特斯拉

特斯拉純電動汽車專利技術的利用與借鑒

第一電動大牛作者雷洪鈞 2018-03-05 16:13

大家都知道，申請專利基本目的是保護申請人的利益，而特斯拉公司卻開放專利技術，供其他公司免費使用。這到底是為什么？不同的人有不同解釋。筆者觀點是，特斯拉公司開放專利技術，客觀上為大家利用與借鑒提供了便利。特斯拉公司純電動汽車領頭羊，其他廠家一是要學習、二是分析、三是要借鑒和利用，這是對特斯拉公司開發(fā)專利技術最好的解讀。

一、特斯拉開放專利中與“電池”有關的占專利總數的 53%

特斯拉公司純電動汽車在世界是做得最好的。好在什么地方呢？專利技術越多代表去技術創(chuàng)新越多。發(fā)展純電動汽車的瓶頸是電池。在特斯拉開放的專利有130多項，104 項與電池以及電池安全控制系統(tǒng)有關，28 項涉及充電技術。這兩類專利占到了專利總數的 53%。換一句話，特斯拉公司之所以電動汽車做得最好的，是因為在解決電池瓶頸問題上，專利技術最多。

我們發(fā)展新能源汽車，2017年產量規(guī)模接近80萬輛，初步估計，2018年會超100萬輛。但是我們有多少專利？尤其是與動力電池有關的專利有多少？我們的專利，是不是也可以開放？認真思考一下，其差距就出來了。

二、專利技術多，源于特斯拉的商業(yè)計劃

特斯拉公司不是傳統(tǒng)汽車公司，不具備一開始做大規(guī)模的生產能力，如何殺進汽車領域？特斯拉的產品從高端一步一步過渡到低端的軌跡十分清晰。

第一步：向超級富豪推出高價（10萬美金）、小批量的跑車（見圖1）。市面上人們普遍接受車型是2.5萬美金水準。這個車的最主要特點，價格高，產量少，物有所值。

圖 1 特斯拉第1階段電動汽車( Roadster)

筆者認為，特斯拉公司開始沒有思考盈利，主要是通過高成本（高投入）在彌補電動汽車長期存在的若干缺陷，卻用驚艷的產品顛覆了人們對電動汽車的看法，進而向外界傳遞了特斯拉公司能做世界上最好的電動汽車。而客觀事實證明了，其基本目的是實現了的。

第二步，由中高端、少批量車的型向中等價位、中等批量生產的電動汽車推廣。這個汽車基本價位是（ 7.5 萬美元），參照對象是奔馳或寶馬,見(圖 2) 特斯拉電動汽車 Model X。

圖 2 特斯拉第2階段電動汽車 Model X

這個車的最主要特點，價格偏高，與奔馳或寶馬有一定市場競爭力了。筆者理解，對普通人而言，已經有需求的沖動了。實際上，在中國的一些城市里高檔社區(qū)的人家，已經開始預訂采購了。

筆者認為，特斯拉公司向世界傳遞了要與奔馳或寶馬在電動汽車分市場上開始正面競爭了。這個時候奔馳或寶馬還在電動汽車研發(fā)上猶豫不定。

第三步，向普通大眾推出低價（基本價位 7.5 萬美元）、上量產的汽車（圖 3）。這個車的基本特征是、更經濟、更大規(guī)模量產、相對便宜的價格和保養(yǎng)的節(jié)省大眾化電動車。

圖 3 特斯拉第3 階段電動汽車 Model S

筆者理解，特斯拉公司向世界傳遞了電動汽車要替代燃油汽車已經是基本趨勢了。從特斯拉公司商業(yè)計劃的成功設施，可以看出，專利技術的重要性；換一句話，130項電動汽車的專利技術，其商業(yè)計劃不可能成功。特斯拉商業(yè)計劃的實現，必須在專利技術下功夫，是其專利技術奠定了特斯拉公司在全世界電動汽車領域的霸主地位。筆者理解，樂視汽車、小鵬汽車有學習參考、借鑒特斯拉商業(yè)計劃痕跡。

而中國公司（如東風公司、北汽新能源等公司）的商業(yè)計劃與特斯拉商業(yè)計劃在方向是相反的，從低端車型一步一步向中高端車型提升，所以說中國這些公司今天也沒有太多專利，但是中國公司（如東風公司、北汽新能源等公司）商業(yè)計劃的實現，成就了中國電動汽車年生產規(guī)模世界第一。

三、中國電動汽車如何由規(guī)模最大走向最強

中國公司（如東風公司、北汽新能源等公司）商業(yè)計劃的實現，說明了中國已經是電動汽車大國，而特斯拉的成功，說明了電動汽車強國不在中國。中國電動汽車要彎道超車，第一步實現了電動汽車大國第一步目標，接下來要實現電動汽車強國的目標。即中國電動汽車如何彎道超車？筆者理解，還是要認真研究特斯拉的專利技術為最適宜。

1）關鍵零部件用最成熟的，是特斯拉公司特點之一

（1）采用 18650 型三元鋰離子電池

這種類型電池曾一直用于筆記本電腦、數碼相機、手機等電子消費產品中。特斯拉卻用這個電池來做電動汽車，這是為什么呢？專家介紹，特斯拉選擇松下 18650 型電池的原因主要有：

①18650 型電池技術較為成熟、出貨量大、生產自動化程度高，可以有效降低電池系統(tǒng)成本；

②全球每年生產數 10 億個 18650 型電池，安全級別不斷提高，能量密度大，（在設計上特斯拉使用的 18650 型電池能量密度高于同時期其它類鋰電池 50% 以上）、穩(wěn)定性、一致性更高；

③單體電池尺寸小但可控性高，可降低單個電池發(fā)生故障帶來的影響，即使電池組的某個單元發(fā)生故障，也不會對電池整體性能產生影響。

（2）采用技術成熟的感應電機

感應電機，技術成熟、結構簡單、容易制造、價格低廉、運行可靠、堅固耐用、環(huán)境適應性強。特斯拉為什么不采用專家們普遍看好的永磁電機呢？令人費解。深入剖析后，不得不佩服特斯拉公司技高一籌。特斯拉公司采用電機是最成熟的老產品，但是集成到車上卻是雙電機方案，不僅的使用從多個技術層面強化了 Model S 的性能優(yōu)勢，使其擁有極限速度極佳穩(wěn)定性。

特斯拉案例提醒汽車廠，零部件可以用老產品，但是如何用老產品，是必須要創(chuàng)新的。而中國的汽車廠往往把用新零部件視作創(chuàng)新。

2）特斯拉公司技術創(chuàng)新在底盤“電池組/電機/四驅”設計上

以特斯拉Model S為例。Model S是后置后驅車型。驅動機構位于車輛后橋，前橋配有輔助電機，電池包是一體化的，分動箱、差速器、差速鎖，粘性聯軸節(jié)等部件都省掉了。見圖4，可以看出：

圖4 特斯拉Model S 底盤

①電池包一體化。特斯拉采用的是與筆記本一樣的18650 型電池，但與其電池包是一體化，整臺Model S的整備質量為2108kg，其中電池組的重量就占了600kg。特斯拉案例提醒汽車廠，動力電池包一體化是技術發(fā)展方向。而以長安和北汽新能源公司為例，卻主張是采用“換電”模式，其理由是什么？

②主電機+輔助電機組合設計。輔助電機被設計為擁有較為平緩的扭矩曲線，在主電機達到高轉速出現扭矩下降時，輔助電機就可以補充一部分扭矩，使車輛后半段的加速也保持有力的狀態(tài)。特斯拉案例提醒汽車廠，為電動車裝上多（1-3）個檔位變速箱，可以優(yōu)化電機的輸出功率，但是結果會導致是汽車動力總成的結構就會變得更加復雜，影響動力輸出到輪端的流暢度。

③電動汽車實現四驅后，續(xù)航反而會提升，特斯拉官方報告的數據，全時四驅版的Model S 85D，能夠比兩驅版本多出5英里的續(xù)航。特斯拉案例提醒汽車廠，電機分布控制是技術發(fā)展方向。

3）特斯拉公司核心技術優(yōu)勢在電池包管理系統(tǒng)上

大家知道燃油汽車的核心部件是發(fā)動機，電動汽車的核心部件是電池包。特斯拉一體化電池包有7000多個電體電池。如何集成一體？從硬件加工層面講，要如何串聯？如何并聯？如何打包？是一道接一道難題，要去解決；從軟件設計層面講，控制策略如何制定？其判斷標準是什么？依據從哪里來？特斯拉公司電池包管理系統(tǒng)功能是如何實現的？

專家介紹，特斯拉公司借鑒了互聯網程序管理控制成百上千臺服務器的模式，引入了分層管理的方法控制這些“活躍的圓柱體”，其優(yōu)勢在于

①能夠準確估測電池單體的荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC），保證 SOC 維持在合理的范圍內，防止由于過充電或過放電對電池造成損傷。

②電池組中的每一個電池單體都連接著一個熱敏電阻以及一系列的光導纖維，同時將熱敏電阻連接到電池監(jiān)控器，將光導纖維連接到光敏感應器；

③某個電池單體溫度超過安全標準時，熱敏電阻將產生一個電信號傳達至電池監(jiān)控器以便啟動電池冷凝系統(tǒng)保證電池安全性能。特斯拉電池模組采用水冷散熱，使得電池保持在恒定溫度區(qū)間以避免電芯過熱。

④電池模組之間都以防火墻分隔。當電池發(fā)生火情時，會被電池組架構中內置的防火墻阻隔在車身前面的一小部分空間內。

特斯拉案例提醒汽車廠，動力電池性能的改善的電池廠的工作，而電池包設計和性能改善是主機廠的工作，而且很主要的工作。

4）特斯拉公司電動汽車充電解決方案

特斯拉為中國車主提供充電解決方案是：以家庭充電樁為主，超級充電樁和目的地充電樁為輔，通用移動充電器為補充。

①以家庭充電樁為主：家用充電樁是特斯拉車主最主要的充電方式，其意思用家里電表的電（220伏交流電）來充電；

②超級充電樁和目的地充電樁為輔：設立公共充電站，配備一整排的超級充電樁就像加油站的一排油泵。車主選配的車內充電系統(tǒng)不同，充電時長也會不同；

③通用移動充電器為補充：通用移動充電器便于攜帶，體積小巧、無需安裝、可以方便地利用工業(yè)插座或者家用 220 V 插座為車充電。

特斯拉案例提醒汽車廠，電動汽車要替代燃油車，充電解決方案十分重要，動力電池充電不可以機械地照搬加油站的做法，也不否認加油站建設積累。