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， 提供車輛控制所需的必需信息， 在出現異常時及時響應處理， 并根據環(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問題是決定其使用性能、安全性、壽命及使用成本的關鍵因素。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)瞬間的電壓過充現象， 造成內部析鋰并進而引發(fā)短路。 其次， 鋰離子電池的熱相關問題直接影響電池的 安全性。 生產制造環(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， 電池內部熱量不易散出， 更可能出現內部溫度不均、 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問題，保證動力電池使用性能、安全性和壽命的 關鍵技術之一。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、道內部流動， 帶走電池產生的熱量。 圖 1.(b) 是冷卻管道的結構示意圖。 冷卻管道內部被 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 電池組內各單體電池的溫度差異控制在2 C內。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明顯相關，而與環(huán)境溫度、車齡關系不明顯。上 述結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 LEAF的熱管理系統(tǒng)日產汽車公司的 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。電池組采用密封設計，外界不通風，內部

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過電極設計后降低了內部阻抗，減小了產熱率，同時薄層（單體厚度7.1 mm ）結構使電池內部熱量不易產生積聚，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)采用了液冷式設計 方案，以 50%水與 50%乙二醇混合物為冷卻介質。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 的電池組內的溫度差可控制在 2C以內，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)也能實現設計目標， 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 電池已經廣泛地應用在消費類電子產品中，生產廠商已 經積累了大量的技術經驗用于控制成本，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 是電池生產商，也不是傳統(tǒng)的汽車生產商，但

10、它居然成功了。中國的比亞迪是從電池起家， 轉而生產電動汽車； 日本的日產是傳統(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 的技術團隊中，偏向電子、電工方向的工程師應該是占多數的，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 , 這些物質的性質決定了成本和性能。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，你的產品有一些關鍵的安全和性能指標這是必須的，但是最重 要的是你產品能量存儲的成本效率。 如果有公司覺得自己的電池架構更劃算， 我們隨時洗耳 恭聽。但是目前為止我們還沒有發(fā)現一家公司能證明比我們的電池架構更具成本效益。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經營和供應商質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缺陷，在很多地方幫到了我們。我們從