特斯拉電動汽車動力電池管理系統(tǒng)解析

1、特斯拉電動汽車動力電池管理系統(tǒng)解析1. Tesla 目前推出了兩款電動汽車， Roadster 和 Model S ，目前我收集到的 Roadster 的資料較多，因此本回答重點分析的是 Roadster 的電池管理系統(tǒng)。2. 電池管理系統(tǒng)（ Battery Management System, BMS ）的主要任務是保證電池組工作 在安全區(qū)間內(nèi)， 提供車輛控制所需的必需信息， 在出現(xiàn)異常時及時響應處理， 并根據(jù)環(huán)境溫 度、電池狀態(tài)及車輛需求等決定電池的充放電功率等。BMS的主要功能有電池參數(shù)監(jiān)測、電池狀態(tài)估計、在線故障診斷、充電控制、自動均衡、熱管理等。我的主要研究方向是電池的 熱管理系統(tǒng)，

2、因此本回答分析的是電池熱管理系統(tǒng) （Battery Thermal Management System, BTMS）.1. 熱管理系統(tǒng)的重要性電池的熱相關(guān)問題是決定其使用性能、安全性、壽命及使用成本的關(guān)鍵因素。首先， 鋰離子電池的溫度水平直接影響其使用中的能量與功率性能。 溫度較低時， 電池的可用容量 將迅速發(fā)生衰減，在過低溫度下（如低于0 C）對電池進行充電，則可能引發(fā)瞬間的電壓過充現(xiàn)象， 造成內(nèi)部析鋰并進而引發(fā)短路。 其次， 鋰離子電池的熱相關(guān)問題直接影響電池的 安全性。 生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的缺陷或使用過程中的不當操作等可能造成電池局部過熱， 并進而引 起連鎖放熱反應， 最終造成冒煙、 起火甚至

3、爆炸等嚴重的熱失控事件， 威脅到車輛駕乘人員 的生命安全。另外，鋰離子電池的工作或存放溫度影響其使用壽命。電池的適宜溫度約在 1030 C 之間，過高或過低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。動力電池的大型化使得 其表面積與體積之比相對減小， 電池內(nèi)部熱量不易散出， 更可能出現(xiàn)內(nèi)部溫度不均、 局部溫 升過高等問題，從而進一步加速電池衰減，縮短電池壽命，增加用戶的總擁有成本。電池熱管理系統(tǒng)是應對電池的熱相關(guān)問題，保證動力電池使用性能、安全性和壽命的 關(guān)鍵技術(shù)之一。熱管理系統(tǒng)的主要功能包括：1）在電池溫度較高時進行有效散熱，防止產(chǎn)生熱失控事故； 2）在電池溫度較低時進行預熱，提升電池溫度，確保低溫下

4、的充電、放電 性能和安全性； 3）減小電池組內(nèi)的溫度差異，抑制局部熱區(qū)的形成，防止高溫位置處電池 過快衰減，降低電池組整體壽命。2. Tesla Roadster 的電池熱管理系統(tǒng)Tesla Motors 公司的 Roadster 純電動汽車采用了液冷式電池熱管理系統(tǒng)。 車載電池組 由 6831 節(jié) 18650 型鋰離子電池組成，其中每 69 節(jié)并聯(lián)為一組（ brick ），再將 9 組串聯(lián)為 一層（ sheet ），最后串聯(lián)堆疊 11 層構(gòu)成。電池熱管理系統(tǒng)的冷卻液為50%水與 50%乙二醇混合物。圖 1.(a) 是一層( sheet )內(nèi)部的熱管理系統(tǒng)。冷卻管道曲折布置在電池間，冷卻液在管

5、道內(nèi)部流動， 帶走電池產(chǎn)生的熱量。 圖 1.(b) 是冷卻管道的結(jié)構(gòu)示意圖。 冷卻管道內(nèi)部被 分成四個孔道， 如圖 1.(c) 所示。 為了防止冷卻液流動過程中溫度逐漸升高， 使末端散熱能 力不佳， 熱管理系統(tǒng)采用了雙向流動的流場設(shè)計， 冷卻管道的兩個端部既是進液口， 也是出 液口，如圖 1(d) 所示。電池之間及電池和管道間填充電絕緣但導熱性能良好的材料(如 Stycast 2850/ct )，作用是： 1)將電池與散熱管道間的接觸形式從線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|； 2) 有利于提高單體電池間的溫度均一度； 3) 有利于提高電池包的整體熱容， 從而降低整體平 均溫度。通過上述熱管理系統(tǒng)， Roads

6、ter 電池組內(nèi)各單體電池的溫度差異控制在2 C內(nèi)。2013年 6 月的一份報告顯示，在行駛 10 萬英里后， Roadster 電池組的容量仍能維持在初始容量 的 80%85%，而且容量衰減只與行駛里程數(shù)明顯相關(guān)，而與環(huán)境溫度、車齡關(guān)系不明顯。上 述結(jié)果的取得依賴電池熱管理系統(tǒng)的有力支撐。3. 其他電動汽車的熱管理系統(tǒng)3.1 日產(chǎn) LEAF的熱管理系統(tǒng)日產(chǎn)汽車公司的 LEAF 純電動汽車采用了少見的被動式電池組熱管理系統(tǒng)。電池組由 192節(jié) 33.1 Ah的層疊式鋰離子電池組成。 4 節(jié)單體電池采用兩并兩串的連接形式組成模塊， 48 個模塊串聯(lián)組成電池組。電池組采用密封設(shè)計，外界不通風，內(nèi)部

7、也無液冷或空冷的熱 管理系統(tǒng)，但寒冷地區(qū)有加熱選件。 LEAF 所采用的鋰離子電池經(jīng)過電極設(shè)計后降低了內(nèi)部阻抗，減小了產(chǎn)熱率，同時薄層（單體厚度7.1 mm ）結(jié)構(gòu)使電池內(nèi)部熱量不易產(chǎn)生積聚，因此可以不采用復雜的主動式熱管理系統(tǒng)。電池組的壽命保證期是8年或 16 萬公里。3.2 通用 Volt 的熱管理系統(tǒng)通用汽車公司的 Volt 插電式混合動力汽車使用了 288 節(jié) 45 Ah 的層疊式鋰離子電池。 電池組的電氣連接可等效為 96 片單體串聯(lián)成組， 3 組并聯(lián)。熱管理系統(tǒng)采用了液冷式設(shè)計 方案，以 50%水與 50%乙二醇混合物為冷卻介質(zhì)。單體電池間間隔布置了金屬散熱片（厚度 為 1 mm）

8、，散熱片上刻有流道槽。冷卻液可在流道槽內(nèi)流動帶走熱量。在低溫環(huán)境下，加 熱線圈可以加熱冷卻液使電池升溫。圖 2. Volt 的熱管理系統(tǒng)Volt 的電池組內(nèi)的溫度差可控制在 2C以內(nèi)，有力地支持了 8 年的電池組壽命保證期。4. Tesla Roadster 相對于其他電動汽車在熱管理上的特點從上述分析可以看到， Tesla Roadster 在熱管理系統(tǒng)上遠比其他電動汽車要復雜。 Tesla 的電池組是由 6831 節(jié)單體容量較小的 18650 電池組成的，要保證這么多電池的溫度 差異不超過 2C 是一件非常困難的事情，但是 Tesla 做到了，這也凸顯出 Tesla 在電池 管理上的先進、

9、獨到之處。但是，又有一個新問題出來了：既然LEAF和 Volt 采用大容量的層疊式鋰離子電池匹配較簡單的熱管理系統(tǒng)也能實現(xiàn)設(shè)計目標， 為什么 Tesla 還要采用 18650 電池和復雜的電池 管理系統(tǒng)？我認為有如下原因：a. 18650 電池的優(yōu)點： 18650 電池已經(jīng)廣泛地應用在消費類電子產(chǎn)品中，生產(chǎn)廠商已 經(jīng)積累了大量的技術(shù)經(jīng)驗用于控制成本，提高性能（特別是安全性、一致性等）。 Tesla 在 選擇電池廠商時，特別選擇了那些積極投資于減少產(chǎn)品缺陷的企業(yè)。b. Tesla 的相對優(yōu)勢：在所有的電動汽車制造商中， Tesla 是很神奇的一家。它既不 是電池生產(chǎn)商，也不是傳統(tǒng)的汽車生產(chǎn)商，但

10、它居然成功了。中國的比亞迪是從電池起家， 轉(zhuǎn)而生產(chǎn)電動汽車； 日本的日產(chǎn)是傳統(tǒng)的汽車廠商， 后來與 NEC合作開發(fā)電池， 進入電動汽 車市場。 Tesla 的技術(shù)優(yōu)勢在哪里？我認為電池管理系統(tǒng)絕對是其中很重要的一個部分。在 Tesla 的技術(shù)團隊中，偏向電子、電工方向的工程師應該是占多數(shù)的，因此開發(fā)電池管理系 統(tǒng)難度遠低于開發(fā)電池（偏向材料、化學）或者底盤（偏向機械）等。在 Tesla 技術(shù)總監(jiān) J B Straubel 訪談中，他對“ Tesla 一直會綁定在 18650 電池上嗎？ 你們會不會選用別的什么電池？”這個問題的回答是相信我，在不久的將來我們會看到 18650 是最有說服力的。

11、我真的不知道為什么 18650 會引起那么多爭議， 沒有人會在乎你油箱的形狀和大小， 但是在電動車上用什么形狀和大小 放入電化學能量卻引起這么多的爭議。人們應該真正討論的是里面放了什么樣的化學物質(zhì) , 這些物質(zhì)的性質(zhì)決定了成本和性能。目前我們的電池實際上是深度定制的，我們和松下一起做了大量的客戶定制工作。我 們做的是汽車級的電池， 按照汽車級的標準嚴酷測試， 絕對不可能在任何筆記本上找到這種 電池。我們之所以使用 18650 這樣形狀和大小的電池主要是出于生產(chǎn)和成本效率方面的考 慮，任何一種大電池都滿足不了我們需要的價格水平。我們認為對于電動車，你的產(chǎn)品有一些關(guān)鍵的安全和性能指標這是必須的，但是最重 要的是你產(chǎn)品能量存儲的成本效率。 如果有公司覺得自己的電池架構(gòu)更劃算， 我們隨時洗耳 恭聽。但是目前為止我們還沒有發(fā)現(xiàn)一家公司能證明比我們的電池架構(gòu)更具成本效益。他對 Tesla 的長期合作伙伴戴姆勒和豐田的態(tài)度是豐田對我們在提升生產(chǎn)經(jīng)營和供應商質(zhì)量問題上非常有幫助。在大型制造企業(yè)里面他 們是世界界上最好的公司。他們建立了一門科學追蹤生產(chǎn)缺陷，在很多地方幫到了我們。我們從