Hur Tesla driver elbilsinnovation

Jag tog nyligen en provtur i en av Teslas lyxiga Model S-elbilar och turnerade i dess FoU-labb, där den utvecklar sin batteri- och laddningsteknik. Erfarenheten fick mig att tro att Tesla har ett viktigt försprång gentemot sina konkurrenter i loppet för att få ut elbilar till massorna.

Naturskön rutt : En Model S rusar längs kusten.

Teslas Model S är dyr (den varierar från $70 000 till över $100 000), men dess räckvidd är 265 miles, mer än tre gånger så stor som Nissans Leaf (75 miles). Inom några år hoppas Tesla kunna producera mycket mer överkomliga fordon – inklusive ett som kostar 30 000 till 35 000 USD – med en räckvidd som liknar den för Model S. Tesla vill också göra elbilar mer praktiska genom att bygga ett rikstäckande nätverk av laddstationer som kan leverera 200 mils laddning på ungefär en halvtimme—jämfört med flera timmar att ladda en elbil på en vanlig station idag.

För provkörningen planerade jag en bilresa från Teslas huvudkontor i Palo Alto, Kalifornien, till San Francisco, sedan över till Half Moon Bay för en kryssning längs den natursköna kustnära Highway 1 till Santa Cruz. Senare skulle jag återvända norrut till Fremont för en rundtur i Tesla-fabriken, innan jag lämnade tillbaka bilen till huvudkontoret – hela resan skulle bli cirka 230 mil.

När jag kom till Tesla i Palo Alto för att hämta bilen upptäckte jag dock att någon hade glömt att koppla in den över natten. Batterimätaren visade 208 miles - kort för hela räckvidden på 265 miles för Model S. Jag kunde fortfarande göra min resa, men ett stopp vid en överladdningsstation var nu nödvändigt.

Dagens elfordon lovar flera fördelar jämfört med bensindrivna bilar. För pendlare finns det inga resor till bensinstationen - allt du behöver är ett uttag hemma eller på jobbet - och en full laddning kostar bara ett par dollar. Och elmotorer, som bara behöver en enda växel för alla hastigheter, kan också vara förvånansvärt lyhörda och kraftfulla. Dessutom använder elbilar ingen bensin och avger inga föroreningar. Även när man räknar in koldioxidutsläppen och föroreningarna från kraftverken som producerar elen för att driva bilarna, och från tillverkning och bortskaffande, producerar elbilar cirka 40 procent mindre koldioxid och ozon än konventionella bilar.

Men trots alla deras egenskaper hemsöks elbilar fortfarande av två fördömande faktorer: höga kostnader och mindre än optimala batterier.

Det är där Tesla hoppas kunna göra skillnad. Företagets innovativa batteri- och laddningsteknik har gett det en betydande ledning när det gäller att göra batterier billigare och ladda snabbare, och det hjälper också Tesla att sänka kostnaderna snabbare än sina konkurrenter.

Vid 10-tiden körde jag ut från Teslas parkeringsplats och utnyttjade bilens acceleration – 0 till 30 på 1,7 sekunder. Under hela dagen passerade jag andra bilar medan jag klättrade uppför branta backar, tog kurvor i fart och lämnade andra bilar stående vid stoppljus.

Bränslemätare : Model S:s instrumentpanel visar aktuell position, återstående laddning och energiförbrukning över tiden. Den del av diagrammet längst till höger i grönt visar resultatet av regenerativ bromsning.

Men jag kände ett sting av ångest när jag märkte att det bara var 67 mils laddning kvar i batteriet. Bilen beräknade att jag skulle anlända till närmaste laddstation, i Gilroy, med 20 mil över – ungefär hälften av vad jag hade förväntat mig att se. Jag skulle inte ha varit orolig om jag visste att jag kunde räkna med den uppskattningen, men som med alla elbilar varierar den faktiska räckvidden beroende på din körstil, terrängen och trafiken. Model S visar två olika räckviddsuppskattningar: en som tickar ner gradvis, som en bränslemätare, och en annan som visar hur din räckvidd skulle påverkas om du fortsatte att köra som du har gjort de senaste minuterna. Jag sänkte luftkonditioneringen, dämpade bilens enorma 17-tums pekskärm och lättade av gaspedalen för att spara lite juice. Jag kom med 17 mil kvar i batteriet.

Laddningen var mycket lättare än jag hade förväntat mig, efter att en gång ha tillbringat en eftermiddag med att ladda en Chevrolet Volt vid en vanlig allmän laddstation för att få bara 30 mils laddning. Bilen kände igen en RFID-tagg i laddarens handtag och öppnade automatiskt utloppsdörren. När jag hade gått över parkeringsplatsen, köpt en cheeseburgare och burit den tillbaka till bilen, var räckvidden redan upp till 92 mil, mycket för att avsluta dagens körning. Jag chattade med en Model S-ägare ett tag och gick sedan ut på vägen igen. Jag lämnade tillbaka bilen den kvällen med 129 mils räckvidd kvar i batteriet – mer än det fulladdade utbudet av batteridrivna elbilar från Toyota, Nissan, Ford, GM, Honda, Fiat, Renault, Mitsubishi, Smart eller Scion, eller kommande elbilar från Mercedes och BMW.

Trots de övertygande framstegen kvarstår samma utmaningar för elbilar: kostnad och räckvidd. Eftersom överladdare inte finns i alla hörn (det finns bara 16 i USA), om du glömmer att koppla in bilen över natten, eller om det blir strömavbrott eller något annat problem, har du ingen tur. Om jag hade varit nästan någon annanstans i landet, eller bestämt mig för att gå norrut istället för söderut på Highway 1 – eller om jag hade gått vilse – skulle jag ha blivit fast vid sidan av vägen.

Laddningsfrågan är till stor del ett infrastrukturproblem. Men det största tekniska problemet är fortfarande kostnaden för batteriet. Det är kostnaden som begränsar kapaciteten på Model S och håller 265 mil långa elbilar ur händerna på de flesta.

Dagen innan min bilresa besökte jag Teslas FoU-labb i kullarna bakom Stanford University. Företagets tekniska chef, JB Straubel, visade mig versioner av Teslas Roadster, dess första bil, och en Model S med allt borttaget utom ramarna, hjulen och det elektriska framdrivningssystemet (som inkluderar batteriet, motorn och elektroniken). som styr dem). Det var en skarp titt på hur långt företaget har kommit. I Roadster tar det skrymmande batteriet upp den bakre tredjedelen av bilen. Model S:s batteri och motor verkar ha försvunnit. Även om batteriet lagrar mycket mer energi, är det mer kompakt: det är nu en platt platta som sitter osynligt mellan hjulen och fungerar som en del av fordonets ram. Vad som inte är uppenbart är att kostnaden för batteriet, per kilowattimme, också har halverats.

Straubel pekade på det stora utbudet av litiumjonbattericeller - de delar av ett batteripaket som faktiskt lagrar energi - som företaget testar. Detta inkluderade en rad små cylindriska celler ungefär lika stora som AA-batterier - den typ som Tesla använder i Model S.

Batteripackning : Batteripaketet i Model S är platt och en del av ramen som stöder bilen – metallhöljet ger strukturellt stöd.

Teslas val av dessa små litiumjonbatterier är utan tvekan en av dess viktigaste strategiska satsningar. Etablerade biltillverkare har valt större battericeller – de gör det enklare att konstruera ett batteripaket, eftersom du behöver färre av dem. Men de större cellerna, eftersom de innehåller mer energi, är också farligare. Så biltillverkare använder mindre energitäta batterimaterial som är mer motståndskraftiga mot att fatta eld. För att kompensera för den lägre energitätheten valde biltillverkare platta celler eftersom de packar ihop tätare, men sådana celler kostar mer att tillverka.

Genom att välja mindre, cylindriska celler sparade Tesla på tillverkningskostnader – deras kostnader har drivits ner av skalfördelar för den bärbara industrin, för vilken cellerna utvecklades. Tesla kan också använda de mest energitäta batterimaterialen som finns tillgängliga, delvis för att mindre celler i sig är mindre farliga. Och bättre energitäthet minskar materialkostnaderna. Detta tillvägagångssätt innebar att Tesla var tvungen att utveckla ett sätt att koppla ihop många tusen separata celler, jämfört med flera hundra av de större cellerna. Straubel uppfann också ett vätskekylningssystem som slingrar sig mellan cellerna och kan ta bort värme så snabbt att ett problem med en cell inte sprider sig till de andra.

Att välja de mindre, cylindriska cellerna gav också Tesla mer flexibilitet vid förpackning av cellerna. Stora, platta celler kommer att deformeras vid en kollision och eventuellt fatta eld, så andra biltillverkare har varit tvungna att hitta platser i bilen där batteriet skulle vara ur vägen vid en krock. Det innebar att man förbrukade en del passagerar- eller lastutrymme. Tesla säger att de har klarat sina krocktester utan att dess celler deformeras eller kylvätska läcker.

Enligt de flesta uppskattningar borde batteriet för Model S som jag körde kosta mellan $42 500 och $55 250, eller halva kostnaden för bilen. Men Straubel indikerade att det redan är mycket lägre. De är faktiskt mindre än hälften, säger han. Mindre än en fjärdedel i de flesta fall. Straubel säger att mer kan göras för att sänka batterikostnaderna. Han arbetar med cell- och materialleverantörer för att öka energitätheten mer, och han ändrar formen på cellerna på ett sätt som gör det lättare att tillverka dem.

Andra biltillverkare märker det. Dan Akerson, GM:s VD, har enligt uppgift skapat en arbetsgrupp för att studera Tesla. Brett Smith, meddirektör för tillverkning, ingenjörskonst och teknik vid Ann-Arbor-baserade ideella Center for Automotive Research, säger att Tesla har gått från att vara den udda lilla medieälsklingen till att vara något som definitivt får folk i branschen att tänka till.

Efter att ha laddat vid Gilroys laddstation, rusade jag längs motorvägen tillbaka mot San Francisco, och kände mig lättad över att jag hade varit inom räckhåll för laddstationen. När jag förflyttade mig utan ansträngning genom trafiken kunde jag inte låta bli att känna att elfordon är framtiden, och att Teslas framsteg inom batterier och överladdning skulle kunna ta den framtiden hit tidigare än jag trodde.

Dölj