特斯拉旋风从今年年初就开始在中国刮起,一直到下半年依然没有丝毫降温迹象。在经历了概念股旋风、商标争夺战之后,10月期间,国家几大部委的相关领导对特斯拉总部的造访、视察再一次把这款电动车品牌引向了讨论的焦点。
何以成功的偏偏是特斯拉,而不是其它传统燃油汽车的大鳄诸如宝马、奔驰等?关注特斯拉成功案例的不仅仅是众媒体、新能源汽车和锂电池等相关行业,也有一直以来不遗余力在中国推广新能源汽车的相关部门。10月17日微博上消息透露,“国家发改委、工信部、商务部、科技部、财政部、国家税务总局、海关总署的领导对特斯拉总部进行了视察”。实名认证为特斯拉中国区总经理郑顺景的微博在稍晚的11:45对此做出评价:此次访问将有效加强国家各重要部委对特斯拉的认识与支持,有深远影响。
营销模式、市场定位、技术创新以及领导人马斯克的个人魅力等等因素都被用来解释特斯拉的成功。可是,正如一千个读者心中就有一千哥哈姆雷特一样,从锂电池行业的角度来看,特斯拉的成功,是锂电池在动力电池路线上的突破。
“纯电动汽车是基于全新设计的,是一种革命,不是改装的,不是改良的,不能延续生产传统汽车的思维。”合肥国轩高科动力能源股份公司总经理方建华表示,特斯拉的成功在于它的颠覆性,在于它从电池到整车的全新设计。
“一个概念可以在历经一年的时间里持续地被各界讨论,足以说明这类产品和技术所在行业发展的不成熟,与此同时也反映了该行业存在的巨大机会。”高工产业研究院院长张小飞博士表示,特斯拉在中国的火爆在表明中国锂电行业不够成熟的同时,也预示了该行业存在巨大的机会。
小而精的电池路线
作为电动车的核心部件之一,特斯拉的电池曾经被嘲笑、被诟病,甚至在实现销售爆发式增长之后,仍有很多业界专家称其“电池技术老旧”、“无核心竞争力”。原因在于特斯拉是唯一一家采用18650圆柱形电池的公司。在业内人士眼中,这种电池此前一直用于笔记本电脑中,难登电动汽车之“大雅之堂”,并且存在安全隐患。
在汽车上使用1 8 6 5 0电池,特斯拉算第一个。
作为动力输出的后盾,电池对电动车的作用不言而喻。因为本身性能较稳定、安全系数较高且可循环充电次数多,磷酸铁锂电池是目前市场上动力电池的首选,如雪佛兰Volt、日产聆风、比亚迪E6以及中国运营的纯电动大巴。
特斯拉则有些另类,它旗下的Roadster和Model S使用的是18650镍钴铝三元材料电池。与磷酸铁锂电池相比,这种电池虽然技术较为成熟,功率高、能量密度大、且一致性较高,但安全系数较低,热特性和电特性较差,成本也相对较高。
“18650电池外电压但凡低于2.7V或高于3.3V,都会出现过热的症状。如果电池组较大且组内温度梯度控制得不好,就会存在很大的起火风险。”一位业内动力电池工程师告诉《高工锂电》,电池技术的关键恰恰就是电压电流和热量控制,以电压的高低来判断,也难怪特斯拉被批评为电池技术不靠谱。 但实际上,被认为更安全可靠的磷酸铁锂电池也并非万无一失。“在制备的烧结过程中,氧化铁在高温环境下存在被还原成单质铁的可能性,单质铁会引起电池的微短路,这是电池中很忌讳的物质。此外,磷酸铁锂电池在实际生产中充放电曲线差异大,一致性较差且能量密度较低,这直接影响到电动车敏感的续航问题。”该工程师说。
根据海通国际证券公司最新的研报显示:特斯拉电池能量密度(170wh/kg)大约是比亚迪电动车磷酸铁锂电池能量密度的两倍。
早在上世纪7 0年代,英国宾汉顿大学的Whittingham女士就发明了三元材料的18650电池,这类材料的电池常应用于笔记本电脑、强光手电等数码产品上,但是,将这种直径18mm、高65mm的圆柱形锂电池用在汽车上,特斯拉是第一个吃螃蟹的人。
特斯拉的电池技术总监Kurt Kelty曾经表示:特斯拉起初也尝试了市面上超过300种电池,包括板型和方型电池,最终选择了松下的18650小型圆柱电池。一方面,18650的能量密度更大且稳定性与一致性更好。另一方面,18650可以有效降低电池系统的成本。
2009年,松下推出了全世界最高容量的18650电池,型号叫 NCR18650A。
当然,如果是普普通通的18650电池,国内的电芯厂也可以生产出来。难点在于,特斯拉的18650电池远非一般意义上的三元材料,其生产、制备的过程也更加严苛、复杂。
“就目前国内的技术标准和规格来看,能够满足特斯拉所需要的18650电芯还生产不出来。”新乡市天力新能源材料有限公司技术部部长蔡碧博告诉《高工锂电》,松下的18650电芯是采用NCA镍钴铝材料,而国内的通常在笔记本电脑、移动电源上使用的18650电芯则多是采用镍钴锰材料。
“这是一种新型的18650电芯,跟传统的18650电芯有着很大的区别。它从正负极材料、电解液、隔膜等锂电池四大核心的选取上的要求就非常高。在制备的过程中对温度、湿度、工艺操作的要求也更为严苛。”对于松下所研发生产的改良型18650电芯,青岛新正锂业有限公司总经理孙玉城博士有着同样的看法,而后者曾在日本锂电池行业有着多年的学习工作经验。
“大家都知道,既然是18650,体积大小必须是固定死的,每个厂家要研究的就是,在保障安全的前提下,同样在这么大的空间里,谁能往里装的电量最高。”孙玉城告诉《高工锂电》,松下的18650电芯在动力电池研究和应用方面,这几年走在了世界的前列。
松下NCR18650A的容量是3100mah,相当于每节电池存储的电量为11.47WH(1度电=1000WH) ,而国内的18650电芯做到2800mah算是极限了。松下的改良型电芯远远高于国内18650电芯容量所能达到的极限。
庞大的锂电池需求
另一方面,电动汽车所需要的电池数量远非笔记本电脑、手机等数码消费类电子产品可比。
记者算了一笔账,以 Tesla Model S 所用的NCA18650 电池为基准,在锂电池下游产业链中,iphone5的电池容量是1440mah ,iPhone 5 需要不到0.5 个18650 锂电池,笔记本电脑需6 个18650 电池,而一辆Tesla ModelS(85kWh)电动汽车则需8142 个,相当于1.6 万部iPhone 5 手机或1300 部笔记本电脑。
18650电池在电动汽车上的大规模使用会在很大程度上加大其批量化生产的规模,这从长远来看必将逐渐降低18650电池的生产成本和价格。
据Tesla首席技术官JB Straubel表述:从Roadster到Model S“转型”的四年时间里,电池组成本已经下降了约44%,并且仍然会继续下降。松下曾在2010年向Tesla投资3000万美元,成为其股东之一。并且于2011年达成战略协议,将负责Tesla今后5年全部车辆的电池供应。按照Tesla目前预计每年2万辆的产量,松下的18650将装配在超过8万台Model S上。值得注意的是,10月30日,松下对外宣布,公司获得美国特斯拉汽车最新锂离子电池供应合同,为期四年。2017年之前将向特斯拉提供20亿个锂离子电池单元,用于特斯拉目前的Model S纯电动豪华跑车,以及明年上市的Model X电动SUV。有分析称,这笔合同价值大约70亿美元。
高工锂电产业研究所(GBII)此前发布调研数据显示,2012年中国锂电池产量为35.5亿自然只(折合成2.0Ah18650的规格统计)同比2011年增长19.5%。市场规模达640亿元,同比增长14.3%。作为对比,特斯拉在未来四年的锂电池需求接近中国2012年锂电池产量的总和,松下提供特斯拉的这20亿颗18650电池则相当于39.3亿部iphone5的锂电池用量。
与此同时,中国的电动汽车普遍使用的是磷酸铁锂电池。然而,号称安全性最好的磷酸铁锂电池却是事故频发。从2011年上海电动公交发生自燃到2012年比亚迪E6电动车碰撞起火,磷酸铁锂电池的安全性一次次受到质疑。
“中国的电池技术在政策导向下,把磷酸铁锂电池当做动力电池的主导来发展,许多锂电企业把这一技术当作主流。”高工锂电研究所副所长罗焕塔认为,从现阶段的情况来看,磷酸铁锂电池的作用在电动汽车上优越性并没有体现出来,未来也存在很大的变数。
根据高工锂电产业研究所(GBII)统计数据显示,2012年中国锂电池正极材料的分布情况是:钴酸锂占比49% 、镍钴锰酸锂(三元材料)占比27% 、锰酸锂占比17%、磷酸铁锂占比7%。而比重最大的钴酸锂主要用于笔记本电脑、手机等数码电子产品领域。 三元材料市场领域最大的电动汽车市场远未开启。
化危机为转机
在中国, 如果电动汽车发生爆炸起火事件,对整个行业来说无异是灾难,比亚迪就是前车之鉴。但是同样的事故也发生在已经运营电动汽车2年的特斯拉身上,似乎就变成了一种推广和宣传。
10月3日,一辆特斯拉Model S起火的视频流传网络,点燃了公众及投资者对于电动汽车安全性的担忧。特斯拉股价自当天下视频传出后迅速下跌,并在第二天继续下探。周三和周四两个交易日,特斯拉股价由192.99美元跌至173.23美元,跌幅为10.24%,市值损失约24亿美元。
然而,糟糕的情势并没有持续多长时间,随着特斯拉公关团队把事故现场的情况公诸于众,形式很快开始得到好转。
特斯拉的全球公关总监Elizabeth Jarvis-Shean在事发当天发布了紧急声明,虽承认着火的车辆就是一辆Model S,但是她解释该车是在发生重大撞击之后才起火,并非自燃。并且,该车的警报系统显示车辆故障,并“指引”司机将车安全地停在了路边。
在随后更详细的调查报告中进一步详细地解释了其BMS系统的优越性和避免损失的进一步扩大。
特斯拉董事长马斯克在随后发布的博文中详细地解释了事故的原因:“该车在高速行驶中撞到路中央一个从半挂车辆上脱落的弯曲金属物体,该物体对汽车底部1/4英寸厚的电池保护装甲施加了高达25吨的巨大冲击力,造成了直径3英寸的一个穿孔。”这段话的宗旨是突出坚固的电池保护装甲,解释事故原因反而成了次要目的。
这位经常在twitter上挑逗投资者的创业偶像兼技术天才兼理想主义者,详细解释了ModelS底部16个由防火墙隔离的电池仓结构,“顺便”提到了火势只向下方而不是向上方或驾驶舱发展的情况。
“极客”范儿的马斯克引用了数据再给公众吃下一颗定心丸:在美国,平均每2000万行驶里程发生一起汽车火灾,而特斯拉则是每1亿行驶里程才发生一起火灾。“驾驶传统汽油车遭遇火灾的可能性是驾驶特斯拉的5倍”。
“钢铁侠”马斯克在发布上述声明之后,特斯拉的股价反弹4.43%,重新站在了180美元上方。并且盘后交易时段又上涨了1.2%。
可靠的电池管理系统
18650存在安全风险是不争的事实,Tesla如何“搞定”这一硬伤?秘密武器在于其电池管理系统,特斯拉给出的解决方案是将8142节3安时左右的松下NAC18650封装电池通过串联和并联结合在一起。
但是,如何排列组装这些数量众多的小电池显得尤为重要。最初的BMS系统在其第一款电动跑车特斯拉Roadster上通过了实验的验证。
这时候, T e s l a 创始人之一M a r cTarpenning以往的经验派上了用场。他曾是这个领域的专家并成功出售过一家公司。他把网络控制领域用程序控制成百上万台服务器的模式搬到了Tesla电池系统控制领域,通过一年的DOE(design of experiment,实验设计),用分层次管理的办法成功控制了这6831节小电池以及电压和温度。
69个18650电池被并联封装成一个电池砖,99个电池砖串联成一个电池片,11个电池片组成一个电池包,总计6831节。
仅仅有这些层次还不够,对于每一个层次都要进行监控,于是他们在每个电池单元、每个电池砖、每个电池片的两端均设置有保险丝,一旦电池过热或者电流过大则立刻融断,断开输出。
仅仅有保险丝还是不够,于是在每个电池片上,均设置有BMB (Battery Monitor board)即电池监控板,用以监控每个电池砖的电压,温度以及整个电池片的输出电压。
在整个电池包上,设置有BMS用以监控整个电池包的工作环境。包括电池包的电流,电压,温度,湿度,方位,烟雾等。
在整车层面, 设置有V S M ( V e h i c l eSystemMonitor)用以监控BMS。
这样一套电池控制系统成为特斯拉的技术核心,当特斯拉刚刚公布这套造价高昂的系统时(传言高于20000美金),很多业内人士不约而同地对其唱衰,认为将7000乃至8000个电池放在汽车里的行为是可笑的。但事实却给予他们有力的回应,雪佛兰Volt起火、Fisker Karma车型更是一年内发生三次自燃事件,而特斯拉在运营2年时间之后才因事故起火,并且能根据其优良的BMS系统做出很好的防护。
与特斯拉相比,中国的电动汽车在遇到自然或碰撞起火的事件时就没那么好运了。2012年5月26日的比亚迪E6出租车因被高速跑车碰撞起火后导致三人当场死亡,其后公司市值缩水了60亿元。
排除意外事故本身,同样面对电池起火,比亚迪的BMS系统显然没有做到很好的防护作用。“BMS系统是一个系统工程,需要把整车的结构也要考虑在内,仅仅是BMS厂很难做出跟电动汽车相匹配的电池管理系统。”深圳市力通威电子科技有限公司技术总监杨月全告诉《高工锂电》,电动汽车的BMS系统应该由车企来做主导。
然而,中国的车企鲜有电动车整车制造上下功夫。
“国内少有独立生产、全新设计的新能源汽车,比亚迪的E6都不是。上汽集团荣威E50算是名列前茅的,他的底盘是全新的,动力系统重新做的,但是也还是离不了传统汽车的思维。”合肥国轩高科动力能源股份公司总经理方建华认为,目前中国还没有一家公司真正独立于传统汽车之外来做电动汽车。
这也就不难理解,为什么中国出不了特斯拉,除了技术积累本身不行,在对待做电动汽车这件事情的态度上也有着截然不同的选择。中国倾向于取巧,直接套用传统车的思路,甚至是传统车的生产线,但是美国人却是独立于传统车之外做扎实的创新。
中国电动车缺乏积累
目前绝大部分中国人对特斯拉电动汽车的接触,是在海外试驾,但这并不妨碍中国人对它的期待,小米科技的创始人雷军和汽车之家的创始人李想先后在微博上表达了对特斯拉Model S的购买意向。
2013年10月,浙江小伙花250万从香港辗转购买了全国第一辆特斯拉ModelS的现车,这是在中国大陆地区销售的第一辆特斯拉电动车。
与此同时,特斯拉也已经在北京成立营销中心,但是,要在中国大陆销售还需要通过国家3C认证,继而还需通过国家环保部以及地方环保部门的认证等一系列相关手续。
相比之下,中国的本土电动汽车都还停留在示范运营阶段。
2013年4月,中国名气最大的电动汽车生产企业比亚迪,对两台运营里程在29万公里左右的比亚迪E6纯电动出租车进行“电池测试”,两台车的续航里程都达到280公里以上。29万公里一般相当于私家车跑15年,比亚迪试图以此测试证明,纯电动汽车的使用寿命已完全可以媲美传统燃油私家车。但是,这并不能打消人们对电动车的疑虑。
“我们老是在孤军奋战。”比亚迪汽车新闻发言人李云飞表示,中国地方保护主义问题太严重,比亚迪电动汽车能卖到香港、欧洲,在内地却只能在深圳卖。目前,比亚迪电动汽车E6的月销量徘徊在100辆左右。
值得注意的是,新的补贴政策下发之后,对于地方保护主义会产生一定的遏制作用。因为,新政策规定在新能源汽车推广的城市,外地电动车的推广数量不得低于30%。这对于比亚迪来说无疑是一个利好消息。
浙江众泰新能源汽车科技有限公司副总经理张浩向《高工锂电》介绍,2010年至今近三年时间里,众泰电动汽车租赁一共投放了400多辆车。但成为租赁车主,前提必须要有自己的充电场地,充电问题成为主要的制约要素之一。虽然目前杭州已经建成了67座充换电站,但实际运营的只有7个,公共的充电设施存在很大的浪费。
据了解,众泰是中国第一家获得纯电动车生产许可的汽车企业,也率先在杭州推出纯电动车的私人租赁模式。
事实上,中国政府对电动车的扶持力度不可谓不大。
从2009年开始,电动汽车被列为中国国家七大新兴战略产业之一。之后,中国工信部制定《节能与新能源汽车产业发展规划》,明确电动车是中国新能源车的主要发展方向。前几年中国国内大型汽车展上,每家展台上都摆着电动车。
在2013年杭州新能源车展上,电动汽车明显退烧,展车数量反而不及混合动力车。
据中汽协的统计数字显示,2012年,中国电动车销量为11375辆,在全年超过1800万辆的新车市场中,只占总销量的0.6%。而且,这其中大部分是示范运营的电动公交车、出租车。
“中国车企大多冲着政府补贴而来,产品也是朝着公共交通的方向开发。”赛迪顾问股份有限公司新能源汽车事业部总经理张谦告诉《高工锂电》,由于大部分电动车企业无法克服电池、充电基础设施等瓶颈问题,且思路始终停留在如何降低成本上,仅仅有补贴也无济于事,无法生产出让消费者接受的产品。
其实,翻开汽车发展的历史过程就会发现,西方国家在研究汽车的时候最开始考虑的是电力驱动的,但是介于当时储能条件动力不足的限制而变为研发燃油车,并在燃油车上取得成功。与此同时,西方国家一直都没有放弃研发电动汽车。
“弯道超车是个伪命题,因为,中国的车企缺乏西方发达国家车企长期积累的过程。”张浩认为,中国的车企在技术、人员的配备,造车思路各方面没有经历过一个摸索的阶段,但是这个过程是不可能跳跃的,必须由车企静下心的做技术的积累。“中国的电动汽车真正发展的历史是从2011年才开始的,不可能很快从传统燃油的思路中转变过来。”张浩向《高工锂电》介绍,“我们在做电动汽车的过程中包括在去外企参观的了解之后发现,电动汽车真不能按照传统汽车的思路来做,甚至传统汽车的配件厂在各方面都难以达电动汽车到要求。
“做电动汽车是一个新的系统工程,不可能一蹴而就。”张浩认为,中国的车企要做出专业的电动汽车就必须整合行业的优势资源形成合力。
特斯拉为什么可以成功?它有一群专业的人在做专业的事情,特斯拉的电池管理系统、整车制造等负责人都是行业的顶尖人才,而这个主导必须得由车企来完成。特斯拉的成功从造成本身来说,是马斯克整合了最优秀的资源。
“中国造不出特斯拉,特斯拉要是在中国也未必能变得全球流行。”张浩认为,中国做电动车的企业过于急功近利,完全跟着补贴的路子走,缺乏一个长期的技术积累和市场探索的过程。再加上国内车企间缺乏必要沟通,难以在商业模式和运营模式上达成共识,这让电动车的推广变得更加困难。
“如果国内的车企能够做到不要补贴也要去做电动车的境界,那么这个行业才算是真正步入正轨了。”张浩说道。