以車載操作系統和O2O為載體的前裝業務。
共享：建立在汽車智能基礎上的商業模式創新。車聯網是汽車共享的安全基石，未來無人駕駛可能徹底改變汽車共享業態。出行共享（有司機）快速發展，車輛跟蹤和派單算法影響客戶體驗，資本力量對商業模式和產業格局影響較大。車輛共享（無司機）建立在車聯網定位/追蹤技術基礎上，C2C模式（如凹凸租車、PP租車等）初露端倪。
資本將發揮巨大用途。一級市場由此拉開又一輪科技投資熱潮；二級市場優勢公司有望憑借融資能力和上市公司地位整合產業鏈，乃至形階段性閉環生態。但也要注意的是，未來汽車變革之路以10年為單位計，必然伴隨資本市場的周期波動和預期變化。Gartner曲線亦提示資本預期與產業進步速度差異可能導致的估值波動。有關布局智能汽車等先進技術的公司而言，融資能力、現金流管理亦成為技術實力之外的重要競爭要素。
“智能”汽車領域值得長期投資布局。未來十年的汽車“智能”浪潮值得期待，汽車將由電控機械技術主導轉向電子、通信、軟件、材料、機械技術的深度融合，成為跨行業、多學科的創新技術前沿，亦將因此激發更多商業模式創新。
1、電動：降低造車門檻，開啟汽車智能革命的序幕
電動汽車降低造車門檻，顛覆傳統車企在“動力總成”領域的核心競爭力。電動汽車大幅精簡汽車結構和零件數量，核心動力總成（如電機、電池、甚至電控）均可以向第三方采購，因此動搖傳統車企的體系優勢和競爭力。到2018年前后，以電動汽車為載體的智能汽車可能再次改變消費者對汽車的認知。
電動化是未來發展方向。有關個人消費者而言，高端電動汽車能夠供應強勁的動力性和推背感，低端電動汽車能夠節省汽油開支、降低用車成本。有關國家而言，電動汽車便于排放集中處理，提升效率。
能夠幫助提升電池和電動汽車性能的技術值得重點關注。電池仍占當前電動汽車成本50%，面對問題包括：1）能量密度提升和成本下降，2）充電速度提升。值得重視的技術方向包括：1）三元正極材料；2）濕法隔膜；3）石墨烯導電溶劑。此外，小型化+輕量化亦是電動化的關鍵支撐，碳纖維、鋁鎂合金值得重視。
新能源拉開智能序幕
電動汽車時代，整車公司原有的核心競爭力受到了撼動，智能將成核心競爭力。傳統車企在“動力總成”領域的核心競爭力受到了挑戰，新進入者打出“智能”牌，炫酷的屏幕和新技術對消費者構成較強吸引力。
特斯拉拉開了汽車智能大戰的序幕。開始接受預訂以來，Model3已累積接收近40萬張訂單，全球消費者有關智能和炫酷黑科技充滿期待。
電動化是未來發展趨勢
電動汽車帶來駕駛樂趣的體驗。電動汽車的加速性能秒殺傳統燃油汽車。ModelSP90D可實現百公里加速2.8秒，創下世界紀錄；比亞迪“唐”和“秦”也可輕松贏過燃油超跑。這是由電動機的工作特性決定的。
節能減排是全球的發展主題。綜合考慮從燃料開采到汽車驅動Well-to-Wheel全產業鏈效率，純電動汽車與燃油車相當，但仍然具有低于汽油車的能耗和排放。
我國石油對外依存度高，電動化是必然選擇。據我國石油集團經濟技術研究院統計，我國目前石油對外依存度超過60%，并且每年新增石油消費量70%以上為汽車。長期來看，燃油汽車的發展將會加劇我國石油危機，電動汽車成為必然選擇。
政策法規加速我國新能源汽車產業發展。2012年，國務院印發《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020年）》，提出2015年乘用車平均燃料消耗量降至6.9升/百公里，到2020年降至5.0升/百公里?！段覈圃?025》進一步提出，2025年乘用車油耗目標降至4.0升/百公里。法規標準倒逼乘用車公司發展電動汽車。
我國新能源汽車產業在政策扶持下快速起飛。據統計，2015年我國新能源汽車銷量達37.9萬輛，同比上升4倍。我們認為，我國新能源汽車產業已經在政策扶持下走向技術進步。2016年我國新能源汽車銷量有望達到60萬輛，滲透率2%；至2030年，新能源銷量可達2500萬輛，滲透率50%。
未來技術進步方向：動力鋰離子電池技術提升
新能源汽車帶動相關產業鏈，2020年市場規模有望接近萬億，動力鋰離子電池市場有望達到千億級別。
動力鋰離子電池是新能源汽車關鍵環節。新能源汽車目前行業滲透率仍低于3%，電池成本居高不下是重要普及緩慢的重要原因之一。純電動汽車電池成本約占整車成本近50%。電池能量密度提升、成本下降、充電速度提升是新能源汽車進一步普及的重要驅動力。
三元正極材料電池能量密度較磷酸鐵鋰離子電池提高15%-30%，將成為乘用車動力鋰離子電池主流技術路線。正極材料成本占鋰離子電池比例接近40%，是決定電池性能的關鍵要素。我們預計，2020年三元正極材料市場規模有望超300億。我們預計，2016年新能源汽車銷量可達60萬輛，帶來三元材料電池10GWh需求。
隔膜是鋰離子電池的關鍵組件，濕法隔膜技術將進一步普及。受益于三元及高端磷酸鐵鋰離子電池滲透率提升，預計其2020年需求有望超18億平方米，且受益于國產供需持續存在缺口，產品價格及利潤率穩定。預計2020年濕法隔膜市場規模超50億。
石墨烯或將用于鋰離子電池：導電劑、電極材料。石墨烯導電性能、力學性能優異。目前尚處于研發期，預計2020年市場空間可達5億。
未來技術進步方向：輕量化發展
輕量化可顯著提高續駛里程，是電動汽車發展的必然選擇。電動汽車重量降低10%，對應續航里程可新增5.5%。在動力鋰離子電池能量密度尚不能完全滿足要求的當下，輕量化成為提高續駛里程的重要手段。萬鋼部長也在2016我國電動汽車百人會論壇上再次強調：“輕量化”是我國電動汽車發展的方向之一。
汽車輕量化材料繁多：高強度鋼、玻璃纖維、鋁合金、鎂合金、碳纖維等。鋁合金被廣泛應用，碳纖維是未來方向。鋁合金應用于汽車輕量化的技術較為成熟，已達量產水平：特斯拉ModelS采用了全鋁車身；奇瑞捷豹路虎的全鋁廠已經竣工投產；車和家的鋁合金廠也已落戶常州。碳纖維材料由于其突出的減重性能和比強度而受到廣泛關注，但由于其造價高昂，目前只有極少數量產車型采用：如寶馬i3、長城華冠的首款車型K50。
2、智能：未來汽車主戰場，從ADAS到無人駕駛
智能汽車將重塑車企的核心競爭力。在汽油機時代，發動機、變速箱組成的動力總成是傳統車企的核心競爭力。有關大型乘用車公司而言，發動機往往采用集團內InHouse的做法；新進入者無法購買合適的高性能發動機，只能通過自行研發積累。但一款好的發動機的研發周期往往要十年以上的時間；而一旦批產發動機出現質量問題，又可能對車企的品牌形成巨大傷害。因此，發動機也就成為了傳統整車公司最大的壁壘和核心競爭力。
電動汽車時代，智能將成車企的核心競爭力。電動汽車大幅精簡汽車結構和零件數量，核心動力總成（如電機、電池、甚至電控）均可以向第三方采購，因此動搖傳統車企的體系優勢和競爭力。新進入的造車公司往往以“智能化”為賣點，以炫酷的前沿技術吸引更年輕的消費者。未來10-20年，汽車產品及其產業鏈將面對巨大變化和挑戰。傳統車企不得不重新披掛上陣，加速智能應用的開發進度，以應對新進入者的挑戰。
未來汽車業主戰場從ADAS到無人駕駛。ADAS是智能汽車的重要落地，外資巨頭如博世、大陸等占主導地位，中資公司差距相對較大。我們預計，到2020年我國ADAS市場規?？蛇_2000億。伴隨市場規?？焖俪砷L，中資公司可能在后裝ADAS和預警類ADAS領域尋求突破。有關上市公司和中資創業公司而言，可能存在的機會在于：1）汽車芯片、2）電子制動機構、3）激光和毫米波硬件和算法、4）基于攝像頭和多傳感器融合的算法等。
ADAS：智能駕駛的落地載體
我們當前處于輔助駕駛前期，距離徹底的無人駕駛還有較長距離。美國汽車工程學會SAE將自動駕駛分為0到5級。目前L1和L2技術已相對成熟，L3和L4技術即將量產（特斯拉已經提前進入了3級自動駕駛階段）。徹底的L5無人駕駛是指全路段、全天候的，無需人工干預的全自動駕駛，汽車可自主完成加速、制動、轉向等動作，可能要至少十年才能達到產業化階段。
智能駕駛以技術為核心驅動力，打造感知、決策、執行的閉環控制。目前ADAS核心技術重要掌握在外資公司手中，包括博世、大陸、德爾福、電裝等。我國多年積累的工程師紅利體現，創業型公司大量涌現，本土工程師和海歸力量共同推動技術進步。但綜合考慮法規、標準、公司規模和抗風險能力等要素，整車廠對大規模采購創業型ADAS產品仍有顧慮。中資公司可能在后裝ADAS和預警類ADAS領域尋求突破。
智能駕駛亦為三層金字塔供應鏈格局。1）頂端的OEM和科技型造車公司；2）ADAS供應商；3）底層零部件供應商。
市場空間：萬億無人駕駛，千億ADAS，百億元器件。全球汽車銷量增速放緩，但是整體銷量仍超過8000萬。我國市場2015年行業銷量達2460萬輛，帶動相關產業鏈超2.5萬億。ADAS系統有望先行普及，預計2020年滲透率有望超30%，市場規模接近2000億。同時產業鏈上游相關元器件行業如、攝像頭、HUD（抬頭顯示）等需求均有望快速上升，2020年有望達到百億級別。
根據功能不同，ADAS可分為預警類和執行類。在遇到緊急情況時，預警類ADAS只發出警告信號，由駕駛員決定如何操作；而執行類ADAS則可自主判斷決策，控制車輛實現加速、制動、轉向等動作，以防止碰撞。
國外汽車零部件巨頭在ADAS領域保持優勢地位。包括大陸、德爾福、電裝、奧托立夫、博世等。
創業型公司大量涌現，上市公司亦希望借由參股和收購創業公司方式進入ADAS領域。借由資本的力量和我國多年積累的工程師紅利，ADAS領域里的創業型公司快速涌現。我們認為，只有真正掌握核心技術、具有較強市場拓展能力（整車廠渠道）、具備出色融資能力、管理團隊優秀且持衡的本土創業型才有可能最終勝出。在ADAS創業競賽中獲得最終勝利決非易事。
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