特斯拉电池系统展望调研投资分析报告.docx
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特斯拉电池系统展望调研投资分析报告
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2017年8月
正文目录
1.特斯拉公司简介4
2.特斯拉的电池系统6
3.电池及电池板的构造9
4.电池管理系统13
5.电池冷却系统14
6.配套充电设施16
7.电池充电管理技术23
8.相关建议24
9.风险提示25
图表目录
图1特斯拉Model35
图2特斯拉ModelS5
图32014年特斯拉ModelS成本结构7
图4特斯拉ModelS动力电池系统成本结构7
图5特斯拉ModelS各电池型号续航里程及马力8
图6Model3与ModelS的对比9
图7小型单体电池与大型单体电池的比较10
图8TeslaModelS电池板（已拆开电池板顶盖）11
图9单个18650电池11
图10防水透气阀12
图11电池管理系统13
图12电池温度冷却系统管道15
图13电池“冷却液”管路通过每一节电池15
图14家庭充电17
图15家用充电桩17
图16目的地充电18
图17超级充电站18
图18特斯拉ModelS各方式上充电预计时间19
图19我国目前目的地充电站地图19
图20全国超级充电站地图19
图21超级充电桩与充电机21
图22超级充电桩充电枪21
图23特斯拉新国标充电配适器22
图24第三方充电桩23
图25特拉斯电池系统不同放电深度、循环寿命测量24
1.特斯拉公司简介
特斯拉（TESLA）成立于2003年，是一家从事纯电动车设计、制造和销售的公司，同时也为第三方提供储能系统的方案设计和生产服务。
公司在能量传输设计、整车设计、制造工艺和能量存储技术方面具有强大的核心竞争力。
2010年6月29日，特斯拉在纳斯达克上市。
据公司2016年年报，报告期内特斯拉营收达70亿美元，同比增长73%，净亏损由2015年的8.8亿缩小到6.75亿。
汽车销量方面，公司全年交付量为76230台，同比提升50%。
同时，特斯拉宣布了2017年上半年的交付目标，为4.7-5.0万台ModelS和ModelX，较去年同期提升61%-71%，而下半年的产量目标要取决于Model3投产的具体情况。
此外，特斯拉超级工厂建设进度大幅加快，预计在2018年将实现35GWh的年产能。
目前，特斯拉只涉足了两个相对较小的高端轿车和SUV细分市场。
目前，整车产品有三种车型，ModelS（豪华电动轿跑，2012年6月22日首次推出）、ModelX（豪华电动SUV，2015年9月首次交货）、Model3。
随着平民级电动车Model3、紧凑型SUVModelY以及小型卡车Semi的推出，特斯拉将进军更多的细分市场。
图1特斯拉Model3
图2特斯拉ModelS
除整车产品外，特斯拉拥有独立的可提供给第三方的储能产品Powerwall和PowerPack。
储能产品在电力需求低谷时低价充电，在电力需求高峰时段输出，可为家庭、企业或公共事业提供节能合理的用电方案。
2016年8月2日，特斯拉与太阳城公司（SolarCity）达成合并协议，将共创世界上唯一一家垂直整合的可持续能源公司，创造出完全整合的民用、商用和电网级产品，改善能源的生成、储存和消耗方式。
2.特斯拉的电池系统
电池系统是电动车的动力来源，是整个产业链中最核心的系统成分。
以特斯拉ModelS为例，其电池系统（锂电池+电池管理系统）成本占比为56%，而传统的轿车发动机占比大约只有15%-25%。
到了2016年，电池系统的成本占比有所下降，且成本结构也有所变化，单体电池的成本占到了83%，电池管理系统的成本占比约为13%，剩余4%为电池冷却系统。
通过对特斯拉电池系统的构成以及特斯拉配套充电设施进行详尽的梳理，我们可以对特斯拉的电池产业链有一个直观、深入的认识，对于其它新能源汽车也可以起到触类旁通的作用。
目前电池系统的成本是制约特斯拉及其它新能源汽车发展最主要的因素之一，了解了电池系统就相当于拥有了解开新能源汽车产业的钥匙。
图32014年特斯拉ModelS成本结构
图4特斯拉ModelS动力电池系统成本结构
电动车要想具备实用性，就必须考量它一次充电后的续航性及其充电的便捷性，要了解这两点就必须关注其电池的构造以及充电设备的充电速度和设备分布。
ModelS曾推出的搭配电池功率型号有40、60、70、75、85、90、100kWh，对于85kWh及以上型号，还有一些提供更出色的动力性能的性能版可供选择，比如Perf版和Ludicrous版。
不同的型号，每次充满电所能最大行驶的距离和最大马力不同。
随着技术的进步和为了更加迎合人们的需求，特斯拉陆续取消了一些ModelS电池型号，现今仍可以订购的功率型号为75、90、100kWh。
图5特斯拉ModelS各电池型号续航里程及马力
而ModelX则推出过60、70、75、90、100kWh的型号，现在可以订购的只有70和100kWh的型号。
据中关村在线的资讯显示，特斯拉设计的Model3电动车基本版本的电池组功率约为60kWh。
而根雷锋网据Musk的Twitter及相关信息进行了推测，可能最高只有75kWh版本。
这主要是由于Model3相比于ModelS和ModelX，车轮的轴距更小，同时Model3的定位也是作为入门款。
根据ElonMusk7月9日的推特消息，第一辆Model3已于当天下线，同时特斯拉将在7月28日为首批30名订购Model3的消费者举行交付仪式。
另外，Model3使用电池也不同于ModelS与ModelX。
在特斯拉汽车日本公司2015年7月15日举行的媒体说明会上，美国总公司的电池技术总监KurtKelty公布了Model3将使用全新21700锂电池的消息，其能量密度将比用于ModelS与ModelX的18650锂电池高30%。
图6Model3与ModelS的对比
3.电池及电池板的构造
不同于其它电动汽车，特斯拉使用的电池并非专用的整块大电池，而是将几千个圆柱形小电池组装起来。
ModelS与ModelX目前使用的都是松下供应的18650NCA特制电池，这种圆柱形电池横截面直径为18毫米，高65毫米。
常规款的18650锂电池被广泛地使用于笔记本电脑的电芯中，其化学式构成为LiNiCoAlO2。
图7小型单体电池与大型单体电池的比较
采用单个电池的优点在于单个的18650电池发生爆炸威力有限，即使并联的一个电池单元出现故障，最多使续航距离缩短一块电池单元所提供的行驶距离。
而且该款电池工艺成熟，适合大批量生产。
同时电池一致性好、成本低。
而由于特斯拉电动车本身优良的热管理系统，松下为特斯拉特制的18650电池相比于常规款得以移除一些多余的安全设施，从而变得更轻更便宜。
同时，特斯拉又在每个电芯上都安装了保险丝，而不是通常地在整个电池组设置保险装置。
由于动力系统采用的是小型单体电池，特斯拉的电池系统构造就显得异常复杂和精巧。
以ModelS85kWh型号为例，电池板共分为16个电池组，如下图所示的每一个矩形块均为一个电池组，最右侧堆叠了两组。
电池组之间串联连接，电压共402伏。
特斯拉的每个电池组又由6个单体电池包串联而成，每个电池包由74节18650电池并联而成。
为了方便电池组内的散热管路的安放，单体电池包的采用不规则的布置。
因此，ModelS85kWh型号使用了多达7104节电池，按照3.6V的工作电压和3.2Ah的电容量来计算的话，总电量约为82kWh，略低于车型说明的电量。
这7000多节电池组成的电池组重量将近700公斤，占了整台车重量近一半。
类似地，100kWh型号电池板使用了共8256节单体电池，同样分为16个电池组。
图8TeslaModelS电池板（已拆开电池板顶盖）
图9单个18650电池
为了保护电池组，特斯拉在电池组前部顶面上设计了防水透气阀，利用气体分子与液体及灰尘颗粒的体积大小数量级之差，让气体分子通过，而液体、灰尘无法通过，从而实现防水透气的目的，避免水蒸气在电池组内部凝结。
图10防水透气阀
ModelS电池板的放置位置正好使它成为车轴之间的底板，这个设计带来了许多好处。
由于电池板是全车重量最大的一部分（ModelS85kWh型号电池组重544千克），使得ModelS的重心高度只有18英寸，因此拥有了一个较大的横向加速度（0.9g）以及良好的防侧翻性。
同时为了保护位于底部的电池板，特斯拉还在电池板下部增加了一层由铝合金（或者钢、玻璃纤维、碳纤维、塑料等，目前ModelS采用的是铝合金）材料构成的保护结构，将电池模块包裹起来，并保持一定的缓冲距离，并将其取名为防弹铠甲（BallisticShield）。
4.电池管理系统
电池管理系统（BatteryManagementSystem，简称BMS）是对电池组进行安全监控及有效管理、提高蓄电池使用效率的装置。
主要功能包括数据采集、电池状态计算、能量管理、热管理、安全管理、均衡控制和通信功能等。
通过该系统对电池组充放电和放热的有效控制，可达到增加续航里程、延长使用寿命、降低运行成本的目的，并保证电池组应用的安全和可靠性。
特斯拉的BMS能够提供精确的电池健康状态预估技术、电池平衡管理技术、电池残电量管理技术、电池热管理技术、诊断与预警技术。
即使是同样电池容量的电动汽车，由于BMS的不同，其续航里程、充电时间、启动加速时间和电池寿命将大不相同。
特斯拉通过其强大的BMS系统，可以有效实现超过7000节18650号电池的一致性管理，达到高安全性和可靠性目标。
此外，在电池冷却、安全、电荷平衡等与BMS相关的领域，特斯拉申请的核心专利超过140项，因此BMS技术是特斯拉的核心竞争力之一。
图11电池管理系统（图中绿板）
特斯拉电池组的每一组都有其独立的电池管理系统，位于电池组侧面，即上图绿色部分。
其中的感应器和芯片，随时监控每粒电池的温度变化，遇到意外情况，能以毫秒级别时间关闭电池。
特斯拉由于其优秀的BMS，其续航里程、充电时间、启动加速时间和电池寿命将大大优于其他电动汽车。
因此BMS技术是特斯拉的核心竞争力之一。
5.电池冷却系统
电池板内除了电池组外，最多的就是“冷却液”管路。
每一辆特斯拉都有一套专门的液体循环温度管理系统围绕着每一节单体电池。
图12电池温度冷却系统管道
图13电池“冷却液”管路通过每一节电池
“冷却液”呈绿色，由50%的水和50%的乙二醇混合而成。
“冷却液”不断地在管道中流动，最终会在车辆头部的热交换器散发出去，从而保持电池温度的均衡，防止电池局部温度过高导致电池性能下降。
特斯拉的电池热管理系统可将电池组之间的温度控制在±2℃，控制好电池板的温度可有效延长电池的使用寿命。
6.配套充电设施
特斯拉的充电方式主要分为家庭充电、目的地充电和超级充电站三种方式。
家庭充电是特斯拉最主要的充电方式。
特斯拉汽车可以直接通过220V10A/16A家用插座进行充电。
国内普通家庭用电多为220V40A电表，但插座多为10A或16A。
通过TESLA随车带的充电线配和相应插头连接并选择10A或16A的充电电流，无需单装电表以及任何设备改造即可充电，但充电速度慢，每小时大约可充8公里的续航。
由于国内大部分小区采用的是220V单相供电的形式，最高电流能达到40A。
通过将每辆ModelS和ModelX随车附赠的家用充电桩，在自己的停车位处安装后即可以40A的充电电流进行充电。
这样一来，充电速度可以远快于国内大多数电动车16A的充电电流所提供的充电速度。
此外，还可以选择安装特斯拉专用充电墙（HighPowerWallConnector）。
单独申请80A电表或增容现有电表，通过安装TESLA专用充电墙并安装第二充电器（在车内，需购车时选配）实现快速充电。
每小时充电可达17.6kWh，可行驶80-100公里，从无电到满电需5-6小时。
图14家庭充电
图15家用充电桩
目的地充电是为了方便出行而设置的充电方式。
特斯拉在包括部分餐厅、饭店、购物中心和度假村等地合作安装有目的地充电站点，车主也可以在抵达这些地方后进行充电。
目的地充电站点的充电桩同家庭充电中所安装的充电桩或充电墙是完全相同的。
收费标准也由安装的企业决定。
特斯拉官网显示，其目前在国内30个省（含直辖市及自治区）有654个充电站点。
图16目的地充电
图17超级充电站
除了以上两种充电方式以外，特斯拉还有一种直流快充方式——超级充电。
特斯拉号称其超级充电站是目前世界上最快的充电站，充电一般仅需几十分钟。
充电站的选址通常位于餐厅、购物中心、WiFi热点等附近，可以在停车休息的时候充电。
这是开车长途旅行的首选。
图18特斯拉ModelS各方式上充电预计时间
根据特斯拉官网数据，目前已建立遍布全球的861座超级充电站，共计5655个超级充电桩。
而根据特斯拉中国官方6月发表的微博，至今已在中国建成117个超级充电站，554个超级充电桩。
同时2017年，特斯拉全球充电网络规模将扩大一倍；在中国的充电网络的扩建也将紧随全球的扩张速度。
图19我国目前目的地充电站地图
图20全国超级充电站地图（红色为已开放，灰色为即将开放）
一部分的特斯拉超级充电站还利用太阳能板来提供一部分充电的电能，同时还有遮阳的效果。
每个充电桩的造价大概在10万美元到17.5万美元之间，其中多半的资金将用在地基的重塑上。
超级充电站的充电桩两两构成一对，并附带一个充电机，每对充电桩有十几个10kw的充电器，由计算机控制。
每对充电桩最高共提供145kWh的充电功率。
只有一辆特斯拉充电时，以480V的电压进行充电，其功率可以达到120kWh。
而两辆车在一对充电桩同时充电时，由于受到145kWh的限制，充电速度减慢。
此前，ElonMusk又在Twitter上透露，特斯拉将会对Supercharger进行升级，输出功率很有可能将会超过350kW，这无疑会进一步极大地加快充电速度，减少充电时间。
图21超级充电桩与充电机
图22超级充电桩充电枪
超级充电桩所使用的充电枪也是一个技术极度密集的部件。
当特斯拉在超级充电桩充电时，充电枪里的感应器会时刻检测车内电池的温度变化。
一旦电池温度过高，充电枪就立即发出信号，减低充电强度，使电池温度降低；同时，电池板内的冷却系统，也同步做出相应的反应，使冷却力度同步加强。
这个自动调节充电强度的过程是电枪、电池冷却系统、充电桩的电流，一起高度协同工作。
除特斯拉之外市面还有其他品牌电动车它们也有自己充电桩，国家电网、南方电网等电力公司也修建了一些公共充电桩。
特斯拉在2016年11月的广州车展上，正式发布了新国标充电配适器。
自此，特斯拉电动车不仅能在特斯拉的充电网络中充电，也可以使用符合中国新国标的充电设施进行充电。
将配适器的一头插在符合新国标标准的非特斯拉充电桩插头上，一头插在特斯拉车上，即可进行充电。
不过目前有些充电桩还必须办理相应的充电卡才能充电，充电速度也参差不齐。
图23特斯拉新国标充电配适器
图24第三方充电桩
7.电池充电管理技术
特斯拉电动车充电的快捷性得益于其快速充电技术。
通过可变电流和三段式充电方法，合理分配充电电流，以最高的充电效率快速充电。
如今手机的快速充电所采用的技术也类似于此。
当使用超级充电桩对特斯拉电动车进行充电时，由于充电速度会随着电池充电量的上升而逐渐下降，所以不一定需要将电池充电到80%以上。
当电量足够继续行驶至下一个充点电即可。
今年4月，特斯拉还通过了一条名为“在充电环节中，充电站为电动汽车提供热调节”的专利。
专利写道，通过一种地面装载的系统，汽车电池组能够实现自动充电，同时通过额外外部的冷却系统，降低高速充电时电池短时间内温度增加，从而可以使电池组的充电速率更高。
对于锂电池来讲，深放电机会越小寿命越长，反之，频繁地深放电（将电池电量用到20%以下）将导致电池寿命降低。
特斯拉电池在其特有的工艺下，在50-0%循环模式（使用电池不超过50%的电量），电池总寿命延长一倍。
而在深度循环模式下，900个循环后，容量衰减至50%。
所以从保护电池寿命的角度来讲，可以尽量将每次行程控制在80%最大续航之内，避免用电超80%后再充电，但可定期深放电以激活电池。
图25特拉斯电池系统不同放电深度、循环寿命测量
8.相关建议
特斯拉的横空出世开启了世界新能源汽车的潮流，随着消费者的认同感越来越高，整个汽车工业正在逐渐被颠覆。
作为未来几年的投资主线之一，与特斯拉产业链处于共同领域的国内相关企业都是不错的标的。
电池系统可以关注7月10在投资者互动平台上披露动力电池散热系统用铝材通过特斯拉一级供应商已应用于特斯拉车辆的常铝股份。
9.风险提示
下游需求不达预期，后续技术研究进展不及预期。
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