续航160万公里特斯拉的最后一张底牌

2019-09-23 作者:责任编辑NO。蔡彩根0465

编者按:本文来自微信大众号“42号车库”(ID:iCar123),作者Chris Zheng,36氪经授权发布。

2019 年 9 月 6 日,加拿大达尔豪斯大学的 Jeff Dahn 实验室宣告了一篇题为《依据尖端锂电池化学的广泛测验,将成为新电池技能的基准》的论文。

这是 Jeff Dahn 教授职业生涯中至关重要的一个研讨效果,也是 Jeff 实验室与特斯拉抵达协作后的榜首个重磅效果。有了它,特斯拉 CEO Elon Musk 在智能轿车范畴长达数年的夙愿总算有了端倪。

让咱们先从特斯拉说起。

Semi Truck 疑云

2016 年 1 月,前特斯拉全球销售与服务总裁 Jerome Guillen 完毕度假,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?」

「咱们应该打造一台电动半挂货车。」

某种程度上,这段对话改变了特斯拉。在 2016 年 6 月发布的特斯拉未来十年隐秘雄图(Master Plan, Part Deux)中,半挂货车项目顺畅入围,成为 Elon 「包含地上运送首要方式」的重要组成部分。

那时的 Elon 或许并没有想到,半挂项目会加快特斯拉在电化学范畴新式技能的商业化进程。

2017 年 11 月 17 日,特斯拉半挂正式发布。

  • 满载 36 吨 0-96 km/h 加快 20 s

  • 能耗低于 2 kWh/英里

  • EPA 续航 300/500 英里(480/800 km)

  • 全职业功用最强、安全性最好/事端率最低(标配增强 Autopilot)

  • 总具有本钱最低(160 万公里保修)

特斯拉半挂发布伊始就引发了广泛重视,沃尔玛、DHL、联邦快递都体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 宣告半挂积压订单现已抵达 2000 个。即便依照 20 万美元规范版车型的价格,高达 4 亿美元的增量营收现已铁板钉钉。

更重要的是,在 2017 年 Q1 的财报会议上,Elon 特别说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 同享,比方半挂的 4 台电机都是 Model 3 同款电机。前特斯拉 CTO JB Straubel 说,货车项目远没有一个惯例的技能项目那么杂乱。

很多的零部件共用极大地缩短了产品研制周期,大幅下降研制、制作和供应链办理的投入资源,规划效应驱动下的 BOM 本钱有了更可观的下降空间。不管从哪一个视点,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,咱们发现工作的走向并没有像咱们预期的那样开展。

现已升任特斯拉轿车事务总裁的 Jerome 宣告了一番自相矛盾的言辞:一方面,特斯拉半挂原型车 working amazingly well(运转得令人惊奇的好);另一方面,原定于 2019 年量产的半挂将推延至 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 没有说谎,但他躲藏了一个关键问题。而这个问题,便是半挂量产推延的直接原因。

为了阐明问题,咱们需求先引进一个电化学概念:放电深度(Depth of Discharge),即电池组中可用容量占额外容量的百分比。举一个比如:Model 3 长续航版额外容量为 80.5 kWh,可用容量为 78 kWh,那么规划 DoD 便是 78/80.5=96%。

锂电池的有一个特性,电池循环寿数和 DoD 成反比,DoD 从 100% 降到 50% 能够带来至少 400% 的循环寿数次数添加。

假如你的 Model 3 常常深度充/放电,那么电池的可用容量就会依照规划循环寿数的规范衰减。依照特斯拉的界说,2170 电池会在 1500 次循环后衰减至初始容量的 80%。假如坚持履行满充溢放的补能习气,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:没有乘用车会长时刻继续地满充溢放,但商用车在生命周期的绝大多数场景下都挨近于满充溢放。

美国特拉华大学的研讨员 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行完善,出行间隔偏短的影响),即便是在地广人稀的美国,484 辆乘用车的均匀行进路程仅为 52 km/天,绝大多数车辆的单日行进路程在 0-80 km 区间内。

也便是说扫除一年仅有的几回远程出行场景,在绝大多数时分,纯电动车主只需求浅充浅放就能够彻底满意出行需求。

考虑到特斯拉旗下续航最短的 Model 3 规范增强版的 EPA 续航路程都抵达了 385 km,关于特斯拉车主而言,满充溢放以满意出行需求的场景是极为罕见的。

这意味着特斯拉官方设定的放电深度挨近于无意义,而绝大多数车主都能取得远超规划规范的全生命周期行进路程和缓慢的电池衰减速度。

换到商用车,也便是特斯拉半挂货车,补能逻辑恰恰相反。

依据美国联邦运送安全办理局(FMCSA)的规则,半挂司机接连行进至多 8 个小时后须强制歇息 30 分钟,但在商用车的使用场景中,这个规则形同虚设。关于寻求运营功率最大化的货运公司来讲,绝大多数时分货运车队都是不分昼夜,2-3 名司机替换驾驭来运营的。所谓「人休车不休」。

这就要求特斯拉半挂续航路程有必要做到满意长,一起补能做到极度便利。关于这两个问题,特斯拉别离通过单程 EPA 续航 800 km 和充电 30 分钟行进 640 km 的 Megacharger 超快充网络来尽可能下降纯电动力总成对货运功率的影响。

但问题在于,Model 3 续航 385 km,均匀行进路程 52 km/天,实践放电深度只要规划放电深度的 13.5%;特斯拉半挂续航 800 km,假定均匀行进路程 750 km/天,实践放电深度抵达规划放电深度的 93.75%。

事实上,750 km/天是适当保存的估量。除了前面说到的「人休车不休」,依据 Auto EDU 的核算,美国的半挂保有量大约为 200 万辆,均匀行进路程超越 20 万公里/年,货运公司常常挑选在第三年进行大修保护,均匀每台半挂的生命周期典型行进路程能够抵达 100 万英里(160 万公里)。

关于半挂这样长时刻继续地满充溢放需求 + 均匀 160 万公里的全生命周期路程需求,特斯拉当时的电池技能才能是无法满意的。

在纯电动乘用车商场如虎添翼的特斯拉,换到纯电动商用车商场,遇到了一些真实的应战。让我把问题说得更清晰:特斯拉 2170 电池 30-50 万公里的使用寿数不足以支撑半挂的 160 万公里的运营需求。

Jeff Dahn 其人

2015 年 6 月,特斯拉宣告与 Jeff Dahn 实验室抵达了未来五年协作方案。

Jeff Dahn 是公认的锂电池研讨前驱,曩昔 20 多年来,他宣告了超越 640 篇论文,一起仍是 65 项发明的一起发明人。

JeffDahn 试乘 Model S

他做研讨的风格偏日本学术界而非美国——十分热衷于与工业界进行深度沟通与协作。在牵手特斯拉前,Jeff 先后和 NEC、Moli Energy、NSERC /3M 等多家商业巨子进行锂电池商业化方面的研讨工作。

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 来抵达尔豪斯大学,提早确定了 Jeff Dahn 与 NSERC/3M 协作于 2016 年 6 月到期后未来五年(2016 年 6 月-2021 年 6 月)的合约。

Jeff Dahn 长时刻致力于提高锂电池能量密度、改进寿数和下降成本这三大研讨方向,这与特斯拉对动力电池的诉求高度一致。在前沿技能研制方面,他说过这么一句话:

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

咱们的方针是做一些有意义的东西,而非在《天然》或相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「特斯拉不会专心于研讨电池化学技能,咱们的打破是成功完结了前沿电池技能的商业化使用。」不约而同。

在特斯拉发布 Gigafactory 超级电池工厂方案后,Jeff Dahn 表态说:我有必要参加其间。现在,他所领导的技能打破在特斯拉任务落地中现已变得不可或缺。

5300 次循环,3% 衰减

咱们对中等能量密度的软包三元锂电池进行了广泛的测验......咱们得出的结论是,这种电池支撑驱动电动轿车行进超越 160 万公里,并在电网储能使用中至少继续 20 年。

这是 Jeff Dahn 研讨小组论文的榜首段话。在后面的章节咱们了解到,Jeff 小组花了十年时刻对各种不同化学特性的正负极、电解液摆放组合进行测验,终究就单晶 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验。

在长时刻充放循环测验中,Jeff 小组优先考虑对电池进行 100% DoD(即电压介于 3.0V-4.3V 区间的满充溢放)测验,这一测验办法更挨近商用车苛刻的补能场景。

终究的测验成果显现,20 度工况下的单晶 NCM 523 展示出了极为超卓的功用,在完结 5300 次循环后电池容量依然能够抵达初始容量的 97%。在完结 5300 循环后,Jeff 团队拆解了电池正极成像,能够看到单晶资料展示出了强壮的结构稳定性,正极微粒中几乎没有呈现多晶资料在满充溢放后常见的微裂纹。

Jeff Dahn 以为,单晶资料晶体内部的微粒在三维空间呈有规则地、周期性地摆放,这种结构稳定性是正极功用几乎没有衰减的首要原因。

即便依照体现最差的 40 度工况来看,依照最恶劣的使用场景反向推演(100% DoD,行将电动车电池容量使用到 0 去充电,充到 100% 中止充电,且车辆全生命周期严厉遵从上述补能逻辑),电池衰减到 70%(特斯拉的质保衰减规范)也要花费十年时刻跑完 3650 个循环,累计续航路程依然可达 120 万公里。

而在实践的使用场景中,即便是补能场景更恶劣的商用车,也很少能做到 100% DoD。Jeff Dahn 以为,在实际场景中更可控的温度条件和杂乱多元的补能逻辑下,电池循环寿数的体现会好得多。

电池达不到商用车运营需求,推进 Jeff Dahn 研制出超长续航电池。如无意外,故事到这儿本该完毕了。

但是,乘用车呢?

把大象放进冰箱需求几步?

2016 年 1 月,Elon 忽然宣告,特斯拉主动驾驭技能将在未来 24-36 个月内安排妥当。依照最达观的估量,你可能在两年后从洛杉矶主动驾驭到纽约。

这个预判对特斯拉产生了深远的影响,直到今日,每逢特斯拉的产品 & 服务 & 功用呈现跳票,「马斯克还说 2018 年特斯拉就完结主动驾驭呢」就会被当作典型事例拿出来批评一番。但鲜有人关怀,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 财报会议上宣告特斯拉的动力总成运转路程方针从 20 万英里调整为 100 万英里(160 万公里)。

十几天后,特斯拉宣告安排架构调整,Elon 接收 Autopilot 软件团队并将该事务重要性提高至超高优先级(Super High Priority)。

一个月后,芯片皇帝 Jim Keller 和 Pete Bannon 携其团队团体参加特斯拉,FSD 芯片研制团队建立。

一大波完好密布的布置之后,Elon 发布方针:特斯拉主动驾驭技能将在未来 24-36 个月内安排妥当。

就像「把大象放进冰箱需求几步」相同,主动驾驭轿车落地需求几步?你需求做到以下三点一起安排妥当:软件、硬件和车队。

主动驾驭软件体系安排妥当,需求将主动驾驭进一步拆解为几个细分功用,包含主动泊车、主动辅佐导航驾驭(NoA)、辨认信号灯及路标并做出反响(TSR)、城市主动辅佐驾驭、智能呼唤。如你所知,在 V10 版别推送后,特斯拉还需求完结 TSR 和城市主动辅佐驾驭研制测验和推送。

主动驾驭硬件体系安排妥当,意味着你需求做到感知、电源、定位、核算、决议方案、操控(转向和制动)冗余。跟着 Autopilot HW 3.0 车型的量产,除了感知,主动驾驭硬件体系全部安排妥当。

车队安排妥当,比大多数人幻想得愈加杂乱。所有人都在说,主动驾驭技能的完结将使得车辆的搁置率大幅下降,车辆的行进路程数大幅添加(Elon 猜测主动驾驭轿车运转路程将添加 5 倍)。有没有想过,乘用车的规划是否足以支撑大幅添加的行进路程?

2019 年 4 月 13 日,一位网友通过大略的核算表明,主动驾驭技能的落地将使得打车渠道的毛利率从当时的 20% 左右提高到 50+%。这个模型的条件是车辆运转寿数抵达 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依照商用车 160 公里的全生命周期运转路程规划的。

Elon 的话没讲完。10 天后的特斯拉主动驾驭投资者日上,Elon 的讲演全盘托出了特斯拉的野心。

低于 3.8 万美金的整车本钱、160 万公里的车辆运转路程(电池)、3.5 英里/kWh 的超低能耗本钱。

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 a365bet世界足球冠军bout 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......在这些人的尽力下,特斯拉规划运转路程 160 万公里的电池组,将于 2020 年年末量产。

在这张 PPT 的前一页,Elon 直接搬出了特斯拉隐秘雄图之第二华章(Master Plan Part Deux)中的规划:

在出行需求超出私家车的城市,特斯拉将布置自己的车队。保证不管你身在何处,咱们的主动驾驭轿车随叫随到。

巨子回身,群敌环伺,什么是特斯拉的主力?

2019 年 6 月 11 日,特斯拉 2019 年度股东大会。

(在 4 月 23 日主动驾驭投资者日后),咱们会举行电池和动力总成投资者日,咱们将不惜一切代价,保证咱们的电池生产规划以最快的速度扩张。

假如我是外部投资人,我会高度重视两件事:主动驾驭的时刻表和电池产能扩展及每千瓦时本钱下降方案。

电池和主动驾驭,这是特斯拉最重要的两个战略重心。

底牌全部挑明,特斯拉没有隐秘。

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