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汽车工程师眼中的特斯拉:成功靠营销 电池是命门

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发布日期:2014-08-13   我要评论(0)
核心提示:论点1、电动车的优点 2、锂电池并不绿色 3、电池组保修8年有点悬 4、无人驾驶会成为主流

    最近,美国特斯拉电动汽车进军中国市场的新闻屡屡登上媒体头条。那么,特斯拉有何过人之处?它是否符合汽车发展的潮流?其安全系数如何?作为先后混迹于美国三大汽车公司(福特、通用、克莱斯勒)的工程师,笔者也想谈谈自己对特斯拉的看法。
 
    在讨论特斯拉之前,先简单介绍一下电动汽车相关的背景知识。这篇文章中所说的电动汽车,单指自带驱动电源的纯电动车,不包括混合动力汽车和有外接电源的车辆(如有轨电车)。
 
    如果拿人走路打比方的话,发动机和电池相当于输出能量的心脏,中间的传递系统相当于传递能量的骨骼和肌肉,最后带动双脚——车轮前进。如上图所示,电动车和汽油车都有“心脏、骨骼、肌肉、双脚”,但两者的能量传递路线是不一样的。
 
    比起传统燃油汽车,特斯拉的底盘结构相当简单,节省了很多空间。
 
    电动车不产生尾气
 
    电动车的优点不少:
 
    第一是节能。众所周知,传统汽车的能量来源是石油。相对于其他主要能源形式,石油储量少且不可再生。尽管近几十年来,围绕“剩余石油还够开采多少年”这个问题,专家们展开了多次争论,但是原油储量不断减少,并且产量已经达到峰值却是不争的事实。相信车主们面对不断攀高的油价,一定会认同这一点。
 
    同时,由于主要石油产地(中东地区、俄罗斯、中亚国家)和主要石油消费地(美国、西欧、东亚)的不一致,围绕着石油的控制权,数十年来各相关国家展开了激烈的政治、经济甚至军事博弈。这个问题对我国来说也至关重要。2013年,中国超过美国,成为世界最大的石油进口国,石油对外依存度逼近60%。因此,发展电动汽车,降低石油对外依存度,对中国的经济安全、地缘政治安全有重大意义。
 
    电动车用的是二次能源——电能。电能的来源十分广泛,除了储量比石油丰富很多的煤以外,还有可再生的水能、风能、太阳能,以及潜力巨大的核能。因此,如果电动车能广泛普及,不仅会对人们的生活方式产生重大改变,对全球地缘政治格局也会有所改变。
 
    电动车的第二个优势是帮助对付雾霾。汽车尾气是城市雾霾的重要来源。目前,各国对汽车尾气排放的标准越来越严。而电动车在运行时自身不排放尾气,在城市的空气污染治理方面优势明显。就总的污染量来说,虽然燃煤发电也会有污染物,但是用大型发电厂和分散的内燃机汽车相比,能源利用效率更高,发电厂对于废气的集中处理也能让废气排放量降低。
 
    第三点是传动和控制的优势,这一点涉及电动车传动的一些特点。举例来说,汽油发动机运行在上千摄氏度、几十个大气压的恶劣工况下,需要精密的制造技术、控制技术,和复杂的润滑系统、散热系统(散热系统还不停地把宝贵的汽油燃烧的热量白白散发到大气中)。发动机需要定期保养,换机油。而且发动机需要通过复杂的变速箱、传动轴、减速器,才能把能量传递给车轮。大部分传递过程都是通过金属的齿轮和轴承的“硬连接”。所有的部件都需要复杂的制造工艺并且容易损坏(想想各大车厂因为自动变速箱出问题搞了多少次召回)……
 
    所有这一切的麻烦,在电动车这里都不是问题。电动车的电池、电动机会发热,但是比起内燃机的散热要容易处理得多。电动车的能量传递也不需要复杂易损的“硬连接”,“软”的导线就好了。由于电系统的控制技术相对更为成熟,电动车的控制相对来说容易很多。
 
    比如,很多人都知道,电动车加速性能比汽油车要好。这是因为电动机调节功率比内燃机容易。再举个例子,电动车可以比较容易实现在每个轮子上都单独装一个电动机,分别控制每个轮子的转速。这样车的转向性能会产生飞跃。而由于传动问题,这在传统汽油车上几乎无法实现。
 
    再比如,传统汽油车上,也要安装一套发电—电池系统,用于车上各种电子控制系统、车载娱乐系统的电源。而电动车就可以合二为一,大大降低成本。
 
    锂电池并不绿色
 
    前面讲了这么多电动车的优点,那么它有没有缺点或隐忧呢?应该说,问题很大,非常之大。电动车目前所有的问题,都可以归结到电池上。
 
    首先,由于技术的限制,现在的电池容量有限。也就是说,在一定的重量/体积/成本下,目前的车载电池可以储存的电能量有限,而这却与电动车的行驶里程直接相关。根据美国环境保护署(EPA)的测试数据,单次充满电后,美国特斯拉公司“modelS”型车的行驶里程为426公里;日本日产公司的“Leaf”型车是121公里;德国宝马公司的“ActiveE”型车为151公里。由此可见,除了特斯拉,其他电动车的行程都比较有限。但是,特斯拉为此是下了血本的。
 
    其次,现在的电池以锂电池为主。目前锂电池的生产(包括锂矿开采)、使用和回收过程对环境的影响有很多争议。同时,锂矿在全球的分布极不平均,改为电动车以后,会不会受制于产锂国,也是很多国家担心的问题。
 
    特斯拉的电池内观
 
    电池组保修8年有点悬
 
    前文提到,电池容量是电动车的核心问题。可惜万人瞩目的特斯拉电动车在电池方面并无过人之处。和诸多同行自行研制生产(如比亚迪)或者合资生产电池相比,每辆特斯拉使用了数千颗从日本松下公司购买的18650型锂离子电池。
 
    要知道,18650电池组应用最多的是笔记本电脑,而笔记本电脑的电池通常也就用个三四年,特斯拉却为ModelS的电池组提供了长达8年的质量保修。姑且不谈电池这样的核心部件受制于供应商的问题,即便是特斯拉的电池管理技术十分出众,笔者也很担心,特斯拉这一承诺有点悬,将来可能会为此背上沉重包袱。
 
    在电池管理技术和控制技术方面,电池管理系统(BMS)的主要任务是提高电池的利用率,防止电池出现过度充电和过度放电,延长电池的使用寿命,监控电池的状态。此外,电池管理系统还要监控电池系统的温度,控制散热系统,防止过热等。
 
    前文表格为笔者整理的、目前市场主流电动车的电池容量、行程和平均每公里的耗电量。从每公里的耗电量这一项,可以大致看出生产厂电池管理和控制技术的水平:特斯拉和其他主流车型相比,并无明显优势。
 
    另外值得一提的是,比亚迪虽然在控制技术上和德国、美国、日本的大公司有一定差距,但比亚迪强势的电池技术弥补了其不足,在中低端电动车市场上,行程有较大优势的比亚迪会有较强竞争力。
 
    另外,在安全问题上,特斯拉的车一直有较大争议。在数起碰撞—着火事故发生以后,美国交通部下属的高速公路交通安全管理局对特斯拉的ModelS型车进行了安全调查。
 
    据《纽约时报》报道,在特斯拉表示会为电池增加额外的保护层之后,高速公路交通安全管理局结束了对ModelS型车的安全调查。
 
    2013年11月6日,一辆黑色的特斯拉ModelS型车,在美国田纳西州纳什维尔与一辆牵引车追尾后,因底盘受损导致起火。
 
    无人驾驶会成为主流
 
    作为汽车行业工程师,笔者认为在可预见的未来,汽车行业主要会有两方面的进展。
 
    一是动力方向。厂商会一边持续改进汽油发动机,以满足政府在燃油经济性和尾气排放方面日益严格的要求;一边继续投入研发混合动力和电动车(包括锂电池和燃料电池)。虽然未来的大趋势是电动,但由于电池性能改进的缓慢和不确定,未来电动车是否能成为主流,形势并不明朗。
 
    除了动力方向这些“心脏、肌肉、骨骼”方面的改进,汽车行业未来发展的另一个大方向是升级车的“神经系统”。目前,已经实现的内容包括给汽车安装“眼睛”——摄像头和“耳朵”——雷达。以后的主要工作是逐步增强汽车“大脑”的功能,使它逐步能识别自己“看到”和“听到”的事物,并且学会自己安全地“走路”。
 
    从目前已经开始大规模推广的主动安全(防碰撞、自动泊车)这样的“卖点”,逐步过渡到自动巡航,最后达到自动/无人驾驶。这些性能的实现主要依赖于软件的改进,不像电池、汽油发动机的改进受限于材料学、热力学方面的“硬”条件。从主动安全到无人驾驶,目前已经有比较清晰的路线图。
 
    个人认为,10至20年内,无人驾驶就会成为主流。
 
 
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