l. Model S电池包，7000多节钴酸锂电池

Tesla的电动汽车采用了额松下提供的NCA系列（镍钴铝体系）的18650钴酸锂电池（下称“锂电池”），就其早期产品而言，整车的电池包分为60千瓦小时（即kW·h，下称“千瓦小时”）或者85千瓦小时两类，单颗电池容量为3100毫安小时（即mA·h）。Tesla Model S用的型号为85千瓦小时的电池单元，共7104个锂电池（瑞佩尔2021著书称8124节，本篇反推得出的是16*6*74=7104节电池，参见汽车之家-唐朝的文章），组装时将这些电池并联成电池单元，作为基本单位从小到大逐一平均分配，组合成电池片，最终拼合电池片形成电池包，置于车身底板，如图1.1。


锂电池满足较高续航行驶里程的关键，但在高温下的稳定性比镍钴锰酸锂电池（NCM）和磷酸铁锂电池要稍逊色，因此在安全性方面，需要技术的有力支持。 想要更好地理解Tesla的电池技术，首先要理解Model S的电池划分方法。该车型的85千瓦小时的电池包共16模块（称电池片或电池砖），每个模块包含6个单元，每个单元包含74个单独的锂电池。如图1.2所示。


其次是技术支持，电池包内每个电池单元都有保险装置，其作用是，一旦发现某一单元内部出问题，保险装置就会将其切断与其他电池单元的联系，避免影响整体电池的性能。同样，每个电池单元之间也拥有相对独立的空间，由防火墙相隔，即便一个电池单元内部出现了起火的情况，火势也可以得到控制，不至于迅速蔓延至整个电池包。如图1.3所示。电池片之间，有“板”隔开，为上述的防火墙（汽车之家-唐朝，2014）。


由于这种特殊的锂电池排列技术，决定了Model S的电池片如果涉及更换，是以单元为基本单位进行更换。连接方式，每节电池之间采用并联，电池单元之间、电池片之间采用的是串联。这决定了Tesla Model S在实际使用时，单节电池出问题并不会影响使用，只会影响续航里程；但如果一个单元的电池都坏了（即至少坏了74节电池），才会使得车不能使用（瑞佩尔，2021）。


2.其他电池简介

如今新能源汽车几乎都是用的电动汽车，抑或混合型汽车。一方面，锂电池是较为流行的解决方案，但事实上还有其他类型的电池。另一方面，关于物理储能装置，即飞轮电池、超级电容电池，本篇也会略作简介，目前使用都未形成规模。

• 铅酸电池：以酸性水溶液为电解质的蓄电池，称为酸蓄电池。发明至今有100多年历史，广泛用于内燃机车的动力端。
  
• 镍氢电池：碱性电池，循环寿命是铅酸的3倍。真空环境可工作，低温性能好，可长时间存放，可随时充电无记忆性，不污染环境。然而，鉴于价格昂贵，目前高端电动汽车采用该方案。
  
• 镍镉电池：碱性电池，循环次数2倍于铅酸，也具有低温性能好、长时间存放、真空可工作等特性，但不适合随时充电，目前应用于低端混合动力车。
  
• 锂离子电池：极高性能优势，最先被BMW使用。蓄电池类型中能量密度高，质量轻也方便集成，由于其不存在有毒物质，属于真正的“绿色能源”。缺点是材料稳定性稍差，相对来说更容易爆炸。
  
  我国资源储备情况：一是钴酸锂电池和三元材料电池质量更轻、体积更小，但钴酸锂主要原材料在我国储量少。二是锂离子电池主要原材料锂、锰、铁、钒都是我国丰富资源，有发展条件。三是我国是永磁同步电机中永磁材料稀土资源的大国，为锂电池汽车提供了材料保证。
  
  目前我国主要生产锂离子电池厂家：深圳比亚迪、天空能源（洛阳）、苏州星恒、深圳雷天、河南环宇、青岛澳柯玛、武汉力兴、天津力神、北京萌固利、TCL金能、北京中润恒动、浙江兴海、山西光宇、天津航力源、苏州迪耐特、双一力（天津）新能源、深圳兴科特、江西美亚能源、天津蓝天双环、湖南海星高科、深圳德朗能电池等。
  
  
• 钠硫电池：由美国福特公司研制并公布，大电流、高功率放电，但需要保温，过充时很危险。
  
• 超级电容：又称黄金电容、法拉电容。使用活性炭做电极材料，吸附面积大、静电存储多。电极还分碳电极、金属氧化物电极、有机聚合物电极。应用于新能源汽车最广泛，属于汽车部件的辅助能源。
  
• 飞轮电池：通过飞轮的动能存储外界输送的电能，需要使用时候再转化为电能。美国飞轮系统公司已经生产出以克莱斯勒LHS轿车为原型的飞轮电池轿车。关于轴承技术，需要满足高速重载且摩擦损耗低，目前有超导磁悬浮、永磁悬浮、电磁悬浮。
  

最后，讨论一下为什么锂电池是最广泛使用的方案。综合上述电池性能，不难发现，锂离子电池具备充电快、单位质量的千瓦小时够大，适用于长续航产品，只需保证电池的安全性，便可有更广泛的应用。表2.1综合梳理了各类电池的优缺点。


本篇主要介绍电动汽车——这个目前已经被广泛接受的环保方案。事实上，仍然有很多其他新能源汽车方案，例如，氢燃料汽车，即燃烧装置和气缸传动的方案，再如天然气燃料汽车。另外，太阳能汽车属于太阳能转化为电能使用，区别于气缸传动，太阳能的使用和电池/蓄电池有相似之处，接下来让我们看看电动汽车的传动方式。


3.电动汽车如何传动？

上述谈及的问题涉及电池及蓄电池，前者是通过某种方式将其他能量转化为电能，后者是能量转化之后，以某种方式存储，需要用到的时候再将能量形式转化为电能。进一步地，通过电能使得发动机转动，进而旋转转动轴，达到转动轮胎的目的。

目前而言，发动机分为两种，一是永磁同步电动机（Permanent Magnetic Synchronous Machine， PMSM）。总结来说，磁铁之间可以相互引导方向， 试想一个薄壁圆柱中加入传动轴的装置，汽车行业成为定子（薄壁圆柱）和转子（传动轴），如果定子和转子都带有磁性的话，便可悬浮传动使得转子转动起来。永磁同步机就是利用上述原理使得定子和转子均带有磁性，一个是磁性材料，一个是由电产生的磁性，以便于随时改变磁极。于是，定子通电、转子为磁性材料（如图），抑或定子为磁性材料，而转子通电。


图3.2中的绿色是刷子，用于放电势调整波形之用，无刷直流电机产生的是方形波，加上刷子可产生正弦波。永磁同步机严格意义上是有刷直流电机，满足定子和转子中，一个使用磁性材料，另一个采用通电材料。图3.1中，作为引导转子转动的定子数量可以加倍，变成六相位的，此时电动机的动力相当于双缸发动机（赵振宁，2016）。


顺带一提，原本我们所说的内燃机，主要由气缸、活塞及连杆、平衡重及曲轴组成。


内燃机以四冲程发动机为例，整个过程活塞上下活动两次。第一步“进气”，空气和汽油的混合气体（橘色）进入气缸，将活塞压至底部。第二步“压缩”，这步的动力由轮胎带动曲轴转动，使得活塞向上压缩气体。第三步“膨胀”，由点燃气体所致，迅速燃烧产生气体（黄色）下压活塞，所产生的力量带动曲轴让轮胎前进。第四步“排气”，轮胎带动曲轴使活塞上移，排出燃烧所剩气体（御堀直嗣，2013）。通常，图3.3中的黄色气体，带有硫化合物，对环境造成危害，从内燃机换成电动机，避免带有害废气产生。

二是感应异步电动机（ACIM，Asynchronous Induction Motor, ACIM）。原理与永磁同步电机一致，区别在于ACIM的定子和转子均采用线圈通电的方式产生磁性。


从公开资料看，相对于永磁同步电动机，异步感应电动机通过线圈通电使得定子和转子分别带上磁性，进而产生转动的方案，具有旋转滞后性。形象地说，转子的磁场始终在“追赶”定子的磁场，也因此称为“异步”。 异步感应电动机具有续航能力强，稳定性更佳的特点，鉴于通电线圈不存在高温退磁、振动退磁等现象。Tesla 高端车型电动机方案为混合型，即“前永磁，后感应”，进行四轮驱动（王新宇，2020）。


参考文献

[1] 瑞佩尔（2021），特斯拉电动汽车结构、原理与维修图解手册（中文版）[M]，化学工业出版社，2021.
[2] 汽车之家-唐朝（2014），深入内“心” 拆解特斯拉MODEL S电池组，汽车之家，2014.
[3] 赵振宁（2016），新能源汽车技术概述[M]，北京理工大学出版社，2016
[4] 御堀直嗣（2013），汽车是怎样跑起来的[M]，人民邮电出版社; 第1版，2014
[5] 王新宇（2020），永磁同步与异步感应：为何高端电动车，必须同时要装这两种电机？，芯热门，2020.