那時的 Elon 也許并沒有想到,半掛項目會加速特斯拉在電化學領域新興技術的商業化進程。

2017年11月17日,特斯拉半掛正式發布。

特斯拉半掛發布伊始就引發了廣泛關注,沃爾瑪、DHL、聯邦快遞都表現出了濃厚興趣并直接用訂單投票。

續航160萬公里鋰電池 特斯拉的最后一張底牌

2018年Q1 的財報會議上,Elon 宣布半掛積壓訂單已經達到 2000 個。即使按照 20萬美元標準版車型的售價,高達 4 億美元的增量營收已經板上釘釘。

更重要的是,在 2017年Q1 的財報會議上,Elon 特別提到了半掛可預期的高毛利率。半掛的三電、中控和智能座艙組件都會與 Model 3 共享,比如半掛的 4 臺電機都是 Model 3 同款電機。前特斯拉 CTO JB Straubel 說,卡車項目遠沒有一個常規的技術項目那么復雜。

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大量的零部件共用極大地縮短了產品研發周期,大幅降低研發、制造和供應鏈管理的投入資源,規模效應驅動下的 BOM 成本有了更可觀的下降空間。無論從哪一個角度,半掛都是特斯拉有史以來最利好財務數據的一款產品。

但到了 2019年Q1 的財報會議上,我們發現事情的走向并沒有像我們預期的那樣發展。

已經升任特斯拉汽車業務總裁的 Jerome 發表了一番自相矛盾的言論:一方面,特斯拉半掛原型車 working amazingly well(運行得令人驚訝的好);另一方面,原定于 2019 年量產的半掛將推遲至 2020 年量產。

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Semi原定于 2019 年量產

問題出在哪里?

純電動半掛的命門

Jerome 沒有撒謊,但他隱藏了一個關鍵問題。而這個問題,就是半掛量產推遲的直接原因。

為了說明問題,我們需要先引入一個電化學概念:放電深度(Depth of Discharge),即電池組中可用容量占額定容量的百分比。舉一個例子:Model 3 長續航版額定容量為 80.5 kWh,可用容量為 78 kWh,那么設計 DoD 就是 78/80.5=96%。

鋰電池的有一個特性,電池循環壽命和 DoD 成反比,DoD 從 100% 降到 50% 可以帶來至少 400% 的循環壽命次數增長。

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如果你的 Model 3 經常深度充/放電,那么電池的可用容量就會按照設計循環壽命的規格衰減。按照特斯拉的定義,2170 電池會在 1500 次循環后衰減至初始容量的 80%。如果堅持執行滿充滿放的補能習慣,那么在 1500 次循環后,你的 Model 3 電池容量就會衰減到初始容量的 80% 左右。

商用車和乘用車的差異點來了:沒有乘用車會長期持續地滿充滿放,但商用車在生命周期的絕大多數場景下都接近于滿充滿放。

美國特拉華大學的研究員 Nathaniel S. Pearre 調研了 484 輛燃油乘用車(規避了純電動車基礎設施不夠完善,出行距離偏短的影響),即便是在地廣人稀的美國,484 輛乘用車的平均行駛里程僅為 52 km/天,絕大多數車輛的單日行駛里程在 0-80 km 區間內。

也就是說排除一年僅有的幾次長途出行場景,在絕大多數時候,純電動車主只需要淺充淺放就可以完全滿足出行需求。

考慮到特斯拉旗下續航最短的 Model 3 標準增強版的 EPA 續航里程都達到了 385 km,對于特斯拉車主而言,滿充滿放以滿足出行需求的場景是極為少見的。

這意味著特斯拉官方設定的放電深度接近于無意義,而絕大多數車主都能獲得遠超設計規格的全生命周期行駛里程和緩慢的電池衰減速度。

換到商用車,也就是特斯拉半掛卡車,補能邏輯恰恰相反。

根據美國聯邦運輸安全管理局(FMCSA)的規定,半掛司機連續行駛至多 8 個小時后須強制休息 30 分鐘,但在商用車的應用場景中,這個規定形同虛設。對于追求運營效率最大化的貨運公司來講,絕大多數時候貨運車隊都是不分晝夜,2-3 名司機交替駕駛來運營的。所謂「人休車不休」。

這就要求特斯拉半掛續航里程必須做到足夠長,同時補能做到極度方便。對于這兩個問題,特斯拉分別通過單程 EPA 續航 800 km 和充電 30 分鐘行駛 640 km 的 Megacharger 超快充網絡來盡可能降低純電動力總成對貨運效率的影響。

但問題在于,Model 3 續航 385 km,平均行駛里程 52 km/天,實際放電深度只有設計放電深度的 13.5%;特斯拉半掛續航 800 km,假設平均行駛里程 750 km/天,實際放電深度達到設計放電深度的 93.75%。

事實上,750 km/天是相當保守的估計。除了前面提到的「人休車不休」,根據 Auto EDU 的統計,美國的半掛保有量大約為 200萬輛,平均行駛里程超過 20萬公里/年,貨運公司經常選擇在第三年進行大修維護,平均每臺半掛的生命周期典型行駛里程可以達到 100萬英里(160萬公里)。

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對于半掛這樣長期持續地滿充滿放需求 + 平均 160萬公里的全生命周期里程需求,特斯拉當前的電池技術能力是無法滿足的。

在純電動乘用車市場如魚得水的特斯拉,換到純電動商用車市場,遇到了一些真正的挑戰。讓我把問題說得更明確:特斯拉 2170 電池 30-50萬公里的使用壽命不足以支撐半掛的 160萬公里的運營需求。

Jeff Dahn 其人

2015年6 月,特斯拉宣布與 Jeff Dahn 實驗室達成了未來五年合作計劃。

Jeff Dahn 是公認的鋰電池研究先驅,過去 20 多年來,他發表了超過 640 篇論文,同時還是 65 項發明的共同發明人。

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JeffDahn 試乘 Model S

他做研究的風格偏日本學術界而非美國——非常熱衷于與工業界進行深度交流與合作。在牽手特斯拉前,Jeff 先后和 NEC、Moli Energy、NSERC /3M 等多家商業巨擘進行鋰電池商業化方面的研究工作。

2015年6 月,前特斯拉 CTO JB Straubel 和前特斯拉首席電池科學家 Kurt Kelty 開著一輛 Model S 來到達爾豪斯大學,提前鎖定了 Jeff Dahn 與 NSERC/3M 合作于 2016年6 月到期后未來五年(2016年6 月-2021年6 月)的合約。

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Jeff Dahn 長期致力于提升鋰電池能量密度、改善壽命和降低成本這三大研究方向,這與特斯拉對動力電池的訴求高度一致。在前沿技術研發方面,他說過這么一句話:

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

我們的目標是做一些有意義的東西,而非在《自然》或類似的學術期刊上發論文。

這與前特斯拉首席電池科學家 Kurt Kelty 秉承的「特斯拉不會專注于研究電池化學技術,我們的突破是成功實現了前沿電池技術的商業化應用。」不謀而合。

在特斯拉公布 Gigafactory 超級電池工廠計劃后,Jeff Dahn 表態說:我必須參與其中。如今,他所領導的技術突破在特斯拉使命落地中已經變得不可或缺。

5300 次循環,3% 衰減

我們對中等能量密度的軟包三元鋰電池進行了廣泛的測試......我們得出的結論是,這種電池支持驅動電動汽車行駛超過 160萬公里,并在電網儲能應用中至少持續 20 年。

這是 Jeff Dahn 研究小組論文的第一段話。在后面的章節我們了解到,Jeff 小組花了十年時間對各種不同化學特性的正負極、電解液排列組合進行測試,最后就單晶 NCM 523 正極、石墨負極電池在 20、40 和 55 度的溫度條件下進行了長達三年的充放電測試。

在長期充放循環測試中,Jeff 小組優先考慮對電池進行 100% DoD(即電壓介于 3.0V-4.3V 區間的滿充滿放)測試,這一測試方法更接近商用車嚴苛的補能場景。

最終的測試結果顯示,20 度工況下的單晶 NCM 523 展現出了極為出色的性能,在完成 5300 次循環后電池容量仍然可以達到初始容量的 97%。在完成 5300 循環后,Jeff 團隊拆解了電池正極成像,可以看到單晶材料展現出了強大的結構穩定性,正極微粒中幾乎沒有出現多晶材料在滿充滿放后常見的微裂紋。

Jeff Dahn 認為,單晶材料晶體內部的微粒在三維空間呈有規律地、周期性地排列,這種結構穩定性是正極性能幾乎沒有衰減的主要原因。

即使按照表現最差的 40 度工況來看,按照最惡劣的應用場景反向推演(100% DoD,即將電動車電池容量使用到 0 去充電,充到 100% 停止充電,且車輛全生命周期嚴格遵循上述補能邏輯),電池衰減到 70%(特斯拉的質保衰減規格)也要花費十年時間跑完 3650 個循環,累計續航里程仍然可達 120萬公里。

而在實際的應用場景中,即便是補能場景更惡劣的商用車,也極少能做到 100% DoD。Jeff Dahn 認為,在現實場景中更可控的溫度條件和復雜多元的補能邏輯下,電池循環壽命的表現會好得多。

電池達不到商用車運營需求,推動 Jeff Dahn 研發出超長續航電池。如無意外,故事到這里本該結束了。

可是,乘用車呢?

把大象放進冰箱需要幾步?

2016年1 月,Elon 突然宣布,特斯拉自動駕駛技術將在未來 24-36 個月內就緒。按照最樂觀的估計,你可能在兩年后從洛杉磯自動駕駛到紐約。

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這個預判對特斯拉產生了深遠的影響,直到今天,每當特斯拉的產品 & 服務 & 功能出現跳票,「馬斯克還說 2018 年特斯拉就實現自動駕駛呢」就會被當作典型案例拿出來批判一番。但鮮有人關心,2016年1 月前后特斯拉發生了什么。

2015年11 月,Elon 在特斯拉 2015年Q3 財報會議上宣布特斯拉的動力總成運行里程目標從 20萬英里調整為 100萬英里(160萬公里)。

十幾天后,特斯拉宣布組織架構調整,Elon 接管 Autopilot 軟件團隊并將該業務重要性提升至超高優先級(Super High Priority)。

一個月后,芯片皇帝 Jim Keller 和 Pete Bannon 攜其團隊集體加入特斯拉,FSD 芯片研發團隊成立。

一大波完整密集的部署之后,Elon 公布目標:特斯拉自動駕駛技術將在未來 24-36 個月內就緒。

就像「把大象放進冰箱需要幾步」一樣,自動駕駛汽車落地需要幾步?你需要做到以下三點同時就緒:軟件、硬件和車隊。

自動駕駛軟件系統就緒,需要將自動駕駛進一步拆解為幾個細分功能,包括自動泊車、自動輔助導航駕駛(NoA)、識別信號燈及路標并做出反應(TSR)、城市自動輔助駕駛、智能召喚。如你所知,在 V10 版本推送后,特斯拉還需要實現 TSR 和城市自動輔助駕駛研發測試和推送。

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自動駕駛硬件系統就緒,意味著你需要做到感知、電源、定位、計算、決策、控制(轉向和制動)冗余。隨著 Autopilot HW 3.0 車型的量產,除了感知,自動駕駛硬件系統全部就緒。

車隊就緒,比大多數人想象得更加復雜。所有人都在說,自動駕駛技術的實現將使得車輛的閑置率大幅降低,車輛的行駛里程數大幅增長(Elon 預測自動駕駛汽車運行里程將增加 5 倍)。有沒有想過,乘用車的設計是否足以支撐大幅增長的行駛里程?

2019年4月13日,一位網友經過粗略的計算表示,自動駕駛技術的落地將使得打車平臺的毛利率從當前的 20% 左右提升到 50+%。這個模型的前提是車輛運行壽命達到 24萬公里。Elon 在下方留言,特斯拉 Model 3 的動力總成和車身強度都是按照商用車 160 公里的全生命周期運行里程設計的。

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Elon 的話沒講完。10 天后的特斯拉自動駕駛投資者日上,Elon 的演講全盤托出了特斯拉的野心。

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低于 3.8萬美金的整車成本、160萬公里的車輛運行里程(電池)、3.5 英里/kWh 的超低能耗成本。

對著這張 PPT,Elon 將 10 天前在 Twitter 上的留言重復了一次:

The cars currently being built are all designed for 1,000,000 miles of operation.

The current battery pack is about 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......在這些人的努力下,特斯拉設計運行里程 160萬公里的電池組,將于 2020 年年底量產。

在這張 PPT 的前一頁,Elon 直接搬出了特斯拉秘密宏圖之第二篇章(Master Plan Part Deux)中的規劃:

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在出行需求超出私家車的城市,特斯拉將部署自己的車隊。確保無論你身在何處,我們的自動駕駛汽車隨叫隨到。

巨頭轉身,群敵環伺,什么是特斯拉的王牌?

2019年6月11日,特斯拉 2019 年度股東大會。

(在4月23日自動駕駛投資者日后),我們會召開電池和動力總成投資者日,我們將不惜一切代價,確保我們的電池生產規模以最快的速度擴張。

如果我是外部投資人,我會高度關注兩件事:自動駕駛的時間表和電池產能擴展及每千瓦時成本降低計劃。

電池和自動駕駛,這是特斯拉最重要的兩個戰略重心。

續航160萬公里鋰電池 特斯拉的最后一張底牌

底牌悉數挑明,特斯拉沒有秘密。

 
鋰電池 特斯拉
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