干货|从电池到智能化，特斯拉各项技术的深入解析
可以说特斯拉的电动汽车技术代表了世界的最高水平，在地球环境危机日益加重的背景下，世界上不缺少新的消耗着汽油、排放着污染物尾气、有着复杂传动装置的汽车，特斯拉决定站在科技、汽车、能源的交叉口，进行颠覆性的思考和研发。
1 特斯拉的技术路线及选择原因
特斯拉的首要任务不是要成为全球最大的汽车公司，而是要弥补电动汽车长期存在的若干缺陷，并通过惊艳的产品颠覆人们对电动汽车的看法，然后通过竞争使全球汽车巨头不得不去开发自己的电动汽车，其终极目标及公司的宗旨是“尽快在市场上推出大众市场接受的电动汽车，加速实现可持续交通”。特斯拉制订了“三步走”的商业计划：
第一阶段：向超级富豪推出高价、小批量汽车。推出第一款产品时价格很高，但确保汽车的高档品位，使其物有所值，即生产出的汽车足以媲美顶级性能车，那么定价为10 万美元也就不存在问题。
图1 特斯拉第一阶段电动汽车Roadster
第二阶段：以中高端价位向更多相对富裕的消费者推出中等价位、中等批量生产的电动汽车。借助第一阶段获得的利润，开发第二阶段的汽车。第二阶段的汽车依然比较贵，但其竞争对象更像是7.5万美元价位的奔驰或宝马，而不再是法拉利。
图2 特斯拉电动汽车Model X
第三阶段：向普通大众推出低价、量产的汽车（图3）。通过第二阶段获取的利润和积累的经验，开发更经济、更大规模量产的大众化电动汽车，其相对便宜的价格和保养的节省，使中产阶级完全可以负担得起。
图3 特斯拉生产线
2 特斯拉目前的技术优势
2.1 电池
特斯拉是唯一一家采用18650 型三元锂离子电池的电动汽车公司。这种类型电池曾一直用于笔记本电脑、数码相机、手机等电子消费产品中。针对电动汽车的应用环境，特斯拉使用的18650 型电池又不同于笔记本等数码设备所使用的18650型电池，其技术标准也要高于后者，例如在设计上特斯拉使用的18650型电池能量密度高于同时期其他类锂电池50%以上（图4）。
图4 特斯拉店面的Model S 底盘
特斯拉选择松下18650 型电池的原因主要有：能量密度大，稳定性、一致性更高；技术较为成熟、出货量大、生产自动化程度高，可以有效降低电池系统成本；全球每年生产数10亿个18650型电池，安全级别不断提高；单体电池尺寸小但可控性高，可降低单个电池发生故障带来的影响，即使电池组的某个单元发生故障，也不会对电池整体性能产生影响，但车辆会显示出错误信息，对用户进行警示，这也是配备较多单体电池的好处。
特斯拉旗下量产车型Model S（图5）使用的是松下定制的三元材料电池，即镍钴铝三元正极材料的锂电池。
图5 特斯拉电动车Model S
虽然18650型电池是全球顶尖电池，但传统18650型锂电池也有其自身特性所无法忽略的一些相对弱点，例如对温度相对敏感、一致性差等。电动汽车对电池的要求是单次充电续航里程大、性能稳定可靠、安全系数高且可循环充电次数多。
特斯拉解决18650 型传统电池短板的办法包括：活性的电化学材料、改进的电芯结构设计、优化模组设计、先进的故障保护机制和电池充放电控制，以及其业内领先的热管理系统和电池管理系统。活性材料和改进的电芯结构设计，带来单位体积/重量内能量存储更高，提高充电电压的同时，电芯稳定性更好。
2.2 电机
与常规的全轮驱动车辆只用一台发动机和变速箱分配能量、牺牲效率来换取牵引力不同，特斯拉的工程师们在后轮驱动Model S的基础上，在前轴加装了一台电机，使之成为双电机全轮驱动的Model S（图6）。
图6 双电机全轮驱动的Model S
特斯拉采用三相四极交流感应电动机，铜转子，具有变频驱动功能的驱动逆变器与动能再生制动系统。不仅体积小，重量轻，而且可以瞬时输出到最大扭矩，并在全寿命内基本无需保养。特斯拉Model S 电动机还获得2014年度国际最佳发动机大奖。
2.3 铝制车身
特斯拉营销经理、铁杆车迷泰德·米伦蒂诺说过，在北美打造一辆最安全的汽车首先就是从金属材料的选择开始。特斯拉的电池很笨重，必须通过降低车身的重量来弥补笨重电池的不足。因此，特斯拉求助了Space X，并使用了它的先进火箭技术，结果特斯拉汽车成为北美唯一使用全铝车身的汽车（图7）。
图7 全铝车身的特斯拉电动汽车
2.4 安全性
车身安全：特斯拉Model S的车身和底盘主要采用铝合金材料打造，相比传统钢材，铝材料本身就具有更好的金属延展性，因此可以更有效地吸收冲击力。同时车身框架用高强度材料加固，撞击时能够有效吸收能量，但驾驶舱却不易变形。从实际高速驾驶强烈碰撞的结果来看，Model S也证明了铝材料所具备的优势。
由于全车最重的部件——电池组位于底盘正下方，这为车身安全带来两方面助益：第一，沉重的电池组所带来的低重心让特斯拉几乎不会发生侧翻；第二特斯拉电池组本身就设计非常坚固，这无形中又为车辆乘员舱增加了一层保护。除此之外，得益于纯电动汽车技术优势，特斯拉Model S拥有了“前备箱”的设计（图8），这不仅为车主腾出了一个巨大的储物空间，无形中还充当着碰撞前缓冲区的角色。
图8 特斯拉电动汽车的“前备箱”
电池安全：特斯拉Model S全车搭载了几千块特别订制的高级车用锂离子电池，拥有非常高的能量密度，其循环性相当惊人，容量和直流内阻在上千次充放电后都保持着相对稳定的水平，充电倍率和温度对电池的影响都不大，这些都是普通电池无法比拟的。
信息安全：有别于传统汽车，除“双闪”灯和副驾驶位置的储物箱按钮外，特斯拉Model S电动汽车内其他所有的按键都集合于一块17英寸的中控触屏（图9）。最重要的是，控触屏的背后是一个可以随时自动更新的系统，这就是特斯拉人性化的“空中升级”服务。
图9 17 英寸中控触屏
在未带钥匙的情况下，特斯拉手机App可以直接操控汽车，但是每次都需要账户信息的输入，每次解锁都有一个寻找密钥的过程。特斯拉车上有很多安全模块和跟钥匙交互关系的控制器，这不是一个简单的设计，有时即使有钥匙，也不见得能够打开，它随时处于检测状态，每隔几秒进行一个循环、配比，只有在安全、配比成功的条件下才能解锁、开动。
图10 特斯拉汽车车主手机上的App
2.5 智能化
空中升级：空中升级是大多数特斯拉车主最倾心的智能化服务，它好比目前的智能手机，车主可以在联网状态下随时随地更新车辆的最新功能。这是非常智能的集成应用，颠覆了人为更新的传统方式。目前，特斯拉自2014年至今在中国已经进行了4次更新，依次实现了导航服务、语音导航、巡航控制、防撞辅助、倒车辅助增强、车速辅助、智能温度预设、自动紧急制动、盲点警报、代客模式以及3D导航等功能的更新。
远程诊断：这项功能可以让车主在遇到问题时，能够直接联络特斯拉技术支持售后，特斯拉工程师可直接通过后台查看车辆出现的问题，不用到店检查，节省了车主时间、提高了诊断效率。这一切都是以联网为基础，正是所谓的“车联网”技术。
17 英寸中控屏≠iPad：特斯拉Model S的所有操作都是通过一个酷似iPad 的17英寸中控台实现，它并非仅仅是一个iPad那么简单。值得一提的是，目前智能规划已经在美国实现，通过中控台可实现最优路线指引、电量预估、目的地充电提示、车速规划等智能规划。未来智能规划还会将交通信息、路况信息以及天气信息实现交互和传递，届时将可以给车主带来极大的驾驶便利。
自动求助：智能汽车不仅要智能、环保还要更安全。特斯拉目前不仅可以通过辅助驾驶、自助驾驶等功能保护车辆出行安全，自动求助功能也是一大亮点。例如特斯拉Model S 发生了碰撞的紧急情况，该车将立即自动发送后台相关参数，客服人员会在必要情况下，及时联络车主帮助处理后续事宜。此外，后台工作人员也可通过车号自动得知该车辆是否需要更换相关部件，辅助车主进行升级或替换部件。
交互关系：智能汽车十分重要的一项功能就是实现交互关系，车辆要与交通中心交互，车与车交互，车与信号灯、行人等交互。特斯拉目前配有官方移动客户端软件，车主可通过App操作实时操控车辆。车主忘记带钥匙，手机便可开启车门；车辆丢失，远程应用即可查看车辆位置并协助找回车辆。
2.6 充电
第一种家用充电桩（图11）是特斯拉车主最主要的充电方式，特斯拉拥有业界第一的95%超高家充安装率，帮助车主足不出户解决99%的充电需求。日常生活中，特斯拉车主99%的出行需求是在城市半径不超过100 km的范围内使用，便利的家用充电方式完全可以满足，而且特斯拉纯电动4门豪华轿跑车Model S P85D的续航里程已经达到了480 km（NEDC），短途出行完全不成问题
图11 家用充电桩
超级充电桩20min即可为Model S充满50%电量。
图12 超级充电桩
目的地充电桩（图13），是特斯拉分布最广的一种充电桩，遍布全国各地的大型商场、写字楼、酒店、银行营业厅、地下停车场以及一些热门景区内，方便车主在途中休息时，及时充电，满足Model S 车主多样的出行充电需要。截至目前，特斯拉已经在中国建成超过1400个目的地充电桩。
图13 目的地充电桩
3 特斯拉专利开放及目的
对特斯拉来说，开放专利并非要避免别的公司模仿技术，因为这没有意义。特斯拉的初衷是推动全球共同发展电动汽车的技术，希望能够帮助到其他的电动汽车公司。同时，也促进其他公司借助特斯拉开放的专利，开发自己的技术，发展得更快一些。特斯拉尖端技术开放专利供其他生产商参考使用，并且不断完善全球充电网络、向社会开放充电设施，特斯拉的种种举措与当时创立公司的初衷是一致的，希望携手其他生产商一起为推动全球的电动汽车技术的可持续发展作出贡献，生产出更多的电动汽车。
图14 美国特斯拉汽车公司董事长兼CEO 埃隆·马斯克
【参考文献】
郭晓际. 特斯拉纯电动汽车技术分析[J]. 科技导报, 2016, 34(6): 98-104; doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2016.06.011
本文由材料人新能源学术组 Yuezhou 整理。
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