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会被电池组架构中内置的防火墙阻隔在车身前面

2018-09-23 19:19

  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:

  特斯拉自动驾驶功能结合前置摄像头、雷达、360 度超声波传感器以及实时车流量更新,能够探测车身周围约 5 m 范围内的障碍物,能够在开阔路面和频繁停车起步的路况中自动驾驶 Model S。标准配备的安全功能会始终监控停车标志、车辆和行人,以及无意识变道。也就是说,特斯拉随时随地为车主规避风险,防止事故的发生。据悉,自动驾驶相关功能会随着特斯拉空中升级的软件更新而逐步启用。如特斯拉 6.2 版车载系统升级,就新增了主动巡航控制、前撞预警系统和基于摄像头的远近光自动调节功能。

  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)。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。

  除了硬件「抗撞」外,特斯拉还会提供管家式的自动求助功能,当特斯拉 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。

  值得一提的是,特斯拉为 Model S 提供电池和动力单元 8 年不限里程的保修服务,使车主可以放心使用。电池组的布局和控制管理系统是特斯拉最核心的优势之一。

  这样做的目的是为了扩大公众对电动汽车的接受面,特斯拉为此推出了 Model S 及 Model X(图 2),这也是特斯拉正在经历的阶段。

  在汽车行业有这样一个经验法则:汽车价格每下降 5000 美元,能够买得起汽车的买家数量就会大约增加 1 倍。所以说,如果特斯拉能够推出比 Model S 便宜 35000 美元的主流电动汽车,买家数量会翻 7 番,也就是之前的 128 倍,届时大多数人都能够买得起这款车。如果选择购买 Model 3 的人很多,也将促使其他汽车公司在电动汽车项目上进行大量投资,从而间接地通过刺激竞争,推动整个行业朝着电动汽车的方向实现多个数量级的跃进,而特斯拉在其中就将发挥重要的催化剂作用。因此,第三阶段就是特斯拉存在的意义。

  2014 年 6 月 12 日,马斯克宣布:「特斯拉公司将自己所有的 200 余项有关电动汽车电池、电子装置和控制软件方面的相关专利一律对外开放,不会对任何怀有善意使用我们技术的企业发起专利诉讼,目的是鼓励其他汽车厂商利用这些技术,开发长距离续航的电动汽车。」

  特斯拉成立之初,遇到的一个大难题就是新技术的早期研发成本会导致产品的价格过高。这也是第一部手机或第一台计算机价格非常昂贵的主要原因。

  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。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。

  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。

  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。

  这一阶段主要是为了促使更多传统汽车厂商在电动汽车项目上进行投资,刺激竞争,推动整个行业朝着可持续交通的方向转变。特斯拉在第三阶段将推出 Model 3 车型,价格很可能只有 3.5 万美元左右。

  这是一种慢速冲压,目的是尽量减少热量和翘曲。完成冲压后还要用激光切割机进行更精密的加工。成型的部件被送往车间,装载在「智能运输车」上的车身可以沿着地面铺设的磁轨导航行驶。由于缺少合格的供应商,所以特斯拉使用的零件目前大部分为自产。「Model S 其实是我们从零开始制造出来的。」马斯克在 2012 年 11 月于纽约市举行的 Model S 发布会上解释道。

  特斯拉公司的研究人员对电池组的每一个层次都进行了严密的监控,在每个电池单元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。

  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。

  创立公司时,特 斯 拉 CEO 埃隆·马斯克说,「世界上不需要另外一家汽车公司,需要的是能够引入最高科技电动汽车技术的汽车公司,同时还需要一家提供环保技术,能够为全球的化石燃料使用的降低做出贡献的电动汽车公司。」也就是说,特斯拉公司自创立以来,一直致力于为全球提供最高端的电动汽车技术,同时也为全球开发最高端的汽车技术。

  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)。

  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。

  双电机的使用从多个技术层面强化了 Model S 的性能优势,使其拥有极限速度极佳稳定性。

  特斯拉仍在不断加强 Model S 的安全能力。如在车底配备包括钛合金护板在内的 3 层护甲,让特斯拉从容应对路面上遇到的各种突发情况。在上百次的测试中,3 层护甲将各种进入车底的障碍物轻松碾碎。同时特斯拉还借助前沿科技手段,增强 Model S 安全系统,让防护更加智能高效。

  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。

  在每个电池模组上,均设置有电池监控板(Battery Monitor Board,BMB),用以监控每个电池块的电压、温度以及整个电池模组的输出电压。在整个电池包上,设置有电池系统控制器以及智能保险,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、湿度等。

  由于铝质车身重量很轻,所以即使搭载 85 kW·h 电池组,车辆的续航里程仍能达到 500 km 以上,而多数纯电动汽车的续航里程仅在 120 km 左右。

  在特斯拉开放的专利中,104 项与电池以及电池安全控制系统有关,28 项涉及充电技术,这两类专利占到了专利总数的 53%,也是特斯拉最主要的优势技术。现有的电池安全控制系统专利,主要用于协调运行车上 7000 多节锂电池组成的电池组,这套技术目前已经成熟,特斯拉决定开放专利,同时研究更具潜力的大电池。

  可以看出,特斯拉最艰难的阶段是第一和第二阶段,因为汽车是最典型的规模产业,没有大规模量产,就没有盈利。特斯拉已经成功走过了第一阶段,第二阶段也将在 2017 年完成。2017 年后,特斯拉 Model 3 车型将会面世,这将是一款彻底颠覆整个汽车行业、改变世界交通状况的节点性产品。

  不同于传统汽车普遍采用的钢制车身,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。

  除了精炼的结构,机电一体化也让特斯拉率先成为全球最智能的电动跑车。特斯拉高级工程师曾表示,「特斯拉可以将自身所有部件和控制单元揉到一起,通过车联网从而实现各项智能化服务。」特斯拉 Model S 已经将多项炫酷功能变为现实,其中最值得关注的五大看点分别为:空中升级、远程诊断、中控屏幕、自动求助和交互关系。

  但是特斯拉是电动汽车领域的首创者,所以即使产品价格昂贵,物有所值也会被人们接受。由于市场上已有质量较好且价格合适的燃油汽车,推出质量与 2.5 万美元的燃油汽车相当但却要卖 10 多万美元的电动汽车是行不通的。因此,特斯拉制订了「三步走」的商业计划:

  热管理系统不仅仅指液冷,还有围绕电芯覆盖面的绝缘、导热创新材料的应用,以及长方形铝制冷却管路的设计,确保电池工作在最优化、最一致的温度区间,从而获得即使在低温低电量时的电芯均衡一致性,并延长电池循环寿命,满足汽车级要求。

  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。

  16 个电池模组之间都以防火墙分隔。当电池发生火情时,会被电池组架构中内置的防火墙阻隔在车身前面的一小部分空间内,火情根本无法进入乘员空间。同时,万一发生碰撞,电池结构可以保护电芯免受冲击,并自动断开电源。

  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。

  双电机全轮驱动 Model S 最震撼人心的莫过于它的加速表现。车辆在起步时,轮胎与地面的摩擦力是车辆动力的来源。相较于两轮驱动(包括前轮驱动和后轮驱动)只能有 2 个轮胎提供动力,全轮驱动可以最大限度地利用路面和轮胎之间的摩擦力,实现快速起步。同时,依靠 2 个电动机在瞬间输出的最大扭矩,实现瞬间加速。

  挤压件、冲压件和铸件的专业组合实现了需要的刚度和强度。高刚度、高强度结构不仅能保护车内乘员,还能提供更好的整体操控性。没有内燃机发动机的影响,经过优化的车前部,更有利于乘员的安全。完全平直的双八边形导轨沿车体结构底部布置设计,在紧急情况下可以吸收冲击能量。关键部位采用高强度钢材增强乘员安全。

  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。

  面对地球环境危机的日益加重,特斯拉坚信转变人类出行方式是化解这场危机的核心。然而汽车电气化仍然有着诸多难题,例如电动汽车能否在性能上比肩甚至超越传统燃油车,特斯拉又是否能够作为行业开拓者打破传统汽车行业坚固的壁垒?本文从特斯拉的技术路线、技术优势和专利开放等方面,分析特斯拉纯电动汽车技术。

  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。

  此外,电池组中的每一个电池单体都连接着一个热敏电阻以及一系列的光导纤维,同时将热敏电阻连接到电池监控器,将光导纤维连接到光敏感应器。当某个电池单体温度超过安全标准时,热敏电阻将产生一个电信号传达至电池监控器以便启动电池冷凝系统保证电池安全性能。特斯拉电池模组采用水冷散热,使得电池保持在恒定温度区间以避免电芯过热。

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