有关霾与Tesla

最近，雾霾又再次袭来，国土超过1/7的面积被雾霭覆盖。大家一方面在探究雾霭生成原因，另一方面就把眼光投向了新能源领域，特别是Tesla今年以73万人民币的价格进军大陆，更是再次高涨了业界对于新能源汽车特别是电动力汽车的关注。

关于雾霭的生成现在的观点非常多，有幸上学期曾经听过西安建筑科技大学的一位老师的一些解释。个人认为某些方面确实有些道理的，这里记录下来。另一方面作为研究电池特别是下一代锂离子电池的工科狗，发现目前对于tesla汽车，国内报道和介绍的时候也有一些盲点，所以打算以我的观点来介绍一下这款汽车以及电动力汽车目前的问题，还望大家多多指正。

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霾

目前对于霾的解释，摘自维基百科：

霾（又称灰霾，中国称为霾，香港称为烟霞）指在近地面的空气中，有大量尘埃或烟屑浮游在空中，令能见度下降。霾有损健康，吸入过量浮游在空气中的尘埃或烟屑会损害心肺功能，长远可能导致死亡。
霾的成因与逆温层的出现有关。在一般情况，地面气温较半空为暖，因此空气会上升并在半空散开。但若上升的暖空气遇到逆温层的出现时，空气不能上升而造成累积，形成霾。

可以看到霾的行程中重点提到了逆温层的出现。那么为什么城市中容易出现逆温层了，教授做出了这样的解释（大意）：

逆温层的出现与目前大量出现的高层建筑有很直接的关系。一方面高层建筑以水泥为主，水泥本身在空气中就会出现老化，出现粉尘。另一方面，混凝土本身是一种储热能力差而导热能力很强的材料。地面由于大量使用水泥砂浆铺路，相连的又是高层建筑，于是地面很容易地与近地层的空气保持了同一温度，于是逆流层出现了。
我们知道，风的形成原因是因为空气在冷热区域之间的流动，而保持了同一温度之后，风无法形成，粉尘留停留在空中形成了霾。

一般意义上，风也就是空气流动主要行程在水平面及垂直面上。通过上面的解说，我们知道垂直面上的空气流动已经很少了。那么水平面上呢？

高层建筑的大量出现，极大地将水平面上的风削弱了。大家可能会说，高层建筑之间的空隙还是很大的啊。那是因为我们的观察角度，往往从另一个角度观察，这些高层建筑就形成了一面面的墙，彻底将风进入城市的路堵死。即使又穿过的风，也会因为风道上不断出现的障碍，被逐渐的削弱殆尽，更本无法将停留在城市上空的霾吹走。
当然了如果出现区域性的寒流运动或者台风运动，立马就会天清云开了。但是这种天气出现毕竟属于少数，而普通的风又无法进入城市，于是很容易出现雾霾天气的长期停留。

目前来说，城市中除开汽车尾气等原因（同时影像产生雾和霾）之外，建筑工地成为形成霾所必须的粉尘的重要来源，虽然目前已经有多项防尘要求，但单位时间内同时进行的建筑工地实在太多。这与城市大规模建设是分不开的。

无论是高层建筑的阻挡风道亦或是建筑工地的大量同时进行，这都与城市的城市建设规划是密不可分的。而现在已经是骑虎难下，更改起来太难了。只是希望以后的规划中能够注意和考虑到。

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Tesla

这个名字从去年开始强势进入中国人的眼光中。很多人认为，它给电动汽车带来了希望，特别是今年以73万RMB的价格进入中国市场后，更是有不少人跃跃欲试。那么tesla到底哪些方面这么特别，如此吸引人呢？我从我自己（目前就在做动力电池方面的研究）的角度来解释一下。

• 轿车？客车？

  Tesla革命性的放弃了一直以来的轿车设计方案，而采用了大型车辆的设计方式，以地盘为全车的结构性构架，而非整车型。这一点使Tesla可以不再因为空间问题而必须采用集中电池的设计，而是采用电池组并排在车的底盘上，一方面大大的使汽车内可用空间提升，另一方面这种设计使得电池组的散热更加均匀，减轻散热问题所带来的困扰，避免了电池热场分布不均的问题。同时也由于这种设计，Tesla允许汽车进行整体的180秒换底盘作业，这就使得用户可以利用换底盘的方法，而避免了在充电站长时间等候。

  如何不受汽油机汽车设计所给带来的固定思维，从电动汽车整体方面考虑彻底重新设计汽车，Tesla跳出思路，给出了我们满意的答复。

• 大电池？小电池？

  几乎所有人都注意到了，Tesla汽车采用了小电池，也就是18650电池组组成的。18650电池，是电芯的一个标准，其含义是电芯直径18mm，长650mm（外观类似于加粗加长的5号电池）。目前笔记本电脑的电池都是采用了由这种标准电芯组装而成的电池组。
  肯定有人要问其它的电动汽车采用的是什么？这里就以比亚迪电动汽车为例，采用的就是内部组装的大型方形电池块，大概可以理解为千层饼吧。那么为什么不采用工艺更加成熟的18650电池？我想这里面有两个原因：

  • 能量密度：无论是体积能量密度（由于一般由汽油机电池改装，因此空间大小都已固定，必须在有限的空间里面增加尽量多的电池活性材料，所以要减少包装材料等所占面积）还是质量能量密度（大量采用单体电池会造成大量的非活性物质，如包装材料、电极极耳等，造成能量密度下降。）

  • 电池管理：大量单体电池的采用，带来的是电池管理系统（简称BMS系统）的负担。电池组中每个单体电池必须在初始阶段容量大致一样，而且在后期的充放电过程中保持大致同步的容量衰减速度。因为任何一块电池的异常失效，都可能导致整个电池组无法正常工作（有点像一颗老鼠屎毁掉一锅汤）。这不仅仅需要的是电池生产厂家高度精准的品控，同时也依赖BMS系统的精确监控，调节充放电制度。

  Tesla拥有6831节单体电芯，每69节电芯并联组成一个电池组，每9个电池组串联成一个电池包，再有11个电池包串联为一个电池模块。69x9x11=6831节电芯以不同的方式链接，这为BMS系统提出了相当大的挑战。作为Tesla核心技术的BMS系统为此提交了一份精彩的答卷，可以做到对每节电芯的监控，保证电池模块可以工作8-10年。

• 充电？

  其实这个问题是目前最制约Tesla在中国发展的因素，首先我们来看看Tesla充电技术的简单介绍：

  充电时间相对之前减少了30%，充满一半电量只需20分钟，而一辆60kWh电池组版本的Tesla Model S充满电可以续航368公里。同时，这一充电速度是普通电动车充电速度的20倍。

  Tesla使用的是2Ah左右的18650电芯，电压在3.8V，根据之前的组合方式，我们很容易计算出Tesla的充电电压为380V左右（3.8x9x11），正好为三相工业用电。而前50%电量充电电流为210A（2Ax69x1.5），根据目前铜缆通电标准，100mm^2即达到要求。目前在国内工业用电通过供电柜的调整，达到这个电流强度也是没有问题。因此在中国，通过基础设施建设大量建设充电桩并不是难事，相比较而言家庭充电桩的建设由于个人申请工业用电较难，不太现实。

  目前Tesla在北美地区，正在热火朝天的建设充电桩，造价在10-17.5万美元。其中有大量的太阳能充电站，目前已经有30多个太阳能充电站投入使用。Tesla针对购车用户推出的，在太阳能充电站充电免费的服务，已经为用户节省电费超过了50万美元。

  那么在中国大量建设可行吗？Tesla的充电桩具有通用性，是可以对其它的电动汽车进行充电的，因此，只要Tesla的专利技术能够进入中国，我想应该不会有太大阻难，但考虑到目前国内电动汽车行业市场的发展，也未可知。

  目前，据报道，北京市政府将建设兼容Tesla规范的充电桩，让我们拭目以待吧……

文章发到人人网后，有了一些争论，特别是关于为什么同样作为电动汽车的比亚迪E6/K9没有受到那么大的关注，我做了回复，也贴过来：

在Tesla之前几乎没有电动汽车考虑过使用小电池，原因我文章里面提到了。而Tesla跳出思考习惯，将电池平铺在底盘上，利用超乎想象的BMS系统将这近7K节电池管理调控，首次充电距离也达到了近400公里。同时Tesla更应该说是一套完整系统，专门为这辆汽车开发的电动机系统，太阳能充电系统，都是前人从未整合到一起的。这就是为什么Tesla在业界如此的受重视。

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雾霾的问题极大的催化了政府在清洁能源动力领域的发展决心和投资，我想未来的10-20年，能源材料将成为一个新兴的产业链，在这股大潮中，我也希望自己能够利用自己的专业（下一代Li-S电池），转化成财富，也同时改变我们的生活。