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电动车(二) 2021-08-12 14:21:20

电动车的电池成本一般占到整车的40%!2008年第一台特斯拉Roadster用的是18650锂离子电池,69个 18650电池被并联封装成一个电池砖;9个电池砖串联成一个电池片;11个电池片组成一个电池包,总计用了6,831节18650电池。三个层级,每级都有独立的电池监控系统和保险丝,以防电流过大,电池过热,这个电池控制系统造价高达2万美元,加上电池本身,整个电池部分总计近5万美元!Roadster预想成本 7万,结果用了12万,花冒了5万!首次交车时,马斯克临时把售价从10万涨到11万,倒贴1万,还是引起客户不满,一度场面混乱,马斯克差点挨顿胖揍。逃过一难,马斯克开始死磕电池成本。

动力电池有个重要指标,就是能量密度energy density,即每kg电池可以提供的瓦小时能量(wh)。能量密度高就意味着每次能充入的电量就多,续航里程就长,加速等操控性能就更好。马斯克说,当电池达到400wh/kg时,电动飞机就可行了。根据《中国制造2025》,中国的动力电池的发展规划是:2020年电池能量密度达到300wh/kg;2025年400wh/kg;2030年500wh/kg。

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特斯拉最初用的电池就是刚才说的18650,能量密度250wh/kg,18是电池的直径,65是电池的高度,0代表圆形。后来大概因为特斯拉电池都是圆形,就省去了0。但是电池都是按直径和高度来取名字的。18650电池是1991年索尼首创的,主要用在笔记本电脑上。2003年,马斯克把上万节18650电池绑在一起,把燃油车改巴改巴,就弄出了第一台电动车。 “硅谷钢铁侠”书中写到:

几个月后,当造出了第二辆车的时候,特斯拉的工程师们意识到他们不得不正视电动车模型一个巨大的潜在瑕疵。2005年7月4日,他们到艾伯哈德位于伍德赛德的家里一起庆祝美国独立日。这些工程师认为在这个美好的时刻,就应该做些有趣的事情——比如,看看Roadster的电池被点燃之后会发生什么事。其中一个人用胶带把20块电池绑在一起,还装了一条引信并把它点着了。“它像一簇火箭一样飞了出去。”莱恩斯说。相比这20块电池,装在Roadster上的电池有将近7,000块。光是想象一下那种规模的爆炸会产生什么样的后果,就把这些工程师吓出一身冷汗……早期特斯拉员工噩梦般的场景就是一个有名的富人因为这辆车而葬身火海。“这就是那些让你喊出‘噢,不’的时刻,”莱恩斯说,“那时我们每个人都清醒了。”

于是特斯拉工程师放下手里的活儿,成立了一个六人测试团队去处理电池的问题。结果就是前面提到的造价高达2万的电池控制系统诞生了。虽然贵,但安全性还是很不错的。特斯拉数据显示2012年-2020年,累计75亿miles的里程,发生了40起起火事故,平均每1.9亿英里有1起事故。而美国国家防火协会(NFPA)和美国运输部的数据显示,传统汽车每行驶每1900万英里有1起起火事故,是特斯拉的10倍!第一批Roadster像打架一样卖出去后,马斯克开始联合松下死磕电池成本。

18650电池属于三元锂电池,以镍钴锰/铝三元材料做正极材料,以石墨做负极材料。降低成本首要就是正极材料减少对钴的使用,因为钴很贵,产量低,价格易被操控。70%以上的钴产自非洲的刚果,那地方经常用个童工吃个人什么的,少打交道为好。18650电池最初的钴含量是60%。后来逐步降低,近年高镍低钴渐成趋势。镍钴锰三元材料在111/523/622/811四种配比下,钴含量分别降为21.3%、12.2%、12%、6%。 2018年第二代特斯拉电池2170横空出世时,钴含量已经降到了3%以下,成本降到了155美元/千瓦时,比18650电池的171美元下降了9%。到第三代电池4860就更牛B了,高镍无钴!能量密度提升到300wh/kg,成本降了14%,为133美元/千瓦时。

马斯克说任何一个傻子都能想到增大体积,来增加电池容量,但是为啥之前只是从18650做到2170,是因为进一步增大电池体积,会带来电池过热的安全问题。而过热的部位就是电极耳,即电池上那个小帽帽。就像电影散场,不管影院有多大,人都得从一个小门出来。电池也一样,不管电池做多大,充电放电时,锂离子/电子什么的,都要通过电极耳进进出出,电池越大,门口扎堆拥挤得越厉害,电极耳就会过热,会起火,充电速度也会慢。4860就突破了这个瓶颈,通过激光雕刻技术,类似做芯片,用光刻机把很多电极耳连在电池上,如上图右图,有很多小耳朵,称为无极耳电池,准确的说是很多极耳,一大片就像没有一样。电影院一下开了无数个门儿,不会堵在门口了,到门口的路程也缩短了。所以4860电池更安全,充电时还可加大电流,使充电更快速。另外采用干电极技术,以及用硅做负极材料,代替石墨极,成本更低。Cybertruck专利发布提到的整车电池一体化,即把电池铸入底盘,去模组的设计,将会减少370个电池组件。新的电池包粘合方式更好,结构更加紧凑,可以将电池组减重10%,续航能力提高16%。整个电池+底盘环节中,使特斯拉整车成本降低7%。马斯克画的25,000美元的电动车大饼不再遥远,呼之欲出!

别看松下帮特斯拉做电池,但动力电池的头部企业在中国,2021年一季度世界排名依次为:宁德时代,LG化学,松下,比亚迪,三星......

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宁德时代高居榜首,妥妥的锂电之王!总部位于福建省宁德市的宁德时代,在宁德,青海西宁,江苏溧阳,四川宜宾,广东肇庆,和德国有厂。客户有特斯拉、大众、BMW、日产、标致雪铁龙、现代、本田、捷豹路虎、沃尔沃、中国的北汽、吉利、广汽、上汽等。宁德时代发迹于2004年拿下苹果iPod订单,之后2011年公司一支单独剥离成立宁德时代。2012年开始为宝马生产电池,名声大噪。2014年开始三元电池的研发,2016年借着国家的政策扶持,成功升级高端三元锂电池。2017年超过松下,成为全球老大。2018年6月11日,宁德时代在一堆资本的簇拥下于深圳敲钟上市,当日市值700多亿元,今年7月市值突破1.3万亿,创始人曾毓群身价首超马云和李嘉诚。2011-2021,宁德时代走过了辉煌的一个decade。想起福耀玻璃的曹德旺,也是福建人,同样出身贫寒,做水表玻璃起家,如今已是身价40多亿美金。两个福建佬,一个电池大王,一个玻璃大王,中国改开40年不知有多少这样的故事。希望这样的故事能够继续层出。


近年来,科学界认为锂离子电池已经到达极限,固态电池有望成为未来骄子。固态电池技术采用锂、钠等固态玻璃化合物为传导物质,取代电解液,可以减少40%的体积和25%的重量,其能量密度是锂离子电池的2倍,而且具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性,传统锂离子电池的安全隐患就被解决了。中国、日本、欧洲的一些车企都已在固态电池领域布局,但还有一些技术环节需要突破,大规模商用预计会在2025-2030年以后。资本运作一般都是fake it until make it. 固态电池似乎还处在fake it的阶段,不是贬义,科技创新就是这么玩的:牛皮先吹出去,让钱砸进来,再把牛皮圆回来。等他们圆回来的时候,再看吧。


中国在电动车领域发力比较早,相对于传统汽车来说,在世界上处于比较靠前的位置。中国的三大造车新势力:蔚来、理想和小鹏,都是不错的企业,人称“电动三傻”。可不是骂人的哦,三傻来自于一档节目《极限挑战》,里边三精对三傻,孙红雷张艺兴王迅组成“极限三傻”,超级逗比,暗含着“傻人有傻福”之意。所以电动三傻可谓昵称。三傻可不傻,分别于2018年9月,2020年7月和8月在美国上市,至今股价翻了一倍。近来习皇挥舞流星锤把资本市场砸了个稀里哗啦,“三傻”悉数躲过,基本毫发无伤,蔚来股价更是翻了7倍以上!市值最高,可谓三傻老大。蔚来没有自己的工厂,车由合肥的江淮汽车代工,电池来自宁德时代,自动驾驶NAD(Nio Autonomous Driving)也一般般,但蔚来的电池BaaS服务可谓独树一帜。BaaS也就是Battery as a Service,即不是去充电站充电,而是去换电站换电换一个电池。像加油一样快速,而且避免了车因电池损耗而加速折旧。特斯拉当年也曾经在充电还是换电的选择上犹疑过,但马斯克最终还是选择了充电,走到今天,特斯拉和蔚来各有千秋:

特斯拉的2170电池充放电循环次数已经达到1500次左右,约可支撑行驶48-80万公里。车在行驶16万公里以后,电池衰减不足10%!最新的4860电池据说能跑160万公里。所以只要车没成废铁,电池管够。电动车一出车就猛掉价的时代一去不复返了。

蔚来汽车的换电非常适合中国国情,中国人大都不住house,公寓车位加充电桩有点困难。创始人李斌说BaaS是围绕着2015年设定的15字目标“车电分离”“电池租用”“可充可换可升级”去设计的。蔚来电动汽车的换电时间已从3分钟进一步缩减至90秒,甚至可以比加油更快,今年4月,蔚来汽车与中石化Sinopec达成合作,蔚来将在全国新建500座换电站,BaaS换电生态渐成气候。

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除了动力电池,还有一种氢燃料电池,即氢能源汽车,那是真正的终极环保无污染,取之不尽,用之不竭。最初对氢的利用是氢燃料内燃机,就是把汽油发动机改成烧氢气的。宝马2005年推出的Hydrogen 7就是烧氢气的,车做得挺漂亮,但有个要求就是不能停在地下停车场,脑补一下为啥?这一要求吓坏了顾客,市场反应冷淡,加上其它原因,宝马只好放弃了。

如今人们说的氢能源不再是烧氢气,而是让氢气和氧气的化学反应产生电能,做成氢燃料电池,驱动电动车。Toyota的Mirai,Honda的Clarify,Hyundai的Nexo,还有上汽的 EUNIQ  7都是氢燃料电池车Fuel Cell Vehicle (FCV),售价在6万美金左右。加氢和加油一样方便,几分钟就可加满,Mirai已经到了第二代,续航里程达到650公里,相当不错。但是制氢一般是通过电解水来取得,目前制氢的工业化效率比较低,成本比较高,比加油还贵。另外氢需要在低温或高压下存储,为了保证安全,车的储氢箱用碳纤维制成,非常结实,轻机枪都打不透,成本可想而知。氢的注入操作也需要非常小心,氢是处于高压状态的,可不像加油,随随便便拉个油枪过来捅到油箱里,加就是了。加氢可得打起十二万分精神,加氢枪和氢箱得连接好,锁紧,不得有误,否则高压氢气喷出来,可不得了。我都怀疑像我这样的,干不干得了那个活儿。

加氢站的建设和运营,也是烧钱的买卖,不像充电桩,从电网上拉线就行了,加氢站复杂得多。现有的加油站是无法改建成加氢站的。一个充电桩造价是5万美元,一座加油站约30万,而一个加氢站要耗资200万!全美现有46座加氢站,其中45个在加州。全加拿大仅有7座加氢站。中国有100多座。没有足够的加氢站,FCV很难做得起来。我瞎猜,也许只有将来发明了portable的制氢设备,像中国那些水氢汽车骗局一样,车可以一边开,一边自己制氢,省去加氢站,氢能源汽车才有可能普及全世界,否则,只有能源匮乏的日本本国市场。日本是铁了心的要搞氢经济,那是国情决定的。总之,相对于电动车来说,FCV在当前形势下,没有什么优势。


(待续)

下回说电动车的灵魂 - 让人又爱又怕又欲罢不能的,自动驾驶。


电动车 (一)

浏览(3427) (17) 评论(4)
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文章评论
作者:特有理 回复 倩影 留言时间:2021-08-17 17:17:19

文科生能写出如此全面的专业化介绍,实在了不起!

回复 | 0
作者:倩影 回复 特有理 留言时间:2021-08-13 14:39:45

我是文科生,没有专业背景。只是比较喜欢纵向的研究一个事情,算是爱好吧,也和投资有点关系,我只投我感兴趣的领域,不多,聊表寸心吧。

回复 | 0
作者:特有理 留言时间:2021-08-13 11:03:15

这是专业大拿的知识分享,还是金融投资的探索心得?

回复 | 0
作者:liucarl 留言时间:2021-08-12 14:49:14

学习了,涨姿势!

回复 | 3
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