特斯拉Maxwell干電極技術(shù)深度解析

來(lái)源：Astroys

厚勢(shì)按：不管是豪華車、傳統(tǒng)車還是新造車勢(shì)力造的電動(dòng)車，都以對(duì)標(biāo)特斯拉為榮。是什么讓特斯拉成為電動(dòng)車的圖騰？特斯拉的電動(dòng)車技術(shù)到底領(lǐng)先多少？本文 8000 余字，多個(gè)角度進(jìn)行分析解讀。

在人們的印象中，Tesla 作為電動(dòng)車行業(yè)的領(lǐng)軍者，以車輛的長(zhǎng)續(xù)航、超強(qiáng)性能以及操控見(jiàn)稱，可是 Tesla 到底領(lǐng)先了多少，真的有很多人知道嗎？讓我們帶著許多網(wǎng)友的問(wèn)題，一起走入一個(gè)以技術(shù)和創(chuàng)新引領(lǐng)的電動(dòng)車科技企業(yè)。

01

特斯拉看重的 Maxwell 干電極技術(shù)解析

特斯拉已完成對(duì) Maxwell 的收購(gòu)，該公司之前更多主要從事超級(jí)電容的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。然而，近期大部分業(yè)界媒體已經(jīng)注意到特斯拉對(duì) Maxwell 的興趣可能更多與他們的干電極技術(shù)有關(guān)。

那么 Maxwell 的干電極技術(shù)到底神在哪兒呢？前不久 Randy Carlson 在 Seeking Alpha 上發(fā)表的一篇文章中寫(xiě)到了有關(guān)此過(guò)程的大量技術(shù)細(xì)節(jié)，試著大白話翻譯了一下。

1. 原纖維化（ Fibrilization ） 特斯拉收購(gòu) Maxwell 的一項(xiàng)重要技術(shù)理由可以歸結(jié)為「原纖維化（ Fibrilization ）」。這是什么意思呢？舉個(gè)例子，在炎熱的天氣下，鞋底不小心黏到了口香糖，當(dāng)你抬腳繼續(xù)向前邁步時(shí)，就會(huì)使黏到鞋底的口香糖「纖維化」。所有那些將將鞋底連接到人行道上的粘性物質(zhì)稱為原纖維（ Fibrils ）。

Maxwell 的干電極工藝通過(guò)將混入活躍的負(fù)極或正極材料顆粒的 PTFE（ Teflon ）原纖維化，形成負(fù)極或正極材料的自支撐膜（self supporting film）。我們可以把 Maxwell 的這個(gè)工藝想象成一個(gè)裝滿高爾夫球和口香糖的大水箱，水箱底部有一個(gè)窄口的二維漏斗。當(dāng)高爾夫球的重量通過(guò)槽將高爾夫球和口香糖片推到底部時(shí)，高爾夫球之間相互推動(dòng)、滑動(dòng)和滾動(dòng)，偶爾會(huì)有一些口香糖被擠壓。隨著高爾夫球繼續(xù)重新排列穿過(guò)狹槽，高爾夫球最終與口香糖的原纖維連在一起。這就是對(duì) Maxwell 工藝的大致描述。然后將負(fù)極和正極材料的薄膜層壓到金屬箔集電體上制備負(fù)極和正極，正極和負(fù)極之間用隔膜卷繞制成電池的卷芯。

而最關(guān)鍵的是 Maxwell 的工藝使電池的負(fù)極和正極不使用溶劑。

傳統(tǒng)的鋰電池制造使用有粘合劑材料的溶劑，NMP（N-Methyl-2-pyrrolidone ）是其中一種常見(jiàn)溶劑。將具有粘合劑的溶劑與負(fù)極或正極粉末混合后，把漿料涂在電極集電體上并干燥。溶劑有毒，必須小心回收，進(jìn)行純化和再利用。而且需要巨大、昂貴且復(fù)雜的電極涂覆機(jī)。下圖就是若干年前特斯拉 Giga 1 正在建造的這種機(jī)器。

Maxwell 干電極工藝更簡(jiǎn)單，不使用溶劑，它提供了一個(gè)重要但不那么明顯的優(yōu)勢(shì)。該過(guò)程從電極粉末開(kāi)始，比如說(shuō)特斯拉的 NCA 正極的鋰鎳鈷氧化鋁粉末。將少量（約 5-8％）細(xì)粉狀 PTFE 粘合劑與正極粉末混合。然后將混合的正極+粘合劑粉末通過(guò)擠壓機(jī)形成薄的電極材料帶。

將擠出的電極材料帶層壓到金屬箔集電體上形成成品電極。過(guò)程如下面草圖。

Maxwell 的工藝皆適用于正極和負(fù)極。用 NCA 粉末和鋁箔制作正極，用石墨粉和銅箔制作負(fù)極。另外，還為 Teflon 添加了一些不同的聚合物，獲得了更好的強(qiáng)度和離子傳輸，添加一些其他材料可以提高導(dǎo)電性。通過(guò)將電極膜卷繞成卷，然后送入層壓機(jī)。但這個(gè)過(guò)程其實(shí)非常非常簡(jiǎn)單。

Maxwell 已將這種工藝用于制造超級(jí)電容。使用這個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，制造電池的成本支出將會(huì)少得多，且不使用溶劑。

2. 更高的能量密度 為了充分理解在電極制造中不使用溶劑的重要性，就需要了解整個(gè)鋰電池的制造方法。

通常鋰離子電池處于很低的電量狀態(tài)時(shí)，當(dāng)暴露在空氣中時(shí)它們不會(huì)有劇烈反應(yīng)。正極材料、既鋰化金屬氧化物會(huì)完全鋰化，而負(fù)極不含任何鋰。這意味著所有鋰離子（除了在電池末端添加的電解質(zhì)中的少量鋰離子）都在正極材料內(nèi)。

正極材料很重，大約是其中鋰含量的 20 倍。在完全充電的鋰電池中，大部分鋰已從正極材料中移動(dòng)并儲(chǔ)存在負(fù)極的石墨中。隨著電池放電，鋰返回到正極，鋰離子嵌入到正極中，回到金屬氧化物晶體中。當(dāng)負(fù)極消耗完鋰，或正極充滿鋰且不能再接受更多時(shí)，電池就已完全放電。

這里存在一些問(wèn)題。當(dāng)電池充滿電解質(zhì)且進(jìn)行第一次充電時(shí)，正極材料的一些鋰離子會(huì)被負(fù)極、電解質(zhì)和鋰離子之間的反應(yīng)消耗掉。這種寄生反應(yīng)形成 SEI（Solid Electrolyte Interphase，固體電解質(zhì)界面）。SEI 是電池的重要組成部分，因?yàn)樗梢苑乐闺娊赓|(zhì)與負(fù)極中的碳反應(yīng)。問(wèn)題在于，一旦進(jìn)行第一次充電，在放電過(guò)程中從負(fù)極返回正極的鋰離子就會(huì)損失一些。結(jié)果導(dǎo)致了「第一次循環(huán)容量損失」，這種現(xiàn)象在所有常見(jiàn)類型的鋰離子電池中很普遍。第一次循環(huán)容量損失真正重要的原因是用于形成 SEI 的鋰成為了鋰化正極材料的一部分，因此電池在生命周期內(nèi)總是帶著一堆永遠(yuǎn)不會(huì)被使用的很重的正極材料，因?yàn)樗畛醢囊恍╀囋?SEI 中被束縛住了。

解決方案似乎只需添加額外的鋰來(lái)彌補(bǔ)用于形成 SEI 的缺口部分。這似乎只是一個(gè)小問(wèn)題，添加的鋰必須是鋰金屬，或者將鋰添加到負(fù)極的石墨中。但在有溶劑的情況下，鋰金屬和與混有鋰金屬的碳不能很好地彼此融合，通常都伴隨著煙霧、火苗和噪音等強(qiáng)烈反應(yīng)。因此，第一次循環(huán)容量損失的問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決。

但 Maxwell 的工藝不使用溶劑。順便提一下，Maxwell 有一項(xiàng)待審專利，專利內(nèi)容正是用干法將鋰金屬添加到負(fù)極，補(bǔ)償?shù)谝淮窝h(huán)的容量損失......

添加額外的鋰有兩個(gè)好處。首先，少量添加的鋰可以彌補(bǔ)在初始充電時(shí)形成 SEI 所消耗的鋰，從而減少第一次循環(huán)容量損失。這就意味著更高的電池容量與能量密度。

其次，添加更多的鋰可以補(bǔ)償隨著時(shí)間的推移而消耗掉的鋰，因?yàn)?SEI 會(huì)隨著電荷循環(huán)以微小的速度繼續(xù)增長(zhǎng)。因此，添加一點(diǎn)鋰可能意味著增加電池壽命。

3. 結(jié)論 Maxwell 的超級(jí)電容本身似乎對(duì)特斯拉電池性能的提高暫時(shí)不會(huì)有立竿見(jiàn)影的作用，但 Maxwell 用于制造超級(jí)電容器的專利工藝可以大大降低特斯拉或松下的電池制造成本。此外，由于這是一種干電極制造工藝，可以添加額外的鋰，特斯拉/松下電池的容量和循環(huán)壽命都可能會(huì)提高。

前段時(shí)間不斷有些傳聞?wù)f松下可能計(jì)劃削減對(duì) Giga 1 的資本支出，有些人認(rèn)為這是松下失去了對(duì)特斯拉銷量信心的證據(jù)。而通過(guò)這篇文章，另一個(gè)更有趣的解釋可能是，松下認(rèn)為現(xiàn)有工藝可能會(huì)因技術(shù)迭代即將過(guò)時(shí)，繼續(xù)投資會(huì)面臨不小的風(fēng)險(xiǎn)。因此可密切關(guān)注特斯拉與松下之間的關(guān)系動(dòng)向。

02

Roadster 2 如何達(dá)到較高速度？

最近 Elon 在接受電臺(tái)采訪時(shí)，說(shuō)到了 Roadster 2 可選裝 SpaceX 套件，并強(qiáng)調(diào)了車輛驚人的加速度，那么，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 Roadster 如何能達(dá)到較高速度呢？

有一些因素會(huì)決定你的最高速度。一個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速和最低齒比，其次是功率輸出，還有就是輪胎的設(shè)計(jì)。

來(lái)看下車身的受力圖。發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)有一個(gè)向前的力，同時(shí)受到滾動(dòng)阻力和空氣阻力。當(dāng)這兩種力相等，且與發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)的最大力相反時(shí)，汽車會(huì)達(dá)到最大速度。滾動(dòng)阻力是輪胎接觸面積的函數(shù)，汽車質(zhì)量在燃油車和電動(dòng)車上應(yīng)該沒(méi)什么區(qū)別。

布加迪 Chiron 大約是 4,400 磅，特斯拉 LR 版的二代 Roadster 也差不多。這兩款車真正不同在于空氣動(dòng)力學(xué)，Chiron 的風(fēng)阻系數(shù)是 0.35、二代 Roadster 則為 0.22。

Chiron 的風(fēng)阻相對(duì)高一些是由于配有 8 升發(fā)動(dòng)機(jī)，需要極高的進(jìn)氣量，同時(shí)還有 10 個(gè)散熱器。超跑性能的關(guān)鍵指標(biāo)不只有風(fēng)阻系數(shù)，它們需要特殊的空氣擾流板和車身面板來(lái)提供足夠的下壓力來(lái)抵消高速行駛時(shí)的上升力。汽車前部的阻力系數(shù)和空氣密度系數(shù)都會(huì)影響到空氣阻力，但速度的平方值是最大的影響因素。如果速度加倍，就會(huì)有四倍的空氣阻力。這就是空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)超級(jí)跑車如此重要的原因。

為了明白二代 Roadster 是如何達(dá)到 250mph 的最高額定速度的，讓我們做一些計(jì)算。假設(shè)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為 18,000 轉(zhuǎn)，21 英寸輪轂總輪徑約為 28 英寸，乘以 π，周長(zhǎng)約為 7.5 英尺。這意味著車輪將在一英里內(nèi)滾動(dòng) 730 圈，乘以每小時(shí)英里數(shù)的車速除以 60，就可以獲得每分鐘的車輪轉(zhuǎn)數(shù)。

我們看一下 Model S，其電機(jī)的固定減速比為 9.7:1，最高車速為 157mph。

而為了使 Roadster 達(dá)到 250mph，齒輪必須從 9.6 減少到 6 左右。

如果你想知道為什么所有的電動(dòng)車都不只是使用較低的齒比，是因?yàn)橐环N叫做「機(jī)械效益」的現(xiàn)象。想象一下，你試圖用一個(gè)滑輪舉起一根 10 磅重的物體。如果你下拉滑輪一側(cè)的繩索 2 英尺，就不得不用 10 磅的力才能讓 10 磅重的物體抬高 2 英尺。這是 1:1 的機(jī)械效益。

相反，如果你添加了第二個(gè)滑輪，并用 10 磅力下拉 2 英尺，你就可以舉起 20 磅的重量，但它只能行進(jìn) 1 英尺。這是 1:2 的機(jī)械效益。減速齒輪就是相同的原理，因此齒比越大，速度就越低，但扭矩卻更大。

所以，這與所有的工程問(wèn)題一樣，就需要權(quán)衡。工程師們必須針對(duì)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于二代 Roadster（或是說(shuō)所有未來(lái)的超跑）來(lái)說(shuō)，它們可能會(huì)針對(duì)不同的電機(jī)設(shè)計(jì)不同的齒比。對(duì)于前置電機(jī)，可以像以前一樣使用 9:1 的減速比，以便為低速時(shí)提供更大的扭矩和性能。對(duì)于后置電機(jī)，更可能使用 5/6:1 來(lái)允許更大的最高速度。

從廣義的角度來(lái)看，你可以看到電動(dòng)車在許多方面都優(yōu)于燃油車。當(dāng)然電池的能量密度和電動(dòng)車的平均續(xù)航還有進(jìn)一步提高的空間。

03

Model 3 到底有多先進(jìn)？

凱文凱利在 5 月 27 日的中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上說(shuō)到：「為什么特斯拉比福特更值錢(qián)？一邊是福特公司，每年生產(chǎn)幾百萬(wàn)臺(tái)汽車，總收入大概 350 億美元；再看特斯拉，它的產(chǎn)量每年大概只有 20 萬(wàn)臺(tái)。但很重要的一點(diǎn)是——它的價(jià)值非常大。

因?yàn)楦Ｌ毓?，它?a target="_blank">產(chǎn)品跟數(shù)據(jù)是沒(méi)有任何關(guān)系的，福特公司不懂得收集它客戶的數(shù)據(jù)，不懂得收集車載的數(shù)據(jù)。但是特斯拉不同，它可以通過(guò)車載的數(shù)據(jù)來(lái)分析消費(fèi)者、駕駛?cè)藛T的駕駛習(xí)慣，它的車輪上甚至都嵌入了微型計(jì)算機(jī)。所有車上的數(shù)據(jù)都能上傳到平臺(tái)進(jìn)行分析，幫助它們制造下一代的駕駛車輛?！?/p>

Model 3 除了是 Tesla 史上銷量最高的產(chǎn)品，它還具備了很多 Tesla 的先進(jìn)技術(shù)，這些技術(shù)如今也運(yùn)用在了 Model S 和 X 上。北美的 Sandy Munro 以拆解車輛并出版研究報(bào)告著稱，當(dāng)然 Model 3 也成為了 Munro 的目標(biāo)之一。

Munro 說(shuō) Model 3 的冷卻系統(tǒng)非常值得稱道，Model 3 有著一個(gè)非常特別的冷卻中樞 — Superbottle 。就是這個(gè)大怪物！

其實(shí)這部分是 Munro 在談到為什么底特律造不出像 Model 3 這樣的車時(shí)，拿這個(gè)冷卻中樞來(lái)舉例的（就是這么個(gè)東西需要好多部門(mén)參與，各自為政現(xiàn)象……）。

1. 奇怪的圖案 Superbottle 上有一個(gè)獨(dú)有的圖案，這個(gè)之前在網(wǎng)上留出的 Munro 拆解的圖片中就引起過(guò)部分注意，有位國(guó)外車主為博友介紹 Frunk 時(shí)也發(fā)現(xiàn)過(guò)。

來(lái)自國(guó)外某油管博主介紹 model 3 Frunk 的視頻

上面還印有「 Superbottle 」的字樣~

Model 3 的 BMS 上就有性質(zhì)類似的特別的圖案，不知道這些是啥意思。

你會(huì)奇怪我為啥在那兩塊 64 針芯片上也畫(huà)圈了，因?yàn)樯厦嫫鋵?shí)也有圖案，就像下面這樣。

初步推測(cè)可能是特斯拉的工程師們會(huì)在自己比較關(guān)鍵的 in-house 的東西上，留下這些表示所屬權(quán)的東西，秀一下優(yōu)越感，意思是「你是我的」（完全瞎猜的）。題外話，不過(guò) BMS 那塊核心的 64 針芯片應(yīng)該是 Analog Device 的，不明白了~

Anyway，以下有關(guān) Superbottle 的介紹基本上是基于 David 那篇文章。

2. Superbottle 的結(jié)構(gòu)

Superbottle 的整體設(shè)計(jì)很有趣。典型的汽車?yán)鋮s回路會(huì)包括一個(gè)冷卻劑罐、一個(gè)水泵、一些軟管、一個(gè)熱交換器，或許還有某種閥門(mén)。通常情況下，這些組件是彼此獨(dú)立封裝的，每個(gè)組件都有各自的安裝條款和專用包裝空間（加上間隙要求）。

然而，Model 3 的冷卻系統(tǒng)卻很不同，它把兩個(gè)泵、一個(gè)熱交換器和一個(gè)控制閥都集成在了冷卻灌的瓶身上?？纯催@個(gè)巧妙的設(shè)計(jì)。

看一下水泵。

這是電子驅(qū)動(dòng)的冷卻劑控制閥，由它改變冷卻劑流動(dòng)的路徑。

這是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的執(zhí)行器，由它來(lái)改變冷卻劑的流動(dòng)方向。

這是一個(gè)冷卻器的特寫(xiě)，它就固定在 Superbottle 的側(cè)面。

3. 冷卻回路圖解 看下圖中 Superbottle 所在的位置，中間寫(xiě)著「 CR 」的圓圈代表冷卻劑罐。這個(gè)圖解釋了 Superbottle 是怎樣成為冷卻系統(tǒng)的核心、即組件和熱交換器之間的中樞，從而完成電池、驅(qū)動(dòng)和電子電氣系統(tǒng)的冷卻工作的。

下圖是冷卻模式的示意圖。冷卻劑從電池中取熱，從電池包的后端被抽到冷卻劑罐里，然后通過(guò)冷卻器進(jìn)行冷卻。最后把冷卻下來(lái)的冷卻劑抽回到電池包的前端，與此同時(shí)又會(huì)重新取熱。

第二個(gè)水泵將冷卻劑送到管理模塊（圖片上灰框里的 Management Module ，就是 Penthouse 那里面的一堆 stuff ），再進(jìn)入驅(qū)動(dòng)單元（包括電機(jī)），隨后返回散熱器進(jìn)行冷卻，然后進(jìn)入罐內(nèi)，最后再返回到 penthhouse 獲取更多的熱量。

再看加熱模式，冷卻劑被注入到 Penthouse ，再進(jìn)入驅(qū)動(dòng)單元的油冷卻熱交換器取熱，通過(guò)集成閥從散熱器直接經(jīng)過(guò)冷卻器（在這種情況下是不工作的）為電池加熱。

Munro 說(shuō)，特斯拉實(shí)際上是故意利用電機(jī)堵轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量來(lái)為電池加熱，這是一種不需要電阻加熱的新解決方案。

4. Superbottle 的優(yōu)勢(shì) 以下是 Munro 對(duì) Superbottle 相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行的全面分析。

由于水泵、執(zhí)行器和閥門(mén)與外殼的集成，增加了模塊化和包裝空間的優(yōu)勢(shì)。（組件通常有空間保護(hù)要求，如果是彼此分離的組件，會(huì)根據(jù)布局增加這些要求）。

隨著冷卻系統(tǒng)功能方面的集成，增加了可服務(wù)性功能的潛力。

與 Superbottle 集成的組件外殼相關(guān)的潛在重量降低。

由于沒(méi)有獨(dú)立的水泵安裝支架而帶來(lái)的潛在重量的降低。

降低了最終組裝成本，因?yàn)檫@可能是一個(gè)完整的模塊。

由于組件集成和快速斷開(kāi)的設(shè)計(jì)，減少了最終裝配時(shí)間與勞動(dòng)力。

04

硅谷基因

Munro 一直都大加贊賞他們將許多電子器件都高度集成在各種電路板上的技術(shù)，可以使線束長(zhǎng)度大大縮短， EEA 簡(jiǎn)單許多，這本質(zhì)上是源自硅谷的東西，底特律基因是做不出來(lái)的。

2018年美國(guó)媒體對(duì)特斯拉的首席電機(jī)設(shè)計(jì)師 Konstantinos Laskaris 進(jìn)行過(guò)幾次采訪，他只是說(shuō) Model 3 更換為永磁電機(jī)是出于對(duì)成本、性能、效率之間的平衡，技術(shù)細(xì)節(jié)上沒(méi)有什么干貨。但 Model 3 電機(jī)的水很深，簡(jiǎn)單粗暴地歸因?yàn)橐獓?guó)產(chǎn)化的分析似乎太簡(jiǎn)單了。

Laskaris 談 model 3 電機(jī)的報(bào)道

1. 特斯拉與感應(yīng)電機(jī)的淵源 任何特斯拉的愛(ài)好者都非常清楚，他們的名稱源自生活在 19 世紀(jì)的 Nikola Tesla ，而他發(fā)明的三相交流電機(jī)也是特斯拉電機(jī)的源始。

Nikola Tesla 與三相交流感應(yīng)電機(jī)

特斯拉從一代 Roadster 到 Model S、再到 Model X，都采用了三相交流感應(yīng)電機(jī)（3-phase AC inductuon motor）。但 Nikola Tesla 的發(fā)明幾十年后，這款電機(jī)一直處于只能在一個(gè)固定的三相交流電源座上的尷尬。直到上世紀(jì) 60 年代硅谷終于用數(shù)字技術(shù)使感應(yīng)電機(jī)擺脫了那種固定狀態(tài)。大約在 1990 年，Alan Cocconi 開(kāi)發(fā)了一種早期便攜式的逆變器，將電動(dòng)車電池中的直流電（DC）轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電機(jī)所需的交流電（AC）。「逆變器+電機(jī)」組合最終用在了 GM 的 EV1 上。沒(méi)錯(cuò)，通用曾經(jīng)就這樣與一個(gè)時(shí)代失之交臂了，估計(jì)自己回想起來(lái)都像是夢(mèng)魘。

GM 的 EV1（樣子實(shí)在是不怎么好看哈~）

后來(lái) Cocconi 又將該技術(shù)的改進(jìn)版用在了 tZERO 跑車上。

tZero 跑車

后來(lái)被特斯拉聯(lián)合創(chuàng)始人 Martin Eberhard 和 Marc Tarpenning 發(fā)現(xiàn)了，再后來(lái) Musk 出場(chǎng)了，然后就是特斯拉的故事了。這些歷史點(diǎn)被連起來(lái)，就可以理解特斯拉最初會(huì)采用感應(yīng)電機(jī)的原因了（盡管有許多技術(shù)改進(jìn)）。

Tarpenning and Eberhard with the Tesla Gen.1 Roadster

2. 感應(yīng)電機(jī)與永磁電機(jī) 在目前主流的永磁電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)的對(duì)比中，感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于它不需要任何永磁材料（Permanent Magnet），而使用電磁鐵（纏繞在黑色金屬芯上的線圈）。

model S/X 電機(jī)剖面圖

由于硅谷半導(dǎo)體技術(shù)的出現(xiàn)（可以每秒多次進(jìn)行開(kāi)關(guān)和切換，比如高大上的 MOSFET 和 IGBT ），才讓感應(yīng)電機(jī)的出現(xiàn)成為可能。而永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常都需要用到稀土材料，它的高成本、退磁與損毀的可能性、原材料供應(yīng)鏈和期貨市場(chǎng)價(jià)格的浮動(dòng)等問(wèn)題都是很明顯的弊端。當(dāng)然，感應(yīng)電機(jī)也有其不完美的地方，比如特斯拉采用的銅轉(zhuǎn)子，需要很高的鑄造工藝。

model S/X 的銅轉(zhuǎn)子

由于感應(yīng)電機(jī)的工作性質(zhì)，轉(zhuǎn)子往往會(huì)過(guò)熱，造成能量損失，而這在電動(dòng)車中又是很敏感的部分。此外，感應(yīng)電機(jī)在低速工況需要頻繁啟停時(shí)也比較低效。因此，感應(yīng)電機(jī)技術(shù)無(wú)論從成本還是效率上都有較大的改善空間。

3. 創(chuàng)新任務(wù) 假設(shè)當(dāng)工程師們接到了為 Model 3 開(kāi)發(fā)新電機(jī)的任務(wù)時(shí)，馬斯克給出的限定條件是要比上一代的感應(yīng)電機(jī)成本要低，但性能上卻不能妥協(xié)，還要更緊湊和高效。你可以想象一般這種情況下，工程師們要么就是跳樓，否則就要硬著頭皮拼命創(chuàng)新了。對(duì)啊，一般創(chuàng)新就是這么被逼出來(lái)的。

或許，可憐的工程師們第一步先會(huì)把歷史中所有的電機(jī)技術(shù)都研究一遍。解釋一下，這不是強(qiáng)詞奪理。幾百年前美國(guó)國(guó)父?jìng)冊(cè)谙胫趺磾M定獨(dú)立宣言、給自己設(shè)計(jì)一個(gè)啥樣的政體時(shí)，麥迪遜就曾把歷史中所有的政體都研究過(guò)一遍，還列出表格做對(duì)比呢，多可愛(ài)的鉆研精神啊~

4. 磁阻電機(jī) 而在以往所有的電機(jī)技術(shù)中，其實(shí)有一項(xiàng)技術(shù)是早于 Nikola Tesla 在 1892 年發(fā)明的三相交流電機(jī)的。磁阻電機(jī)其實(shí)早在 1838 年就被發(fā)明出來(lái)了，而且它的設(shè)計(jì)竟然令人驚訝的簡(jiǎn)單、高效和緊湊，且成本低廉。意外吧？

但磁阻電機(jī)卻被束之高閣一個(gè)多世紀(jì)，是因它有一種叫作扭矩脈動(dòng)的毛?。?Torque Ripple ），導(dǎo)致磁阻電機(jī)的功率輸出會(huì)上下波動(dòng)。

維基百科對(duì) Torque Ripple 的解釋

這對(duì)于電動(dòng)車的行駛體驗(yàn)來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)直是無(wú)法接受的，因?yàn)槟阋荒_踩下踏板后無(wú)法獲得一個(gè)平滑的加速。舉個(gè)，前段時(shí)間我的車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸傳感器出毛病了（對(duì)此很慚愧，暫時(shí)預(yù)算太緊張買(mǎi)不起電動(dòng)車），結(jié)果就是高速行駛時(shí)各種抖動(dòng)和遲滯現(xiàn)象；再舉個(gè)，飛機(jī)上遇到過(guò)氣流過(guò)境吧？對(duì)，就像那樣。

所以，磁阻電機(jī)就淹沒(méi)在歷史的洪流中，而那之后感應(yīng)電機(jī)卻因著硅谷的技術(shù)加持而崛起了。

5. 磁阻電機(jī)的突破 所以，磁阻電機(jī)一直以來(lái)都被認(rèn)為是非常難以被「駕馭」和「馴服」的，但逆變器和控制技術(shù)的發(fā)展又讓它有了些可能性。盡管如此，直到本世紀(jì)初時(shí)，解決 Torque Ripple 問(wèn)題仍舊是項(xiàng)挑戰(zhàn)。

但你會(huì)細(xì)心發(fā)現(xiàn)其實(shí)業(yè)界已經(jīng)陸續(xù)開(kāi)始對(duì)此有了一些突破性研究，2011 年有份研究論文就聲稱 Torque Ripple 問(wèn)題得到了解決。

研究人員在磁阻電機(jī)的定子現(xiàn)有的電磁體中嵌入了一些稀土，竟然就可以讓扭矩變得很平滑，而且這種方案還會(huì)使整個(gè)功率輸出提高 30% ！

一般永磁電機(jī)里的稀土都是在轉(zhuǎn)子上的，他這個(gè)發(fā)現(xiàn)還挺有意思的。然后就很自然的會(huì)懷疑 Model 3 的電機(jī)是不是也是這個(gè)路數(shù)呢？

可是…… 事情又有了反轉(zhuǎn)。就是 Sandy Munro 拆了 Model 3 ，爆出了幾張圖片，真相才大白。

好消息是特斯拉其實(shí)并沒(méi)有忘本拋棄了感應(yīng)電機(jī)，他們的雙電機(jī)版本，前驅(qū)用的還是感應(yīng)電機(jī)。

馬斯克的推文，前驅(qū)感應(yīng)電機(jī)，后驅(qū)是 IPMSRM
6. 怎么做到的？ 特斯拉很早前就說(shuō)過(guò) model 3 動(dòng)力系統(tǒng)的耐久目標(biāo)要達(dá)到 1Mn miles（約 161 萬(wàn)㎞），前不久他們還真就展示了剛經(jīng)過(guò) 1Mn miles 耐久測(cè)試的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元。然后馬斯克發(fā)推說(shuō)「 Model 3 motor/gearbox still in good condition after driving 1Mn miles. Designed for ultra high endurance.」

而且馬斯克還說(shuō)過(guò) Semi 正在突破目標(biāo) 1Mn miles 的研發(fā)，Semi 正在用 Model 3 的動(dòng)力單元負(fù)載進(jìn)行著測(cè)試。

7. 強(qiáng)大的 SiC MOSFET 這個(gè)當(dāng)然還是得靠圖片，感謝 Munro 老爺子，謎底其實(shí)和電機(jī)轉(zhuǎn)子的圖片公開(kāi)時(shí)一起很快就解開(kāi)了。就是下面這個(gè)東西。

原來(lái)厲害在強(qiáng)大的逆變器。Model 3 是第一款在電機(jī)控制器中采用 SiC MOSFET 的電動(dòng)車（總共 24 個(gè) SICMOS ），好處當(dāng)然就是可以大幅提高逆變器的功率密度，讓工作效率和續(xù)航等啥的變得很牛。

特別夸獎(jiǎng)了電池的一致性極高，還拿出來(lái)基于 Nvidia 的改的那塊板子，說(shuō)簡(jiǎn)直是航天級(jí)的水準(zhǔn)。但當(dāng)時(shí)他因?yàn)椴恢?Nvidia 是啥公司，還被 diss 說(shuō)根本不懂 IC 的部分。

8. 競(jìng)品對(duì)比 電機(jī)這部分 Munro 說(shuō)的比較深入，其實(shí)關(guān)鍵點(diǎn)在幾個(gè)月前 Bloomberg 的視頻中他就談到過(guò)了。

首先看一下，Model 3 的電機(jī)是競(jìng)品中重量最輕、成本最低，但輸出功率卻是最大的。這套電機(jī)的效率比競(jìng)品的效率大約高出多少呢？Munro 說(shuō)的還特別有技術(shù)性，square root of 2（ 2 的平方根），普通話翻譯過(guò)來(lái)就是高出 40% 左右。

Munro 讓節(jié)目組拍下了這張對(duì)比圖

而讓 Model 3 的電機(jī)如此高效的原因就是那幾塊神奇的永磁塊。

9. 神秘的磁塊 來(lái)看 Munro 之前在網(wǎng)上流出的一些拆解圖片，看看那些磁塊所在的位置。

你能看到轉(zhuǎn)子上那些長(zhǎng)方形的磁鐵嵌入的位置嗎？缺了一塊，估計(jì)就是 Munro 拆下來(lái)的那塊。Musk 曾經(jīng)發(fā)推說(shuō)這是 International Permanent Magnet（IPM），因?yàn)?IPM 早在日系為主的一些混動(dòng)車型上采用了，當(dāng)時(shí)就想說(shuō)這沒(méi)什么稀奇的。

來(lái)看一下近鏡頭，這就是從電機(jī)上拆下來(lái)的其中一塊長(zhǎng)方形磁塊。

之前 Munro 在 Bloomberg 的視頻中也特別提到這個(gè)磁塊設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性，就是當(dāng)時(shí)沒(méi)解釋到底創(chuàng)新在哪里。

你可以從磁塊上清晰看到有三個(gè)條紋，那就是四塊磁極彼此排斥的永磁塊的結(jié)合部分。而特斯拉竟然把這些磁塊黏在了一起（回憶下小時(shí)候玩過(guò)的吸鐵石，如果想把磁極彼此排斥的那面對(duì)在一起，如果是磁力特別大的吸鐵石，徒手簡(jiǎn)直是不可能的），Munro 說(shuō)他也不知道用了什么厲害的膠。

這些磁極彼此的排斥力有多大呢？Munro 說(shuō)他剛開(kāi)始拆下來(lái)看到這個(gè)小磁塊的時(shí)候感到很新鮮，然后打算把這些黏連在一起的磁塊拆開(kāi)來(lái)看看，結(jié)果四個(gè)東西就像爆炸一樣崩開(kāi)了。

05

人們買(mǎi)的不是電動(dòng)車，而是特斯拉

電池成本差距似乎會(huì)越拉越大，早些時(shí)候FT預(yù)測(cè)電芯成本時(shí)，特斯拉已經(jīng)遙遙領(lǐng)先了。

而目前 Giga1 的產(chǎn)能已經(jīng)馬上就要逼近 35GWh 了，今年再預(yù)測(cè)的話成本可能又不是這個(gè)數(shù)了。

不知道為什么，特別喜歡這張有野馬的 Gigafactory 的圖片

在過(guò)去的幾年里，特斯拉基本上是每?jī)赡攴环?，這就是典型的顛覆性技術(shù)指數(shù)增長(zhǎng)的方式。它的增長(zhǎng)速度超出了所有人的預(yù)期，你我恐怕誰(shuí)都沒(méi)想到。

你說(shuō)特斯拉顛覆在哪兒呢？多的都懶得再說(shuō)了…… 不過(guò) Gigafactory 那東西是特斯拉自己深埋在下面的根基，但大部分消費(fèi)者不是因?yàn)橛袀ゴ蟮那閼巡湃ベI(mǎi)特斯拉的，特別是到了平價(jià)車型量產(chǎn)后，人們就是覺(jué)得那個(gè)東西很酷才去買(mǎi)的。如果你在油管輸入關(guān)鍵詞 Tesla 或是 Model 3 ，你就從沒(méi)見(jiàn)過(guò)有一個(gè)品牌這么有話題性，能讓消費(fèi)者這么愿意拿來(lái)炫耀和分享的。

我真的就隨便輸入了 model3

而且前段時(shí)間看 CleanTechnica 做的調(diào)查，特斯拉還有著極高的消費(fèi)者品牌忠誠(chéng)度，也是目前潛在新能源車消費(fèi)者們最傾向于去購(gòu)買(mǎi)的品牌。這還沒(méi)包括潛在的由燃油車想要過(guò)渡到電動(dòng)車的消費(fèi)者，加上這部分的話會(huì)更嚇人。

再來(lái)看看美國(guó) 2018 年各家的銷量情況。

如果沒(méi)有 Model 3 的話，這個(gè)表就會(huì)很難看。所以，你能看出什么？人們買(mǎi)的其實(shí)不是電動(dòng)車，而是特斯拉。所以，電動(dòng)車上傳統(tǒng)車企如何來(lái)拼品牌？燃油車的品牌力能夠遞延到電動(dòng)車時(shí)代么？這個(gè)確實(shí)要打上問(wèn)號(hào)的。