【材料課堂】從電池到智能化，特斯拉各項技術的深入解析

可以說特斯拉的電動汽車技術代表了世界的最高水平，在地球

環境危機日益加重的背景下，世界上不缺少新的消耗著汽油、排放著污染物尾氣、有著複雜傳動裝置的汽車，特斯拉決定站在科技、汽車、能源的交叉口，進行顛覆性的思考和研發。

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特斯拉的技術路線及選擇原因

特斯拉的首要任務不是要成為全球最大的汽車公司，而是要彌補電動汽車長期存在的若干缺陷，並通過驚艷的產品顛覆人們對電動汽車的看法，然後通過競爭使全球汽車巨頭不得不去開發自己的電動汽車，其終極目標及公司的宗旨是「儘快在市場上推出大眾市場接受的電動汽車，加速實現可持續交通」。特斯拉制訂了「三步走」的商業計劃：

第一階段：向超級富豪推出高價、小批量汽車。推出第一款產品時價格很高，但確保汽車的高檔品位，使其物有所值，即生產出的汽車足以媲美頂級性能車，那麼定價為10 萬美元也就不存在問題。

圖1 特斯拉第一階段電動汽車Roadster

第二階段：以中高端價位向更多相對富裕的消費者推出中等價位、中等批量生產的電動汽車。藉助第一階段獲得的利潤，開發第二階段的汽車。第二階段的汽車依然比較貴，但其競爭對象更像是7.5萬美元價位的賓士或寶馬，而不再是法拉利。

圖2 特斯拉電動汽車Model X

第三階段：向普通大眾推出低價、量產的汽車（圖3）。通過第二階段獲取的利潤和積累的經驗，開發更經濟、更大規模量產的大眾化電動汽車，其相對便宜的價格和保養的節省，使中產階級完全可以負擔得起。

圖3 特斯拉生產線

02

特斯拉目前的技術優勢

2.1 電池

特斯拉是唯一一家採用18650 型三元鋰離子電池的電動汽車公司。這種類型電池曾一直用於筆記本電腦、數碼相機、手機等電子消費產品中。針對電動汽車的應用環境，特斯拉使用的18650 型電池又不同於筆記本等數碼設備所使用的18650型電池，其技術標準也要高於後者，例如在設計上特斯拉使用的18650型電池能量密度高於同時期其他類鋰電池50%以上（圖4）。

圖4 特斯拉店面的Model S 底盤

特斯拉選擇松下18650 型電池的原因主要有：能量密度大，穩定性、一致性更高；技術較為成熟、出貨量大、生產自動化程度高，可以有效降低電池系統成本；全球每年生產數10億個18650型電池，安全級別不斷提高；單體電池尺寸小但可控性高，可降低單個電池發生故障帶來的影響，即使電池組的某個單元發生故障，也不會對電池整體性能產生影響，但車輛會顯示出錯誤信息，對用戶進行警示，這也是配備較多單體電池的好處。

特斯拉旗下量產車型Model S（圖5）使用的是松下定製的三元材料電池，即鎳鈷鋁三元正極材料的鋰電池。

圖5 特斯拉電動車Model S

雖然18650型電池是全球頂尖電池，但傳統18650型鋰電池也有其自身特性所無法忽略的一些相對弱點，例如對溫度相對敏感、一致性差等。電動汽車對電池的要求是單次充電續航里程大、性能穩定可靠、安全係數高且可循環充電次數多。

特斯拉解決18650 型傳統電池短板的辦法包括：活性的電化學材料、改進的電芯結構設計、優化模組設計、先進的故障保護機制和電池充放電控制，以及其業內領先的熱管理系統和電池管理系統。活性材料和改進的電芯結構設計，帶來單位體積/重量內能量存儲更高，提高充電電壓的同時，電芯穩定性更好。

2.2 電機

與常規的全輪驅動車輛只用一台發動機和變速箱分配能量、犧牲效率來換取牽引力不同，特斯拉的工程師們在後輪驅動Model S的基礎上，在前軸加裝了一台電機，使之成為雙電機全輪驅動的Model S（圖6）。

圖6 雙電機全輪驅動的Model S

特斯拉採用三相四極交流感應電動機，銅轉子，具有變頻驅動功能的驅動逆變器與動能再生制動系統。不僅體積小，重量輕，而且可以瞬時輸出到最大扭矩，並在全壽命內基本無需保養。特斯拉Model S 電動機還獲得2014年度國際最佳發動機大獎。

2.3 鋁製車身

特斯拉營銷經理、鐵杆車迷泰德·米倫蒂諾說過，在北美打造一輛最安全的汽車首先就是從金屬材料的選擇開始。特斯拉的電池很笨重，必須通過降低車身的重量來彌補笨重電池的不足。因此，特斯拉求助了Space X，並使用了它的先進火箭技術，結果特斯拉汽車成為北美唯一使用全鋁車身的汽車（圖7）。

圖7 全鋁車身的特斯拉電動汽車

2.4 安全性

車身安全：特斯拉Model S的車身和底盤主要採用鋁合金材料打造，相比傳統鋼材，鋁材料本身就具有更好的金屬延展性，因此可以更有效地吸收衝擊力。同時車身框架用高強度材料加固，撞擊時能夠有效吸收能量，但駕駛艙卻不易變形。從實際高速駕駛強烈碰撞的結果來看，Model S也證明了鋁材料所具備的優勢。

由於全車最重的部件——電池組位於底盤正下方，這為車身安全帶來兩方面助益：第一，沉重的電池組所帶來的低重心讓特斯拉幾乎不會發生側翻；第二特斯拉電池組本身就設計非常堅固，這無形中又為車輛乘員艙增加了一層保護。除此之外，得益於純電動汽車技術優勢，特斯拉Model S擁有了「前備箱」的設計（圖8），這不僅為車主騰出了一個巨大的儲物空間，無形中還充當著碰撞前緩衝區的角色。

圖8 特斯拉電動汽車的「前備箱」

電池安全：特斯拉Model S全車搭載了幾千塊特別訂製的高級車用鋰離子電池，擁有非常高的能量密度，其循環性相當驚人，容量和直流內阻在上千次充放電后都保持著相對穩定的水平，充電倍率和溫度對電池的影響都不大，這些都是普通電池無法比擬的。

信息安全：有別於傳統汽車，除「雙閃」燈和副駕駛位置的儲物箱按鈕外，特斯拉Model S電動汽車內其他所有的按鍵都集合於一塊17英寸的中控觸屏（圖9）。最重要的是，控觸屏的背後是一個可以隨時自動更新的系統，這就是特斯拉人性化的「空中升級」服務。

圖9 17 英寸中控觸屏

在未帶鑰匙的情況下，特斯拉手機App可以直接操控汽車，但是每次都需要賬戶信息的輸入，每次解鎖都有一個尋找密鑰的過程。特斯拉車上有很多安全模塊和跟鑰匙交互關係的控制器，這不是一個簡單的設計，有時即使有鑰匙，也不見得能夠打開，它隨時處於檢測狀態，每隔幾秒進行一個循環、配比，只有在安全、配比成功的條件下才能解鎖、開動。

圖10 特斯拉汽車車主手機上的App

2.5 智能化

空中升級：空中升級是大多數特斯拉車主最傾心的智能化服務，它好比目前的智能手機，車主可以在聯網狀態下隨時隨地更新車輛的最新功能。這是非常智能的集成應用，顛覆了人為更新的傳統方式。目前，特斯拉自2014年至今在已經進行了4次更新，依次實現了導航服務、語音導航、巡航控制、防撞輔助、倒車輔助增強、車速輔助、智能溫度預設、自動緊急制動、盲點警報、代客模式以及3D導航等功能的更新。

遠程診斷：這項功能可以讓車主在遇到問題時，能夠直接聯絡特斯拉技術支持售後，特斯拉工程師可直接通過後台查看車輛出現的問題，不用到店檢查，節省了車主時間、提高了診斷效率。這一切都是以聯網為基礎，正是所謂的「車聯網」技術。

17 英寸中控屏≠iPad：特斯拉Model S的所有操作都是通過一個酷似iPad 的17英寸中控台實現，它並非僅僅是一個iPad那麼簡單。值得一提的是，目前智能規劃已經在美國實現，通過中控台可實現最優路線指引、電量預估、目的地充電提示、車速規劃等智能規劃。未來智能規劃還會將交通信息、路況信息以及天氣信息實現交互和傳遞，屆時將可以給車主帶來極大的駕駛便利。

自動求助：智能汽車不僅要智能、環保還要更安全。特斯拉目前不僅可以通過輔助駕駛、自助駕駛等功能保護車輛出行安全，自動求助功能也是一大亮點。例如特斯拉Model S 發生了碰撞的緊急情況，該車將立即自動發送後台相關參數，客服人員會在必要情況下，及時聯絡車主幫助處理後續事宜。此外，後台工作人員也可通過車號自動得知該車輛是否需要更換相關部件，輔助車主進行升級或替換部件。

交互關係：智能汽車十分重要的一項功能就是實現交互關係，車輛要與交通中心交互，車與車交互，車與信號燈、行人等交互。特斯拉目前配有官方移動客戶端軟體，車主可通過App操作實時操控車輛。車主忘記帶鑰匙，手機便可開啟車門；車輛丟失，遠程應用即可查看車輛位置並協助找回車輛。

2.6 充電

第一種家用充電樁（圖11）是特斯拉車主最主要的充電方式，特斯拉擁有業界第一的95%超高家充安裝率，幫助車主足不出戶解決99%的充電需求。日常生活中，特斯拉車主99%的出行需求是在城市半徑不超過100 km的範圍內使用，便利的家用充電方式完全可以滿足，而且特斯拉純電動4門豪華轎跑車Model S P85D的續航里程已經達到了480 km（NEDC），短途出行完全不成問題

圖11 家用充電樁

超級充電樁20min即可為Model S充滿50%電量。

圖12 超級充電樁

目的地充電樁（圖13），是特斯拉分佈最廣的一種充電樁，遍布全國各地的大型商場、寫字樓、酒店、銀行營業廳、地下停車場以及一些熱門景區內，方便車主在途中休息時，及時充電，滿足Model S 車主多樣的出行充電需要。截至目前，特斯拉已經在建成超過1400個目的地充電樁。

圖13 目的地充電樁

03

特斯拉專利開放及目的

對特斯拉來說，開放專利並非要避免別的公司模仿技術，因為這沒有意義。特斯拉的初衷是推動全球共同發展電動汽車的技術，希望能夠幫助到其他的電動汽車公司。同時，也促進其他公司藉助特斯拉開放的專利，開發自己的技術，發展得更快一些。特斯拉尖端技術開放專利供其他生產商參考使用，並且不斷完善全球充電網路、向社會開放充電設施，特斯拉的種種舉措與當時創立公司的初衷是一致的，希望攜手其他生產商一起為推動全球的電動汽車技術的可持續發展作出貢獻，生產出更多的電動汽車。

圖14 美國特斯拉汽車公司董事長兼CEO 埃隆·馬斯克

參考文獻：

郭曉際. 特斯拉純電動汽車技術分析[J]. 科技導報, 2016, 34(6): 98-104; doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2016.06.011

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