对特斯拉,每个车企都应怀敬畏之心!

2019-10-21 | 浏览:4138 | 评论:1

——本文系《二师兄研究所》第10期

说心里话,我并不想把以电能作为驱动能源的车辆称为“新能源汽车”,因为早在1834年,美国佬托马斯·达闻波特就制造出了第一辆直流电机驱动的电动车。

在随后的第二次工业革命中,采用蓄电池技术的电动车已经在欧美得到了广泛应用……

时隔一百多年,当电力再一次被重拾回四轮民用车上的时候,很多人都不再看好这种比加油便宜,但更麻烦的汽车驱动形式。

直到十几年前……

颇具戏剧性的是,在“石油压根儿不值钱”的美国,发展起来了一家以科技为导向、以实用为基础的纯电动车企——特斯拉,用我们现在的话讲,就是“造车新势力”。

不同的是,这家十几年前成立的“造车新势力”带动了汽车行业的错位发展!

就连信奉“V8即真理、自吸即正义”的红脖子,都开始在特斯拉的影响下逐渐接受起纯电动汽车来。

没有“新能源补贴”的美国,特斯拉凭借什么走上正轨?

纵观国内各大“新能源”汽车制造商,很大一部分品牌之所以成立,都着眼于高额补贴利益。

但你要问有几家“新能源”车企是认真造车的,恐怕少之又少。

就算这些企业能够把纯电动产品造出来,但最直观的问题就是存在续航里程低、能量补充速度缓慢、热管理效能低等问题。

并且,在产品上普遍较为廉价,就算是某些冲刺高端的品牌,也仅仅是让消费者一厢情愿罢了,论结果,仍然不会对国内的传统车企造成大的风波。

特斯拉为什么敢于挑战燃油车的地位?

很大的原因就在于:特斯拉考虑到了一辆车的本质是为了方便通勤,而不是让消费者买回去当“爹”给供着。

因此,动力电池成了特斯拉必须要攻克的第一道关卡,他们的团队也确实在这方面倾注了很多心血和经费。以特斯拉Model S为例,其动力电池系统约占全车成本的1/3。

从动力电池系统的角度看,超过70%的成本来自单体电池。聊到这里不得不提一下,特斯拉在动力电池领域有一个“好帮手”,那就是松下。

2008年,特斯拉发布了旗下第一款车Roadster,从那时开始,特斯拉就始终将松下的单体电池作为动力电池包的核心构件。

特斯拉Model S和Model X两款较早量产的车型,使用松下NRC18650三元锂电池,完成封装之后的动力电池包,其能量密度为160W·h/kg。

刚上市不久的特斯拉Model 3,使用的单体电池型号为NCR21700,这款电池由特斯拉在松下协助下研发,单体电池的能量密度达到了300W·h/kg。

直接参与研发也让特斯拉新一代动力电池包的成本从NRC18650时代的$171/kW·h,降低到了如今的$111/kW·h。

通过新的封装技术、优化的冷却系统设计,以及更新后的能量管理和热量管理算法,特斯拉Model 3的动力电池包可以实现250W·h/kg的能量密度,以及近600km的最大续航里程。

单体电池的能量密度提高了,成本降低了,但并不代表一切问题都解决了。

动力电池包是由一个个单体电池连接构成的,因此,实时监控动力电池包内部情况就显得尤为重要。

特斯拉公司的工程团队将若干个单体电池封装成一个电池砖;将若干个电池砖串联成一个电池片;再用11个电池片组成一个动力电池包。

电池组的每一层,都进行了严密的监控,在每个单体电池、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,以此避免因某个电池出现异常情况(过热或电流过大)时影响到整个电池包。

在每个电池片上,均设置有电池监控板(BMB,battery monitor board),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,设置有电池系统控制器(BSM,battery system monitor),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,设置有车辆系统控制器VSM (vehicle system monitor),用以监控BSM。

在车辆发生碰撞的时候,电池的外部结构可以保护电芯免受冲击并自动切断电源。

特斯拉开发的电池管理系统的优势在于:能够准确估测电池单体的荷电状态(State of Charge,SOC),保证 SOC 维持在合理的范围内,防止由于过充电或过放电对电池造成损伤。

小结:

说白了,纯电动汽车的终极研究方向不仅在于增加电池密度从而延长续航里程,更在于电池管理系统的解决办法。因为,堆电池的方法大家都能做,而且,就当前的物理特性而言,电池还是有很大局限性的。比如我买一辆新车,续航里程可以达到宣称的300公里甚至500公里,但长期使用之后呢?没有完善的电池管理技术,必然就会导致电池衰减,从而大大降低车辆的续航效能。因此,堆电池不是正确的方向,只有延长电池正常使用寿命,才是最好的方法。

纯电动好不好开,还得看电机和电控的技术储备

相比于燃油汽车,纯电动的优势除了节约钱之外,还有一个重要的点,那就是好开。

这里的“好开”,不是传统意义上的换挡冲击,而是在电机的驱动下,动力的强大线性输出。

还记得游戏GTA5里面的那辆纯电动小跑车吗?在悄无声息之中将速度瞬间攀升至120英里每小时……

但,游戏始终是游戏。

在目前,很多国内的“新能源”车企都在纠结动力性:“我把电机功率做高了,那续航里程不得成倍数缩小?算了算了,还是控制一下输出,保留续航持久吧!”

所以,很多国产的纯电动汽车开起来并不爽,加速感受甚至还不如同价位的燃油车来得刺激。

但特斯拉偏偏不信邪,Model S高性能版在续航650km的情况下,2.6秒破百。

甚至,在GTA5游戏中,那辆开起来贼爽的纯电动小跑车原型就来自于特斯拉Roadster。

这个品牌所用的电动机,为自主研发的三相感应电机,拥有最优化的缠绕线性,能够最大限度的减少阻力以及能量损耗。

以其他车企普遍采用永磁式同步电动机不同,特斯拉使用的是(铜制转子)三相四极交流感应式电动机,这种电机体积小、重量轻,且可以瞬时输出最大扭矩,在全生命周期内,基本无需保养。

为了在一定程度上摆脱对稀土(制造永磁电机的必需品)的依赖,特斯拉选择使用感应式电动机。

为了让电动机可以承受更高负载,特斯拉给感应式电动机使用了铜芯转子。

但是,金属铜熔点过高,很难以控制成本的方法进行大体积部件的铸造。

因此,特斯拉的技术人员发明了表面镀银的铜质楔子,将其插入铜条端部的间隙之中,实现节约成本和规模化生产的目的。

由于动力电池包只能提供直流电,因此,车辆还配备了具有变频驱动功能的逆变器。制动系统也配备了动能回收功能,最大限度地利用电能,提升车辆续航能力。

电动四驱带给了特斯拉 Model S 超强的加速表现,在车辆前桥和后桥分别安装驱动电机,使四个车轮同时进行动力输出。

与机械四驱不同,电动四驱没有传动轴和轴间差速器,因此,平衡前后车轮的转速差,就需要电控程序来执行。

这就是近些年电动汽车制造商经常提到的转矩矢量控制,即实时读取车轮转速,并通过调节电动机转速和改变扭矩输出方向来平衡同轴两侧车轮,以及前后车桥之间的转速差,从而实现车身稳定。

但是,正逐渐开始进入大规模量产的特斯拉Model 3,将驱动单元换成了永磁式电动机。

根据特斯拉驱动系统专家解释,Model 3的定位是“走量”,因此,需要考虑最大限度地实现规模化成本优势,永磁式电动机显然比感应式电动机更有优势。

说得再功利一点,特斯拉已经在中国上海投资建厂,应该也就不那么担心在采购稀土时“吃亏”了。

小结:

还是那句话,续航的延长,不应该牺牲驾驶感受。动力是个很玄学的东西,一辆动力迟滞严重的电动车,肯定不是大众所能接受的“新能源”。试想,在三五十年之后,我们的后代开着一辆动力延迟如蜗牛的电动汽车下班,回家打开电视观看比拼换电池速度的 Formula E,怎会想起几十年前,充满速度与激情的时代?

面向未来的出行,应该是高效与安全的融合

播报本台最新消息:2059年7月11日,一辆行驶于无人驾驶高速公路环线的小型电动跑车由于自动驾驶仪器故障,以300公里的时速追尾一辆80公里时速正常行驶的氢气罐车,事故导致环线瘫痪、数十辆自动驾驶汽车损毁,幸未造成人员伤亡……

的确,自动驾驶技术是一项面对未来的命题。

但今天下定结论,还为时过早。

因为,有包括特斯拉在内的很多车企,都在研究这一技术。

从目前的情况来看,特斯拉虽然在自动驾驶模式中出现过很多事故,但从应用范围和距离长度来看,特斯拉是最为接近未来自动驾驶的品牌。

作为科技公司和电动汽车厂商,特斯拉的自动驾驶功能当然是必不可少的“噱头”。

多年来,特斯拉网罗了很多来自硅谷各大电子科技公司的人才,在自动控制、算法、传感器技术和人工智能等方面有着出色的基础。

电动转向、电力驱动、线控制动这些电动汽车的常规配置,也让自动驾驶实现起来比传统汽车更方便。

特斯拉给自己的自动驾驶功能,命名为Autopilot(自动航行)。

但不幸的是,从推出至今,因该功能潜在缺陷或驾驶员应用不当而引发的事故数量,不在少数,有些事故甚至造成了人员伤亡。

客观来说,看过专业技术机构对Autopilot控制逻辑的分析结果后,这套系统的功能尚不足以承担替代驾驶员完全驾驶操作的任务。

但是,早年间特斯拉对Autopilot的宣传,却容易让用户误解成“Ta这就是自动驾驶”。

在新技术从概念变成产品的过程中,失败和损失,是几乎不可避免的。

特斯拉也已经在近5年来收集了十数亿公里的道路驾驶数据,已实现车辆智能控制系统各类功能的迭代升级。

毫无疑问,人们期待自动驾驶技术可以早日实现,但前提是,足够安全。

小结:

从目前的情况来看,自动驾驶技术同样处于瓶颈之中。因为这一技术的完善不光是车本身需要做的,更需要道路与各种交通设施的整合。所以,但从汽车本身的控制仪器来讲,特斯拉的自动驾驶模块确实是足够先进的了。

要高效,也要安全

如同单体电池不希望内阻过大,电动汽车必然也不希望有限的电能被过多浪费在与行驶和功能无关的地方。

因此,控制车辆的重量就变得尤为重要。

为了足够的电容量,动力电池包的体积很难缩小,重量也没有减轻的余地,要想轻量化就只能从车身下手。

而减重,也不是一味地使用轻质材料,材料和结构的强度同样必须得到正,否则,在碰撞安全方面很难过关。

特斯拉的工程师找到了兄弟公司Space X,并从航天技术中,获得了全铝车身及底盘的设计和应用知识。

特斯拉采购美国铝业公司(Alcoa)生产的铝材,还建设了北美地区规模最大的液压冲压车间。

所有用于制造特斯拉汽车覆盖件板材,都经过慢速冲压,以尽量减少热量和翘曲对成型件的影响。

冲压完成的板材,还需要经过精密的激光切割,才能达到最终的应用标准。

挤压件、冲压件和铸造件的合理组合,实现了足以满足需求的刚度和强度。

高强度的结构,不仅能保护车内乘员,还能提供更好的整体操控性。

特斯拉 Model S 是 2014 年唯一一款同时获得欧洲 Euro NCAP 和美国高速公路安全管理局(NHTSA) 5星最高评分的车型。

相比传统钢材,铝材料本身具有更好的金属延展性,因此,当碰撞发生时,可以更有效地溃缩以吸收冲击力。

同时,车身框架使用高强度材料予以加固,撞击时能够有效吸收能量,且不会造成驾驶舱变形,给予驾乘人员足够的生存空间。

特斯拉Autopilot系统中的前置摄像头、雷达、360°超声波传感器等硬件,能够探测车身周围约5m范围内的障碍物,提升车辆在狭小空间或停车时的安全性。

在车外行人保护方面,车辆正面的传感器在判断出碰撞不可避免时,会让前部行李舱盖升高,以尽可能减轻被撞行人受到的伤害。

另外,特斯拉公司最近更新了Autopilot的自动紧急制动(AEB)功能的算法,更新后的AEB会在传感器检测到前方有人或骑行者试图穿越车辆行驶线后,第一时间减速,以避免碰撞伤害。

小结:

汽车安全分为被动安全和主动安全,特斯拉通过材料的应用和设计的革新,实现了尽可能少的电能浪费,和尽可能大的安全系数。此外,特斯拉利用Autopilot系统中的很多传感器实现了可靠的主动安全,并且正在对车外行人的保护进行逐步完善。

结束语:

从第一次工业革命到第三次信息革命,时代进步的终极原因是什么?那便是科技的进步。或许,电力驱动汽车并不是一个新鲜玩意儿,从小朋友玩的遥控车再到矿山上使用的矿石搬运车,都是由电力所驱动。在现阶段的民用车领域,突破瓶颈的关键不仅仅是电池技术、电机技术、自动化技术的单向发展,而是融合互补,共同促进整车的性能优势。所以,国内很多新能源汽车虽然在各个单项环节上做出了突破,但它们很难将各种技术所融合;整车的匹配整合,却正是特斯拉的优势所在。因此,希望国内的车企不要在某个单项上超越了,“标杆”就沾沾自喜,未来的道路,还很漫长!

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