Tesla Model 3: Batteriet
Helena Berg
2018-06-19
Med ungefär 30 % marknadsandelar är Tesla Model 3 redan den mest sålda ”premium middle-class sedan” i USA; före Mercedes C Class, Audi A4 och Lexus IS [1].
Tesla har släppt en del data om sitt nya batteri till Model 3 och nyligen ’dissekerades’ batteriet av en tysk ingenjörsfirma. Resultatet pekar på att Tesla borde göra vinst på Model 3. I dagens nyhetsbrev går vi igenom ett antal detaljer om batteriet till Model 3.
Nya celler och ny batteripackarkitektur – vägen till sänkta kostnader?
Skrivet av Helena Berg
Kostnaderna hälften av försäljningspriset
Enligt ingenjörsfirman som utförde analysen, där de fann att bilens materialkostnader torde landa på 18.000 USD (ca. 157.000 SEK) för Model 3 [2,3]. Till detta kommer en produktionskostnad på 10.000 USD. Totalt skulle då Teslas kostnader landa på ca. 245.000 SEK, men sedan tillkommer påslag för R&D, marknadsföring, försäljning, osv, osv. Med tanke på att bilen kommer kosta mellan 35.000 och 78.000 USD tros Tesla kunna göra vinst på Model 3-försäljningen. [3] Hur kostnadsberäkningarna genomförts framgår tyvärr inte.
Nya celler – ny dimension och mindre kobolt/kWh
Tesla använder sig av 18650-celler från Panasonic. Nu har man ändrat format till 2170 (eller 21700; 21 mm i diameter och 70 mm hög) och på så sätt kunna optimera förhållandet aktivt-inaktivt material. De större cellerna möjliggör att Tesla kan optimera den volumetrisk energitätheten. Dessa celler har producerats i Gigafactory 1 sedan i juni ifjol [4], men väldigt lite celldata har sipprat ut.
Panasonic utvecklar katodmaterial utan kobolt, enligt en rapport som Tesla nyligen släppte (‘Conflict Minerals Report’) [13]. Enligt Kenji Tamura, chef för Panasonics fordonsbatterier, har Panasonic strategin att kring kobolt: “aiming to achieve zero usage in the near future, and development is underway.” [5]
Den tyska ingenjörsforman som gått igenom packet och cellerna har funnit att Panasonic redan lyckats minska Co-innehållet från 8 vikt% till 2,8 vikt% [6]. Tesla har tidigare hävdat att man kommer ha celler i Model 3 som har den överlägset högsta energitätheten. Detta har nu gjorts med att minska Co-innehållet och ökat Ni-innehållet. Tesla skriver i brevet till aktieägarna att ”koboltinnehållet i vår nickel-kobolt-aluminium katodkemi är redan lägre än nästa generationens katoder som kommer att tillverkas av andra cellproducenter med ett nickel-mangan-koboltförhållande på 8:1:1” och enligt obekräftade källor skulle cellkapaciteten öka från 5,8 Ah till 6,0 Ah [7]. NMC811 innehåller 6 vikt% kobolt (red.anm.).
Ny batteripacksarkitektur utan extern värmare
Tesla vägrar fortfarande att bekräfta kostnaden per kWh, men CFO Deepak Ahuja sade att de, baserat på deras interna data, tycker att de är ”de bästa i klassen vad gäller kostnad per kWh”. [7] Förra året sjönk medelkostnaden för ett elbilsbatteri till $227/kWh, enligt en rapport från McKinsey [8]. Tesla påstod sig vara under $190/kWh vid den tiden, och många bedömare anser att kostnaden skulle behöva vara under $100/kWh för att möjliggöra priset på Tesla Semi [9]. Detta bekräftade Elon Musk vid senaste aktieägarmötet i juni, brasklappen är råvarupriset [14].
För att nå kostnadsmålen designar Tesla en helt ny batteripacksarkitektur, även om den viktigaste ändringen är ändock cellformatet. Senare i år startar produktionen av ett ’standardpack’ på 50 kWh till Model 3 som består av 2976 celler i enheter om 31 celler, vilka sedan byggs in i 4 separata moduler (2 moduler med 23 enheter och 2 moduler av 25 enheter). Nuvarande batteripack till Model 3 är på 74 kWh, och består av 4416 celler i enheter om 46 celler per enhet och samma fördelning i de fyra modulerna. [10]
Teslas nya 100 kWh-packtill Model S och Model X har 16 moduler med 516 celler vardera och totalt 8256 celler, och har även ett nytt kylsystem. [11]
Den nya batteriplattformen har även andra skillnader gent emot den tidigare arkitekturen för Model S och Model X. Det nya batteriet är inte lätt att byta. Till exempel finns det bultar som endast nås genom att ta bort inredning från bilens insida för att få ut batteripacket.
En annan detalj är att batteripacket till Model 3 inte har något extern högspänningsanslutning annat än via laddningsporten, vilket torde ”döda” idéen om autonom åtkomst för laddning under fordonet, något som Tesla tidigare har arbetat med (som de har patenterat) [12]. Tesla har även utformat batteriet för Model 3 för att inkludera laddaren, snabbladdningskontakterna och DC-DC-omvandlaren i samma enhet. [10]
Uppvärmningen av batteripacket vid kallt klimat sker inte längre med en extern värmare, utan batteripacket värms enbart med hjälp av spillvärme från drivlinan, även när bilen är parkerad. När bilen är parkerad kan bilen/batteriet begära att drivlinans omriktare startar upp och skicka lämplig ström till motorn, som då kan generera tillräckligt med värme för att värma cellerna. Givetvis genereras inget vridmoment så att Model 3 inte flyttar på sig.
Egna kommentarer
Att Tesla designar om batteriet är nog klokt ur ett kostnadsperspektiv, men även för längre räckvidd. Batteripacket till Model S innehåller 52 vikt% celler, och om man på samma volym kan få in fler celler utökas räckvidden (och antagligen kostnaden).
Det nya cellformatet är bra för att minimera andelen inaktivt material i cellen och på så sätt optimera energidensiteten både per vikts- och volymenhet. Kostnaden per kWh på packnivå torde på detta sätt minska.
Att minska Co-innehållet är en balansgång mellan Ni-innehåll och termisk stabilitet. Tydligen känner sig Tesla säkra på sitt kylsystem och BMS för att säkerställa optimal celltemperatur. Att använda små celler kan vara en fördel för att kyla cellerna på ett optimalt sätt. Kan bli mer komplicerat för större celler. Återstå att se när andra OEMs sätter NMC811 i fordon på bred front.
Det finns katodmaterial till Li-jonbatterier som redan idag inte innehåller kobolt: tex LFP (LiFePO4). Men även LMO (LiMn2O4). Näst på tur för kommersialisering står LFS (Li2FeSiO4) och Ni-rik LMO (för högre cellspänning).
Med nya batteriet verkar Tesla ge upp tanken om batteribyte (battery swapping) och även idéen om autonom laddning. Möjligtvis kan Tesla göra autonom laddning via den vanliga laddningsporten. De har arbetat med ”en robotarm” som sköter snabbladdning (se film här).
Intressant att batteriet kan ’starta upp’ drivlinan ifall cellerna är för kalla – hoppas det inte är några buggar så bilarna rullar iväg…
Referenser
[1] länk
[2] Tesla Model 3 Benchmark Report $1,000,000 Analysis for $87,000 länk (pdf)
[3] Tesla Model 3 kann Gewinn abwerfen. länk
[4] Tesla is starting Model 3 battery cell production at Gigafactory 1 ‘right now’. 3 juni 2017. Electrek. länk
[5] Panasonic plans to develop cobalt-free car batteries. Reuters.
länk
[6] Tesla Model 3 found profitable. Electrive. 31 maj 2018
länk
[7] Tesla releases rare details about Model 3’s battery cells, claims highest energy density and less cobalt. Electrek. länk
[8] Electrifying insights: How automakers can drive electrified
vehicle sales and profitability. McKinsey. 2017. länk
[9] Electric vehicle battery cost dropped 80% in 6 years down to $227/kWh – Tesla claims to be below $190/kWh. Electrive. 30 jan 2017. länk
[10] Tesla Model 3: Exclusive first look at Tesla’s new battery pack architecture. Electrek. 24 augusti 2017. länk
[11] Teardown of new 100 kWh Tesla battery pack reveals new cooling system and 102 kWh capacity. Electrek .2017. länk
[12] Tesla patent shows new way to automated high-speed charging with external cooling. Electrek. 22 april 2017.länk
[13] Tesla releases ‘Conflict Minerals Report’, increases minerals tracking and reduces cobalt use. Electrek. 30 maj 2018. länk
[14] Elon Musk Talks At Tesla 2018 Shareholder’s Meeting [TRANSCRIPT]. Valuewalk. 6 juni 2018. länk
Kostnaderna hälften av försäljningspriset
Enligt ingenjörsfirman som utförde analysen, där de fann att bilens materialkostnader torde landa på 18.000 USD (ca. 157.000 SEK) för Model 3 [2,3]. Till detta kommer en produktionskostnad på 10.000 USD. Totalt skulle då Teslas kostnader landa på ca. 245.000 SEK, men sedan tillkommer påslag för R&D, marknadsföring, försäljning, osv, osv. Med tanke på att bilen kommer kosta mellan 35.000 och 78.000 USD tros Tesla kunna göra vinst på Model 3-försäljningen. [3] Hur kostnadsberäkningarna genomförts framgår tyvärr inte.
Nya celler – ny dimension och mindre kobolt/kWh
Tesla använder sig av 18650-celler från Panasonic. Nu har man ändrat format till 2170 (eller 21700; 21 mm i diameter och 70 mm hög) och på så sätt kunna optimera förhållandet aktivt-inaktivt material. De större cellerna möjliggör att Tesla kan optimera den volumetrisk energitätheten. Dessa celler har producerats i Gigafactory 1 sedan i juni ifjol [4], men väldigt lite celldata har sipprat ut.
Panasonic utvecklar katodmaterial utan kobolt, enligt en rapport som Tesla nyligen släppte (‘Conflict Minerals Report’) [13]. Enligt Kenji Tamura, chef för Panasonics fordonsbatterier, har Panasonic strategin att kring kobolt: “aiming to achieve zero usage in the near future, and development is underway.” [5]
Den tyska ingenjörsforman som gått igenom packet och cellerna har funnit att Panasonic redan lyckats minska Co-innehållet från 8 vikt% till 2,8 vikt% [6]. Tesla har tidigare hävdat att man kommer ha celler i Model 3 som har den överlägset högsta energitätheten. Detta har nu gjorts med att minska Co-innehållet och ökat Ni-innehållet. Tesla skriver i brevet till aktieägarna att ”koboltinnehållet i vår nickel-kobolt-aluminium katodkemi är redan lägre än nästa generationens katoder som kommer att tillverkas av andra cellproducenter med ett nickel-mangan-koboltförhållande på 8:1:1” och enligt obekräftade källor skulle cellkapaciteten öka från 5,8 Ah till 6,0 Ah [7]. NMC811 innehåller 6 vikt% kobolt (red.anm.).
Ny batteripacksarkitektur utan extern värmare
Tesla vägrar fortfarande att bekräfta kostnaden per kWh, men CFO Deepak Ahuja sade att de, baserat på deras interna data, tycker att de är ”de bästa i klassen vad gäller kostnad per kWh”. [7] Förra året sjönk medelkostnaden för ett elbilsbatteri till $227/kWh, enligt en rapport från McKinsey [8]. Tesla påstod sig vara under $190/kWh vid den tiden, och många bedömare anser att kostnaden skulle behöva vara under $100/kWh för att möjliggöra priset på Tesla Semi [9]. Detta bekräftade Elon Musk vid senaste aktieägarmötet i juni, brasklappen är råvarupriset [14].
För att nå kostnadsmålen designar Tesla en helt ny batteripacksarkitektur, även om den viktigaste ändringen är ändock cellformatet. Senare i år startar produktionen av ett ’standardpack’ på 50 kWh till Model 3 som består av 2976 celler i enheter om 31 celler, vilka sedan byggs in i 4 separata moduler (2 moduler med 23 enheter och 2 moduler av 25 enheter). Nuvarande batteripack till Model 3 är på 74 kWh, och består av 4416 celler i enheter om 46 celler per enhet och samma fördelning i de fyra modulerna. [10]
Teslas nya 100 kWh-packtill Model S och Model X har 16 moduler med 516 celler vardera och totalt 8256 celler, och har även ett nytt kylsystem. [11]
Den nya batteriplattformen har även andra skillnader gent emot den tidigare arkitekturen för Model S och Model X. Det nya batteriet är inte lätt att byta. Till exempel finns det bultar som endast nås genom att ta bort inredning från bilens insida för att få ut batteripacket.
En annan detalj är att batteripacket till Model 3 inte har något extern högspänningsanslutning annat än via laddningsporten, vilket torde ”döda” idéen om autonom åtkomst för laddning under fordonet, något som Tesla tidigare har arbetat med (som de har patenterat) [12]. Tesla har även utformat batteriet för Model 3 för att inkludera laddaren, snabbladdningskontakterna och DC-DC-omvandlaren i samma enhet. [10]
Uppvärmningen av batteripacket vid kallt klimat sker inte längre med en extern värmare, utan batteripacket värms enbart med hjälp av spillvärme från drivlinan, även när bilen är parkerad. När bilen är parkerad kan bilen/batteriet begära att drivlinans omriktare startar upp och skicka lämplig ström till motorn, som då kan generera tillräckligt med värme för att värma cellerna. Givetvis genereras inget vridmoment så att Model 3 inte flyttar på sig.
Egna kommentarer
Att Tesla designar om batteriet är nog klokt ur ett kostnadsperspektiv, men även för längre räckvidd. Batteripacket till Model S innehåller 52 vikt% celler, och om man på samma volym kan få in fler celler utökas räckvidden (och antagligen kostnaden).
Det nya cellformatet är bra för att minimera andelen inaktivt material i cellen och på så sätt optimera energidensiteten både per vikts- och volymenhet. Kostnaden per kWh på packnivå torde på detta sätt minska.
Att minska Co-innehållet är en balansgång mellan Ni-innehåll och termisk stabilitet. Tydligen känner sig Tesla säkra på sitt kylsystem och BMS för att säkerställa optimal celltemperatur. Att använda små celler kan vara en fördel för att kyla cellerna på ett optimalt sätt. Kan bli mer komplicerat för större celler. Återstå att se när andra OEMs sätter NMC811 i fordon på bred front.
Det finns katodmaterial till Li-jonbatterier som redan idag inte innehåller kobolt: tex LFP (LiFePO4). Men även LMO (LiMn2O4). Näst på tur för kommersialisering står LFS (Li2FeSiO4) och Ni-rik LMO (för högre cellspänning).
Med nya batteriet verkar Tesla ge upp tanken om batteribyte (battery swapping) och även idéen om autonom laddning. Möjligtvis kan Tesla göra autonom laddning via den vanliga laddningsporten. De har arbetat med ”en robotarm” som sköter snabbladdning (se film här).
Intressant att batteriet kan ’starta upp’ drivlinan ifall cellerna är för kalla – hoppas det inte är några buggar så bilarna rullar iväg…
Referenser
[1] länk
[2] Tesla Model 3 Benchmark Report $1,000,000 Analysis for $87,000 länk (pdf)
[3] Tesla Model 3 kann Gewinn abwerfen. länk
[4] Tesla is starting Model 3 battery cell production at Gigafactory 1 ‘right now’. 3 juni 2017. Electrek. länk
[5] Panasonic plans to develop cobalt-free car batteries. Reuters.
länk
[6] Tesla Model 3 found profitable. Electrive. 31 maj 2018
länk
[7] Tesla releases rare details about Model 3’s battery cells, claims highest energy density and less cobalt. Electrek. länk
[8] Electrifying insights: How automakers can drive electrified
vehicle sales and profitability. McKinsey. 2017. länk
[9] Electric vehicle battery cost dropped 80% in 6 years down to $227/kWh – Tesla claims to be below $190/kWh. Electrive. 30 jan 2017. länk
[10] Tesla Model 3: Exclusive first look at Tesla’s new battery pack architecture. Electrek. 24 augusti 2017. länk
[11] Teardown of new 100 kWh Tesla battery pack reveals new cooling system and 102 kWh capacity. Electrek .2017. länk
[12] Tesla patent shows new way to automated high-speed charging with external cooling. Electrek. 22 april 2017.länk
[13] Tesla releases ‘Conflict Minerals Report’, increases minerals tracking and reduces cobalt use. Electrek. 30 maj 2018. länk
[14] Elon Musk Talks At Tesla 2018 Shareholder’s Meeting [TRANSCRIPT]. Valuewalk. 6 juni 2018. länk