Maxwell特斯拉干电极的分析

厚势按：不管是豪华车、传统车仍是新造车实力造的电动车，都以对标特斯拉为荣。是什么让特斯拉成为电动车的图腾？特斯拉的电动车技能究竟抢先多少？本文8000余字，多个角度进行剖析解读。

在人们的印象中，Tesla作为电动车职业的领军者，以车辆的长续航、超强功用以及操控见称，可是Tesla究竟抢先了多少，真的有很多人知道吗？让我们带着许多网友的问题，一同走入一个以技能和立异引领的电动车科技企业。

01

特斯拉看重的Maxwell干电极技能解析

特斯拉已完结对Maxwell的收买，该公司之前更多主要从事超级电容的开发与应用。可是，近期大部分业界媒体现已注意到特斯拉对Maxwell的爱好或许更多与他们的干电极技能有关。

那么Maxwell的干电极技能究竟神在哪儿呢？前不久RandyCarlson在SeekingAlpha上发表的一篇文章中写到了有关此进程的很多技能细节，试着大白话翻译了一下。

1.原纤维化（Fibrilization）特斯拉收买Maxwell的一项重要技能理由能够归结为「原纤维化（Fibrilization）」。这是什么意思呢？举个比方，在炎热的气候下，鞋底不当心黏到了口香糖，当你抬脚持续向前迈步时，就会使黏到鞋底的口香糖「纤维化」。一切那些将将鞋底连接到人行道上的粘性物质称为原纤维（Fibrils）。

Maxwell的干电极工艺通过将混入活跃的负极或正极资料颗粒的PTFE（Teflon）原纤维化，构成负极或正极资料的自支撑膜（selfsupportingfilm）。我们能够把Maxwell的这个工艺幻想成一个装满高尔夫球和口香糖的大水箱，水箱底部有一个窄口的二维漏斗。当高尔夫球的分量通过槽将高尔夫球和口香糖片推究竟部时，高尔夫球之间相互推动、滑动和翻滚，偶然会有一些口香糖被挤压。跟着高尔夫球持续从头排列穿过狭槽，高尔夫球终究与口香糖的原纤维连在一同。这便是对Maxwell工艺的大致描述。然后将负极和正极资料的薄膜层压到金属箔集电体上制备负极和正极，正极和负极之间用隔阂卷绕制成电池的卷芯。

而最要害的是Maxwell的工艺使电池的负极和正极不运用溶剂。

传统的锂电池制作运用有粘合剂资料的溶剂，NMP（N-Methyl-2-pyrrolidone）是其间一种常见溶剂。将具有粘合剂的溶剂与负极或正极粉末混合后，把浆料涂在电极集电体上并枯燥。溶剂有毒，有必要当心回收，进行纯化和再利用。并且需求巨大、昂贵且复杂的电极涂覆机。下图便是若干年前特斯拉Giga1正在制作的这种机器。

Maxwell干电极工艺更简略，不运用溶剂，它供给了一个重要但不那么明显的优势。该进程从电极粉末开端，比方说特斯拉的NCA正极的锂镍钴氧化铝粉末。将少数（约5-8％）细粉状PTFE粘合剂与正极粉末混合。然后将混合的正极+粘合剂粉末通过挤压机构成薄的电极资料带。

将挤出的电极资料带层压到金属箔集电体上构成制品电极。进程如下面草图。

Maxwell的工艺皆适用于正极和负极。用NCA粉末和铝箔制作正极，用石墨粉和铜箔制作负极。别的，还为Teflon添加了一些不同的聚合物，取得了更好的强度和离子传输，添加一些其他资料能够进步导电性。通过将电极膜卷绕成卷，然后送入层压机。但这个进程其实十分十分简略。

Maxwell已将这种工艺用于制作超级电容。运用这个简略的进程，制作电池的本钱开销将会少得多，且不运用溶剂。

2.更高的能量密度为了充分了解在电极制作中不运用溶剂的重要性，就需求了解整个锂电池的制作方法。

一般锂离子电池处于很低的电量状况时，当暴露在空气中时它们不会有剧烈反响。正极资料、既锂化金属氧化物会彻底锂化，而负极不含任何锂。这意味着一切锂离子（除了在电池末端添加的电解质中的少数锂离子）都在正极资料内。

正极资料很重，大约是其间锂含量的20倍。在彻底充电的锂电池中，大部分锂已从正极资料中移动并储存在负极的石墨中。跟着电池放电，锂回来到正极，锂离子嵌入到正极中，回到金属氧化物晶体中。当负极耗费完锂，或正极充溢锂且不能再承受更多时，电池就已彻底放电。

这里存在一些问题。当电池充溢电解质且进行第一次充电时，正极资料的一些锂离子会被负极、电解质和锂离子之间的反响耗费掉。这种寄生反响构成SEI（SolidElectrolyteInterphase，固体电解质界面）。SEI是电池的重要组成部分，由于它能够避免电解质与负极中的碳反响。问题在于，一旦进行第一次充电，在放电进程中从负极回来正极的锂离子就会丢失一些。成果导致了「第一次循环容量丢失」，这种现象在一切常见类型的锂离子电池中很遍及。第一次循环容量丢失真正重要的原因是用于构成SEI的锂成为了锂化正极资料的一部分，因而电池在生命周期内总是带着一堆永远不会被运用的很重的正极资料，由于它开端包含的一些锂在SEI中被束缚住了。

处理计划好像只需添加额外的锂来补偿用于构成SEI的缺口部分。这好像只是一个小问题，添加的锂有必要是锂金属，或者将锂添加到负极的石墨中。但在有溶剂的状况下，锂金属和与混有锂金属的碳不能很好地互相交融，一般都伴跟着烟雾、火苗和噪音等强烈反响。因而，第一次循环容量丢失的问题一向没有得到很好的处理。

但Maxwell的工艺不运用溶剂。趁便提一下，Maxwell有一项待审专利，专利内容正是用干法将锂金属添加到负极，补偿第一次循环的容量丢失......

添加额外的锂有两个长处。首要，少数添加的锂能够补偿在初始充电时构成SEI所耗费的锂，从而削减第一次循环容量丢失。这就意味着更高的电池容量与能量密度。

其次，添加更多的锂能够补偿跟着时刻的推移而耗费掉的锂，由于SEI会跟着电荷循环以细小的速度持续添加。因而，添加一点锂或许意味着添加电池寿数。

3.定论Maxwell的超级电容本身好像对特斯拉电池功用的进步暂时不会有马到成功的作用，但Maxwell用于制作超级电容器的专利工艺能够大大下降特斯拉或松下的电池制作本钱。此外，由于这是一种干电极制作工艺，能够添加额外的锂，特斯拉/松下电池的容量和循环寿数都或许会进步。

前段时刻不断有些传闻说松下或许计划削减对Giga1的资本开销，有些人认为这是松下失去了对特斯拉销量决心的依据。而通过这篇文章，另一个更风趣的解说或许是，松下认为现有工艺或许会因技能迭代即将过时，持续出资会面临不小的危险。因而可亲近重视特斯拉与松下之间的联系动向。

02

Roadster2怎样到达较高速度？

最近Elon在承受电台采访时，提到了Roadster2可选装SpaceX套件，并强调了车辆惊人的加速度，那么，以电机驱动的Roadster怎样能到达较高速度呢？

有一些要素会决议你的最高速度。一个是发动机最高转速和最低齿比，其次是功率输出，还有便是轮胎的规划。

来看下车身的受力求。发动机或电机有一个向前的力，一同遭到翻滚阻力和空气阻力。当这两种力持平，且与发动机或电机的最大力相反时，轿车会到达最大速度。翻滚阻力是轮胎触摸面积的函数，轿车质量在燃油车和电动车上应该没什么区别。

布加迪Chiron大约是4,400磅，特斯拉LR版的二代Roadster也差不多。这两款车真正不同在于空气动力学，Chiron的风阻系数是0.35、二代Roadster则为0.22。

Chiron的风阻相对高一些是由于配有8升发动机，需求极高的进气量，一同还有10个散热器。超跑功用的要害方针不只有风阻系数，它们需求特别的空气扰流板和车身面板来供给足够的下压力来抵消高速行驶时的上升力。轿车前部的阻力系数和空气密度系数都会影响到空气阻力，但速度的平方值是最大的影响要素。假如速度加倍，就会有四倍的空气阻力。这便是空气动力学对超级跑车如此重要的原因。

为了了解二代Roadster是怎样到达250mph的最高额外速度的，让我们做一些核算。假定电机的最高转速为18,000转，21英寸轮毂总轮径约为28英寸，乘以π，周长约为7.5英尺。这意味着车轮将在一英里内翻滚730圈，乘以每小时英里数的车速除以60，就能够取得每分钟的车轮转数。

我们看一下ModelS，其电机的固定减速比为9.7:1，最高车速为157mph。

而为了使Roadster到达250mph，齿轮有必要从9.6削减到6左右。

假如你想知道为什么一切的电动车都不只是运用较低的齿比，是由于一种叫做「机械效益」的现象。幻想一下，你试图用一个滑轮举起一根10磅重的物体。假如你下拉滑轮一侧的绳索2英尺，就不得不必10磅的力才能让10磅重的物体举高2英尺。这是1:1的机械效益。

相反，假如你添加了第二个滑轮，并用10磅力下拉2英尺，你就能够举起20磅的分量，但它只能跋涉1英尺。这是1:2的机械效益。减速齿轮便是相同的原理，因而齿比越大，速度就越低，但扭矩却更大。

所以，这与一切的工程问题相同，就需求权衡。工程师们有必要针对实际进行优化。关于二代Roadster（或是说一切未来的超跑）来说，它们或许会针对不同的电机规划不同的齿比。关于前置电机，能够像以前相同运用9:1的减速比，以便为低速时供给更大的扭矩和功用。关于后置电机，更或许运用5/6:1来允许更大的最高速度。

从广义的角度来看，你能够看到电动车在许多方面都优于燃油车。当然电池的能量密度和电动车的平均续航还有进一步进步的空间。

03

Model3究竟有多先进？

凯文凯利在5月27日的中国国际大数据产业博览会上提到：「为什么特斯拉比福特更值钱？一边是福特公司，每年出产几百万台轿车，总收入大约350亿美元；再看特斯拉，它的产量每年大约只有20万台。但很重要的一点是——它的价值十分大。

由于福特公司，它的产品跟数据是没有任何联系的，福特公司不明白得搜集它客户的数据，不明白得搜集车载的数据。可是特斯拉不同，它能够通过车载的数据来剖析顾客、驾驭人员的驾驭习气，它的车轮上甚至都嵌入了微型核算机。一切车上的数据都能上传到渠道进行剖析，帮助它们制作下一代的驾驭车辆。」

Model3除了是Tesla史上销量最高的产品，它还具备了很多Tesla的先进技能，这些技能如今也运用在了ModelS和X上。北美的SandyMunro以拆解车辆并出版研讨报告著称，当然Model3也成为了Munro的方针之一。

Munro说Model3的冷却系统十分值得称道，Model3有着一个十分特别的冷却中枢—Superbottle。便是这个大怪物！

其实这部分是Munro在谈到为什么底特律造不出像Model3这样的车时，拿这个冷却中枢来举例的（便是这么个东西需求很多部分参与，各自为营现象……）。

1.古怪的图画Superbottle上有一个独有的图画，这个之前在网上留出的Munro拆解的图片中就引起过部分注意，有位国外车主为博友介绍Frunk时也发现过。

来自国外某油管博主介绍model3Frunk的视频

上面还印有「Superbottle」的字样~

Model3的BMS上就有性质类似的特别的图画，不知道这些是啥意思。

你会古怪我为啥在那两块64针芯片上也画圈了，由于上面其实也有图画，就像下面这样。

开端推测或许是特斯拉的工程师们会在自己比较要害的in-house的东西上，留下这些表示所属权的东西，秀一下优越感，意思是「你是我的」（彻底瞎猜的）。题外话，不过BMS那块中心的64针芯片应该是AnalogDevice的，不了解了~

Anyway，以下有关Superbottle的介绍基本上是根据David那篇文章。

2.Superbottle的结构

Superbottle的全体规划很风趣。典型的轿车冷却回路会包含一个冷却剂罐、一个水泵、一些软管、一个热交换器，或许还有某种阀门。一般状况下，这些组件是互相独立封装的，每个组件都有各自的装置条款和专用包装空间（加上间隙要求）。

可是，Model3的冷却系统却很不同，它把两个泵、一个热交换器和一个操控阀都集成在了冷却灌的瓶身上。看看这个奇妙的规划。

看一下水泵。

这是电子驱动的冷却剂操控阀，由它改动冷却剂活动的途径。

这是一个核算机操控的执行器，由它来改动冷却剂的活动方向。

这是一个冷却器的特写，它就固定在Superbottle的旁边面。

3.冷却回路图解看下图中Superbottle地点的方位，中间写着「CR」的圆圈代表冷却剂罐。这个图解说了Superbottle是怎样成为冷却系统的中心、即组件和热交换器之间的中枢，从而完结电池、驱动和电子电气系统的冷却作业的。

下图是冷却模式的示意图。冷却剂从电池中取热，从电池包的后端被抽到冷却剂罐里，然后通过冷却器进行冷却。终究把冷却下来的冷却剂抽回到电池包的前端，与此一同又会从头取热。

第二个水泵将冷却剂送到办理模块（图片上灰框里的ManagementModule，便是Penthouse那里面的一堆stuff），再进入驱动单元（包含电机），随后回来散热器进行冷却，然后进入罐内，终究再回来到penthhouse获取更多的热量。

再看加热模式，冷却剂被注入到Penthouse，再进入驱动单元的油冷却热交换器取热，通过集成阀从散热器直接通过冷却器（在这种状况下是不作业的）为电池加热。

Munro说，特斯拉实际上是故意利用电机堵转所产生的热量来为电池加热，这是一种不需求电阻加热的新处理计划。

4.Superbottle的优势以下是Munro对Superbottle相关于传统规划的优势进行的全面剖析。

由于水泵、执行器和阀门与外壳的集成，添加了模块化和包装空间的优势。（组件一般有空间维护要求，假如是互相分离的组件，会根据布局添加这些要求）。

跟着冷却系统功用方面的集成，添加了可服务性功用的潜力。

与Superbottle集成的组件外壳相关的潜在分量下降。

由于没有独立的水泵装置支架而带来的潜在分量的下降。

下降了终究拼装本钱，由于这或许是一个完好的模块。

由于组件集成和快速断开的规划，削减了终究装配时刻与劳动力。

04

硅谷基因

Munro一向都大加赞赏他们将许多电子器件都高度集成在各种电路板上的技能，能够使线束长度大大缩短，EEA简略许多，这本质上是源自硅谷的东西，底特律基因是做不出来的。

2018年美国媒体对特斯拉的首席电机规划师KonstantinosLaskaris进行过几次采访，他只是说Model3更换为永磁电机是出于对本钱、功用、功率之间的平衡，技能细节上没有什么干货。但Model3电机的水很深，简略粗暴地归由于要国产化的剖析好像太简略了。

Laskaris谈model3电机的报导

1.特斯拉与感应电机的渊源任何特斯拉的爱好者都十分清楚，他们的称号源自生活在19世纪的NikolaTesla，而他创造的三相沟通电机也是特斯拉电机的源始。

NikolaTesla与三相沟通感应电机

特斯拉从一代Roadster到ModelS、再到ModelX，都选用了三相沟通感应电机（3-phaseACinductuonmotor）。但NikolaTesla的创造几十年后，这款电机一向处于只能在一个固定的三相沟通电源座上的为难。直到上世纪60年代硅谷总算用数字技能使感应电机摆脱了那种固定状况。大约在1990年，AlanCocconi开发了一种前期便携式的逆变器，将电动车电池中的直流电（DC）转换为感应电机所需的沟通电（AC）。「逆变器+电机」组合终究用在了GM的EV1上。没错，通用曾经就这样与一个年代失之交臂了，估量自己回想起来都像是梦魇。

GM的EV1（姿态实在是不怎样好看哈~）

后来Cocconi又将该技能的改进版用在了tZERO跑车上。

tZero跑车

后来被特斯拉联合创始人MartinEberhard和MarcTarpenning发现了，再后来Musk出场了，然后便是特斯拉的故事了。这些前史点被连起来，就能够了解特斯拉开端会选用感应电机的原因了（尽管有许多技能改进）。

TarpenningandEberhardwiththeTeslaGen.1Roadster

2.感应电机与永磁电机在现在主流的永磁电机与感应电机的比照中，感应电机的长处在于它不需求任何永磁资料（PermanentMagnet），而运用电磁铁（缠绕在黑色金属芯上的线圈）。

modelS/X电机剖面图

由于硅谷半导体技能的呈现（能够每秒屡次进行开关和切换，比方高大上的MOSFET和IGBT），才让感应电机的呈现成为或许。而永磁电机的转子一般都需求用到稀土资料，它的高本钱、退磁与损毁的或许性、原资料供应链和期货市场价格的浮动等问题都是很明显的弊端。当然，感应电机也有其不完美的地方，比方特斯拉选用的铜转子，需求很高的铸造工艺。

modelS/X的铜转子

由于感应电机的作业性质，转子往往会过热，形成能量丢失，而这在电动车中又是很敏感的部分。此外，感应电机在低速工况需求频频启停时也比较低效。因而，感应电机技能无论从本钱仍是功率上都有较大的改进空间。

3.立异任务假定当工程师们接到了为Model3开发新电机的任务时，马斯克给出的限制条件是要比上一代的感应电机本钱要低，但功用上却不能退让，还要更紧凑和高效。你能够幻想一般这种状况下，工程师们要么便是跳楼，否则就要硬着头皮拼命立异了。对啊，一般立异便是这么被逼出来的。

或许，不幸的工程师们第一步先会把前史中一切的电机技能都研讨一遍。解说一下，这不是强词夺理。几百年前美国国父们在想着怎样拟定独立宣言、给自己规划一个啥样的政体时，麦迪逊就曾把前史中一切的政体都研讨过一遍，还列出表格做比照呢，多可爱的钻研精力啊~

4.磁阻电机而在以往一切的电机技能中，其实有一项技能是早于NikolaTesla在1892年创造的三相沟通电机的。磁阻电机其实早在1838年就被创造出来了，并且它的规划居然令人惊讶的简略、高效和紧凑，且本钱低廉。意外吧？

但磁阻电机却被束之高阁一个多世纪，是因它有一种叫作扭矩脉动的缺点（TorqueRipple），导致磁阻电机的功率输出会上下动摇。

维基百科对TorqueRipple的解说

这关于电动车的行驶体验来说，简直是无法承受的，由于你一脚踩下踏板后无法取得一个滑润的加速。举个，前段时刻我的车发动机曲轴传感器出缺点了（对此很惭愧，暂时预算太紧张买不起电动车），成果便是高速行驶时各种颤动和迟滞现象；再举个，飞机上遇到过气流过境吧？对，就像那样。

所以，磁阻电机就淹没在前史的洪流中，而那之后感应电机却因着硅谷的技能加持而崛起了。

5.磁阻电机的打破所以，磁阻电机一向以来都被认为是十分难以被「驾驭」和「驯服」的，但逆变器和操控技能的开展又让它有了些或许性。尽管如此，直到本世纪初时，处理TorqueRipple问题仍旧是项挑战。

但你会仔细发现其实业界现已陆续开端对此有了一些打破性研讨，2011年有份研讨论文就宣称TorqueRipple问题得到了处理。

研讨人员在磁阻电机的定子现有的电磁体中嵌入了一些稀土，居然就能够让扭矩变得很滑润，并且这种计划还会使整个功率输出进步30%！

一般永磁电机里的稀土都是在转子上的，他这个发现还挺有意思的。然后就很天然的会置疑Model3的电机是不是也是这个路数呢？

可是……事情又有了反转。便是SandyMunro拆了Model3，爆出了几张图片，本相才大白。

好消息是特斯拉其实并没有忘本抛弃了感应电机，他们的双电机版别，前驱用的仍是感应电机。

马斯克的推文，前驱感应电机，后驱是IPMSRM

6.怎样做到的？特斯拉很早前就说过model3动力系统的耐久方针要到达1Mnmiles（约161万㎞），前不久他们还真就展示了刚通过1Mnmiles耐久测验的动力驱动单元。然后马斯克发推说「Model3motor/gearboxstillingoodconditionafterdriving1Mnmiles.Designedforultrahighendurance.」

并且马斯克还说过Semi正在打破方针1Mnmiles的研发，Semi正在用Model3的动力单元负载进行着测验。

7.强壮的SiCMOSFET这个当然仍是得靠图片，感谢Munro老爷子，谜底其实和电机转子的图片公开时一同很快就解开了。便是下面这个东西。

本来厉害在强壮的逆变器。Model3是第一款在电机操控器中选用SiCMOSFET的电动车（总共24个SICMOS），长处当然便是能够大幅进步逆变器的功率密度，让作业功率和续航等啥的变得很牛。

特别夸奖了电池的一致性极高，还拿出来根据Nvidia的改的那块板子，说简直是航天级的水准。但其时他由于不知道Nvidia是啥公司，还被diss说根本不明白IC的部分。

8.竞品比照电机这部分Munro说的比较深入，其实要害点在几个月前Bloomberg的视频中他就谈到过了。

首要看一下，Model3的电机是竞品中分量最轻、本钱最低，但输出功率却是最大的。这套电机的功率比竞品的功率大约高出多少呢？Munro说的还特别有技能性，squarerootof2（2的平方根），普通话翻译过来便是高出40%左右。

Munro让节目组拍下了这张比照图

而让Model3的电机如此高效的原因便是那几块奇特的永磁块。

9.神秘的磁块来看Munro之前在网上流出的一些拆解图片，看看那些磁块地点的方位。

你能看到转子上那些长方形的磁铁嵌入的方位吗？缺了一块，估量便是Munro拆下来的那块。Musk曾经发推说这是InternationalPermanentMagnet（IPM），由于IPM早在日系为主的一些混动车型上选用了，其时就想说这没什么稀罕的。

来看一下近镜头，这便是从电机上拆下来的其间一块长方形磁块。

之前Munro在Bloomberg的视频中也特别提到这个磁块规划的立异性，便是其时没解说究竟立异在哪里。

你能够从磁块上清晰看到有三个条纹，那便是四块磁极互相排挤的永磁块的结合部分。而特斯拉居然把这些磁块黏在了一同（回忆下小时候玩过的吸铁石，假如想把磁极互相排挤的那面对在一同，假如是磁力特别大的吸铁石，徒手简直是不或许的），Munro说他也不知道用了什么厉害的胶。

这些磁极互相的排挤力有多大呢？Munro说他刚开端拆下来看到这个小磁块的时候感到很新鲜，然后打算把这些黏连在一同的磁块拆开来看看，成果四个东西就像爆破相同崩开了。

05

人们买的不是电动车，而是特斯拉

电池本钱差距好像会越拉越大，早些时候FT猜测电芯本钱时，特斯拉现已遥遥抢先了。

而现在Giga1的产能现已立刻就要迫临35GWh了，今年再猜测的话本钱或许又不是这个数了。

不知道为什么，特别喜欢这张有野马的Gigafactory的图片

在曩昔的几年里，特斯拉基本上是每两年翻一番，这便是典型的颠覆性技能指数添加的方式。它的添加速度超出了一切人的预期，你我恐怕谁都没想到。

你说特斯拉颠覆在哪儿呢？多的都懒得再说了……不过Gigafactory那东西是特斯拉自己深埋鄙人面的根基，但大部分顾客不是由于有巨大的情怀才去买特斯拉的，特别是到了平价车型量产后，人们便是觉得那个东西很帅才去买的。假如你在油管输入要害词Tesla或是Model3，你就从没见过有一个品牌这么有话题性，能让顾客这么愿意拿来炫耀和共享的。

我真的就随意输入了model3

并且前段时刻看CleanTechnica做的查询，特斯拉还有着极高的顾客品牌忠诚度，也是现在潜在新能源车顾客们最倾向于去购买的品牌。这还没包含潜在的由燃油车想要过渡到电动车的顾客，加上这部分的话会更吓人。

再来看看美国2018年各家的销量状况。

假如没有Model3的话，这个表就会很丑陋。所以，你能看出什么？人们买的其实不是电动车，而是特斯拉。所以，电动车上传统车企怎样来拼品牌？燃油车的品牌力能够递延到电动车年代么？这个的确要打上问号的。