特斯拉Model 3解析关于车用锂电池的结构

早在去年马斯克发布Model3所选用的电池组时咱们就知道，特斯拉运用了其公司最新的电池配比技术，淘汰了松下18650电池，而改用21700新式电池，由在内达华州的“超级电池工厂”(Gigafactory)出产。

同为圆柱形锂电池，21700新式电池的规格为直径21毫米、长度70毫米，就理论上限方面要比18650型(直径18毫米、长度65毫米)更有利。为此，21700锂电池率先被运用到Model3中。

1.21700电池的优势

从优势上来说，21700相关于18650首要在能量密度、本钱、轻量化三方面进行了改进进步，这三点进步让Model3听起来愈加“骚气”，咱们一点一点来剖析一下：

1)能量密度进步20%以上

21700电池的能量密度要优于18650电池。从特斯拉发表的信息看，在现有条件下，其出产的21700电池体系的能量密度在300Wh/kg左右，比其原来18650电池体系的250Wh/kg约进步20%。从松下的动力锂电池单体的测试数据来看，其21700电池的体积能量密度远高于18650型电池单体。单体电芯能量密度的进步要远高于成组后进步的20%起伏。

2)电池体系本钱下降9%左右

锂电大数据依据Tesla发表的电池价格信息，预计21700的动力锂电池体系价格为170美元/KWh，比较18650的价格185美元/KWh，价格下降起伏可达8.1%左右。18650的体系的本钱约为171美元/KWh，改用21700后，体系本钱约能完结9%左右的降幅，到达155美元/KWh。

单体容量进步后，PACK所需配件数同份额削减带动PACK本钱下降。从18650类型切换至21700类型后，电池单体电池容量能够到达3~4.8Ah，大幅进步35%，同等能量下所需电池的数量可削减约1/3，TeslaModels电动轿车运用7104节18650电池串并联成电池组，在新款Models3上，选用21700后，电池节数必将大幅削减。在下降体系管理难度的一起将同份额的削减电池包选用的金属结构件及导电衔接件等配件数量，特斯拉的Pack本钱占总体系本钱约24%，预计电池包本钱降幅较为可观。

值得一提的是，特斯拉并没有将Model3电池规划为易替换模式，看来特斯拉完全要放弃电池替换的计划了，这也和本钱紧密有关。

3)轻量化下降10%

选用新式21700电池之后，体系比较现在的电池能削减了10%的组件和分量，从而进一步下降电池Pack的分量，整车的能量密度将得到部分进步。

Model3一共有四个装备，别离是：50、65、80、P80D，数字相对应的是装载电池的总容量。电池容量别离对应不同的续航路程(EPA测试)：357km、454km、550km和539km。但就整备质量看，别离为1650kg、1725kg、1800kg、1925kg。作为一款全体尺度(4694/1849/1443mm)与宝马3系(1540kg~1650kg)适当的车型，还是要重不少。

别的，特斯拉也增加了其他一些奇妙的规划以节省分量和本钱。例如，它去掉了外置电池组加热器，而只运用轿车动力总成提供的热量，即使轿车停了下来，也能为电池加热。这是由于电池需要在一个适合的温度下作业，以保持其最佳功能，这意味着它们需要在过热的环境下冷却，在冰冷的天气下加热。

2.21700电池“黑盒子”

所谓“黑盒子”，是指从用户的观点来看一个器件或产品时，并不关怀其内部构造和原理，而只关怀它的功能及如何运用这些功能。那么咱们就从用户的角度来看看21700的状况!

1)下游商场是否承受改变?

电池企业出产何种类型的电池，要受多种因素影响。现在新能源轿车界所强调的“正向研制”，要求从功能下手规划结构，这也决议了有必要从运用下手去反推电池类型和规格，因此，电池类型是否替换首要还是看下游商场。

“18650的适配性很强，除了在电动轿车外，还能够在3C数码、无人机、电动工具等其它领域消化。但关于21700而言，尚没有构成有效的产业链来消化这些电池，这无疑会增加本钱。”

2)设备与工艺是否满意?

21700电池的出产设备、出产工艺等并非一朝一日就能准备好，如何布局还要看电池出产企业的竞赛战略。

电池的本钱下降是以产量和良品率为基础的。起点研讨(SPIR)的数据显现，松下、三星SDI的18650电池良品率一般在98%以上，国内的良品率一般在95%以上，但这仍意味着会有较多的B品电池需要处理，这关于21700而言是个严峻的挑战。

3)方针是否支撑?

除了商场需求不明显和电池企业制作工艺不足之外，国家在电池尺度规范方面的相关方针也对国内电池尺度的挑选存在严重影响。

工信部拟定的《电动轿车用动力蓄电池产品规格尺度》征求意见稿中，推荐的圆柱电池类型只有18650和32650两种，一旦强制一致则会对其它类型的电池不利。假如国家拟定的电池尺度规范中没有清晰支撑，这一类类型的发展前景将没有看上去那么夸姣。

1、车辆续航除了跟电池有关以外，还跟不同工况下的运行有关。由于后者的问题比较杂乱，今日首要来谈电池。

2、电池最重要的功能参数是能量密度，能量密度有体积能量密度（Wh/L），也有质量能量密度（Wh/kg）。咱们在电池上更多谈论的是质量能量密度（Wh/kg），它决议了单位分量的电池所贮存能量的大小。

3、电池的能量密度常常指向两个不同的数据，一个是电池体系的能量密度，一个是电芯的能量密度。

电芯（Cell）是一个电池体系的最小单元，也有人描述为单体电池。你理解为单节电池就行，比如说，一节五号电池。M个电芯组成一个模组（Module），N个模组组成一个电池包（Pack），这便是车用动力电池的基本结构。也有人直接把电池包叫做电池组。

▲NissanLeaf运用的是软包电池，从上到下依次为电芯，电池模组和电池包。

其实便是一个很简单的公式，电池包=N·模组=N·（M·电芯）。

4、由于电池包关系到电池最终的形状和车辆安置，大部分厂家会挑选采购电芯，自己来做电池体系。电池体系的能量密度和电芯选型有关，比如圆柱电池由于单个电芯容量小，电池体系结构杂乱，在单个电芯能量密度占优势的前提下，电池体系的能量密度相对会低一些。（定论参考来自麦肯锡的陈述）

▲电动车制作商的电池供应链战略，原图来自麦肯锡，42号车库翻译。

5、从结构上区分，电芯首要有三种类型，方壳电池（Prismatic），软包电池（Pouch）和圆柱电池（Cylindrical）。

▲从左到右别离为圆柱电池、方壳电池和软包电池。

从原资料区分，电芯有磷酸铁锂、镍钴锰（NCM）和镍钴铝（NCA）等不同类型，这里的资料首要指的是正极资料。在原资料的影响中，正极资料对电芯的能量密度影响较大。

负极资料普遍以石墨为主，现在干流研讨方向在探究硅碳负极的商业化。

电芯的结构和原资料组成的不同，对电芯的能量密度均有影响。

3.电池包容量

与此前的ModelS和ModelX都不同的是，特斯拉在发布Model3时没有选用常规的“千瓦时”来表示其电池组容量，而仅仅给出了一个充电速率：在240V、30A的状况下，每小时充电能够行进30英里(约合48.28公里)。

特斯拉电池组

那么，Model3的电池容量有多大?依据此前EPA官方认证信息，规范版Model3续航路程为350公里，电池组容量为50kWh，运用了2976节21700电池，每31节电池构成一个电池砖。这些电池砖又被分为4个模块，其间2组包括23个电池砖的模块，2组包括25个电池砖的模块。

特斯拉电池组布局示意图

Model3长路程版的续航路程能够到达500公里，电池组容量到达了80.5kWh，运用了4416节21700电池，每46节电池构成一个电池砖。和规范版Model3一样，这些电池砖被分为4个模块。

4.电池衰减率

对任何可充电电池来说，衰减是必定的。随着充电循环次数的增加，电池中正负极的反响资料会产生丢失，电解质的功能也会下降，导致整个电池的实践电量缩减。一般来说，以化学性质比较活泼的锂电池为例，在500个充电循环之后，其电量会衰减至80%左右。

关于ModelS/X，特斯拉从来没有对其电池健康度做许诺。不过Model3却是有官方数据，即20万公里之后，仍能够维持在70%以上的容量。但事实真有特斯拉官宣得那么抱负吗?

据国外媒体报道，一份针对上百位特斯拉真实车主的调研数据显现，在行进了10万公里之后，ModelS/X的电池容量缩水起伏为5%，在30万公里后，多数特斯拉还能保证90%以上的电池容量，在80万公里之后，仍然还能维持在80%以上的水准。而且，频繁的充放电，乃至能够减缓衰减。

5.Model3电池包拆解

最近国外一家机构对Model3的电池包进行了拆解，今日咱们一起来看看拆解的状况吧!

将车子在台架上抬起来

拆电池包之前对车辆做剖析

开始拆电池包

电池包已拆下来

对电池包的拆开做剖析

电池包全体

从全体上来看，电池包造型规划平坦、美观

右侧白色盒子为DCDC

中间银白色件为高压配电盒

电池模组

橙色线为高压线

对高压线进行拆解

拆解电池箱体盖板

拆电池模组

电池模组特写1

电池模组特写2

电池模组特写3

第一个电池模组已拆下来

查看第一个电池模组

电池模组间衔接方式特写

拆开后电池模组全体特写

电池模组全景

CMU用3根Bonding线来衔接金手指和FPC

电池模组拆解全景

BMS主板

拆解电池模组

拆解完毕

Model3是特斯拉ModelX系列的新品，2017年7月，特斯拉宣布，第一批30辆Model3将在2017年7月28日举行的庆典上交交给顾客。但到2018年5月28日，该款车型只在美国和加拿大完结交付，特斯拉推迟Model3的欧亚洲交付时间至2019年。

毫无疑问，现在特斯拉承受着巨大的压力，毕竟公司现已食言过很屡次。日前马斯克在承受CBS采访时在谈到了公司现在面对的压力：我现在压力山大，在过去几个月作业变得极其困难和让人苦恼。没错，现在我都现已在工厂地板上睡觉了，这并不是由于在那儿睡觉很风趣，那儿太糟糕了。为此，我们怎么看马哥美好的烦恼呢?

坐落美国加州Fremont的特斯拉工厂是世界上最先进的轿车工厂之一，坐拥530万平方英尺的出产和作业区，总占地面积约370英亩。在Fremont市同意特斯拉的扩建计划后，公司的厂房规划将翻番，到达近1000万平方英尺，而且在接下来的几年中创造数千个新作业岗位。

在特斯拉之前，Fremont工厂在1962至1982年期间隶属于通用轿车公司;从1984年到2009年，该工厂归属于丰田创立的新联合轿车制作公司(NUMMI)。特斯拉于2010年收买该工厂并进行晋级改造。2012年6月，特斯拉第一台ModelS在该工厂下线。为了改变厂区本来暗淡、封闭的环境，特斯拉为工厂增设了天窗，为工人们引进自然光，而且用白色环氧树脂喷涂地面，营建了清洁的作业环境。一起，厂区还设立了食堂、健身房、卫生中心和野外休闲区。

为了完结在2018年产能攀升至500,000台车的目标，特斯拉在着力打造全球自动化程度最高的制作体系，并保证大多数功能都经过严厉的训练，从而满意特斯拉的出产流程。到现在，特斯拉Fremont共产的出产率进步了400%，在2017年Model3投入出产后，这一出产率将再一次进步。Fremont工厂出产的每一台ModelS、ModelX和Model3，以及车辆的绝大部分零部件，都体现着特斯拉最高水平的出产工艺。

加利福尼亚州Fremont，特斯拉工厂设备图

本文提及的特斯拉的车间里，从原始资料到加工成品的拼装，简直悉数出产进程及作业(除了少量零部件)都是自给自足，也因此，这里被称为全球最智能的全自动化出产车间。

在四大制作环节中，即冲压出产线、车身中心、烤漆中心与拼装中心，保存估计有着150余台机器人参加到作业中。在这里，你简直都看不到人的身影。

满是机器人的拼装中心

能完结很多动作的机器人

喷漆烤漆车间一览

装置挡风玻璃的进程

装置座椅的进程

一个发动机盖的冲压完结只要6秒钟

精密加工发动机的进程

仅用一个机器人就能转移车架

流水线运营进程机器人们无缝对接