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5012字-详解特斯拉的电池管理系统

自从Model S上市以来似乎已经被大家拆解无数遍了,这也从一个侧面印证了Tesla在电动汽车市场初期的标杆地位。

5012字-详解特斯拉的电池管理系统

(Tesla Motors,Via:tocks.org)

  动力总成构成

  Model S动力总成主要分以下几部分:

  1. 动力电池系统ESS

  2. 交流感应电机Drive Unit

  3. 车载充电机Charger

  4. 高压配电盒 HV Junction Box

  5. 加热器 PTC heater

  6. 空调压缩机 A/C compressor

  7. 直流转换器DCDC

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  Model S采用三相交流感应电机,并且将电机控制器、电机、以及传动箱集成与一体。尤其是将电机控制器也封装成圆柱形,与电机互相对应,看上去像是双电机。从设计上来看集成度高、对称美观。中间的传动箱采用了固定速比(9.73:1)方案。85KWh版本电机峰值功率270KW,扭矩440Nm。

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  充电系统支持三种充电方式:

  1、超级充电桩DC快充

  超级充电桩可直接输出120KW对ESS进行充电,一个小时以内能充满。

  2、高功率壁挂充电

  在后排座椅下面有两个车载充电器,一主一从。主充电器属于默认开放使用,功率10KW,差不多8小时能充满。slave充电器的硬件虽然已经安装在车上了,但需要额外支付1.8万才能激活,可使充电能力翻倍。这种硬件早已配置好,之后通过license收费的方式和IBM的服务器如出一辙。目前Tesla已经把这个策略用在了动力电池上,60版本上实际装了70多度电,预留的那部分容量刚好避免满充满放,有助于延长电池寿命,因此入手低配版也是一个有性价比的选择。

  3、220V家用插座充电

  充电功率3kw左右,充满电大概30个小时。把充电器放在车上,即使到了完全没有充电基础设施的地方也能利用普通家用插头充上电。

  热管理部分有意思的地方在于Model S用一个四通转换阀实现了冷却系统的串并联切换。其目的我分析主要是根据工况选择最优热管理方式。当电池在低温状态下需要加热时,电机冷却回路与电池冷却回路串联,从而使电机为电池加热。当动力电池处于高温时,电机冷却回路与电池冷却回路并联,两套冷却系统独立散热。这样的热管理方式还是比较巧妙的。

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  电池PACK

  先看一下未拆解前的PACK,对外一共有3组接口。分别是低压接口、高压接口、冷却接口,并且全部采用了快插式方案。说明Tesla在设计电池组系统的时候充分考虑了换电模式的技术要求,即便现在很少有换电的需求但这个基因始终保留了下来。高压接插器中较粗的Pin一方面起到了定位的作用,同时也是接地点,较细的Pin用于实现高压互锁功能。

  PACK前部顶面上设计了防水透气阀,利用气体分子与液体及灰尘颗粒的体积大小数量级差,让气体分子通过,而液体、灰尘无法通过,从而实现防水透气的目的,避免水蒸气在PACK内部凝结。

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  PACK上部用了非常多的固定螺丝,因此白色的绝缘垫通过胶粘在了Pack上,除了起到了绝缘防火的作用以外,还可以起到一定的防水的作用。PACK的上盖是死死用胶粘住的,即使卸了所有螺丝依然无法打开。记得在14年的炎炎夏日里我们七八个人“生掰硬撬”一小时才得以破坏性的扒开。当时觉得Tesla在设计的时候一定是抱着破斧沉舟的理念,根本没打算之后的维修,所以PACK上自然也没有手动维修开关,仅仅留了一个保险丝更换口。

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  Tesla下托盘以铝合金型材作为主要承载框型骨架,骨架底部焊接整块铝板。 拆解的是一款85KWH高配版,最右侧多堆叠了两个Module。PACK两侧布置了大量防爆阀(共85个)。在拆解的过程中发现PACK里总是用零散的绝缘板将高压器件隔开,而固定绝缘板的方式通常是胶水,像是用狗皮膏药把PACK里面打满了补丁,很难想象在这样复杂工艺在量产过程中是如何进行的。猜测是在设计之初考虑的不充分导致了后续只能无奈的通过打补丁的方式进行了。

  BMS在PACK内部几乎是完全裸露的,也许是为了减轻重量吧,但也带来一定的风险。

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  Module之间的水冷系统采用的是并联结构而不是互相串联,其目的在于确保了流进每个Module的冷却液有着相近的温度。

  Module之间的高压电气连接采用左右交错的排布方式,而不是从PACK尾部到顶部,再从顶部回到尾部这种比较简单的连接方式。猜测是为了防止形成大电流回环从而产生较强辐射干扰。

  电流采样仅仅采用了一个ISAscale工业级的Shunt,通过SPI总线与BMU进行通信。此前对标荣威E50上A123动力电池的解决方案,其采用了shunt和Hall双备份的措施。毕竟电流值在ESS系统中是一个极其关键的参数。

  电池Module

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  由于选用了NCA的电芯,在能量密度上Tesla可谓是遥遥领先,Pack的能量密度比很多车型的Cell都高出一截。下图是高配和低配在module上的差异,低配module每并少了10颗cells,串联数量都是6串,因此对于电池管理而言并没有太大差异。从汇流板可以看出与Busbar相连的部分颜色明显不同,此处是在表面进行了镀镍处理,防止氧化。

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  Module热交换设计上由于Tesla选择了18650电池必然导致了Coolant pipe必须设计得异常复杂,并且电池是用胶水牢牢固定于Module中,完全不具备维修和梯次利用的可能。而选用方形电池的I3和Volt更便于电芯和冷却系统的集成。

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  Volt在每个电芯间设计了散热曡层,使得热交换面积更大效果更好,推测这种方案在未来可能成为主流。

  电池管理系统BMS

  BMS采用主从架构,主控制器(BMU)负责高压、绝缘检测、高压互锁、接触器控制、对外部通信等功能。从控制器(BMB)负责单体电压、温度检测,并上报BMU。

  BMU具备主副双MCU设计,副MCU可检测主MCU工作状态,一旦发现其失效可获取控制权限。比较幽默的是BMU上居然有一个手动reset的按钮,刚看到的时候简直不敢相信这是汽车产品级ECU,更像是是个电脑主板。而且把过强电电流的预充电接触器直接放在了BMU上也是一个大胆的设计。

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  下图是Tesla、BMW i3、A123三家的模块监控BMB的对比。具体参数如下:

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  传说中Tesla检测了7000多节的电池电压,其实只是将74节电池并联检测一个点,传说监控了每个单体的温度,其实444节电池仅有两个温度探测点。传说能均衡住每一节电池,实际上均衡电流仅0.1A,对于230Ah的电池来说杯水车薪。尤其是在电压监控冗余设计上,BMW(preh)采用了LT6801,A123采用IC8进行了硬件比较,一旦MCU失效或者通信异常时可以直接在硬件上触发报警。相比之下Tesla设计得更简单。尤其是采用了UART通信而不是CAN,更像是IT公司的解决方案。

  单体电池Cell

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  从松下提供的Spec上看在0.5C充/1C放(100%DOD)的条件下500cycle后容量降至BOL状态时的68%,衰减比较严重。

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  同样是1C/1C充放150cycle的实验,上图I3和Model S电池的比较。

  上面几张循环寿命数据很好地说明了为什么Model S突破性地在乘用车内装进了85kwh这么巨大的电池。因为松下18650电池在1C左右的倍率下循环寿命很差。所以必须将通过高容量以降低同等工况下的倍率,保证更久的循环寿命;同时大容量的电池也确保了车辆在全生命周期里循环次数足够少。按百公里电耗20KWH计算,20万公里对于85KWH的PACK而言也不过只有470cycle。

  随着更多的电池企业针对汽车领域定制电池的标准化和批量化,18650电池所具备的低成本和高一致性的优势将迅速消失,即使Tesla一度希望通过开放专利的方式拉拢技术路线站队,但看似并不成功。开放专利噱头和宣传效果大于实际意义。

  不过在那个电动汽车供应链还不成熟的年代,Tesla几乎是凭着极佳的技术集成思路硬是在各种非汽车级选型中”凑“出了一辆跨时代意义的产品。

  所以硬要说Tesla在动力电池上比传统车企做得好,倒不如说Tesla做了他们不敢做的事。传统车企完善的供应链体系、长期积累的标准规范、庞大的市场占有量这几个方面就推动电动汽车这件事上看反而成了包袱。

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  Tesla可以毫无负担放弃汽车供应链在工业级产品中选型,可以暂时将Autosar、ISO26262等放一放,可以不用像传统车企一样担心在电动车技术走得太激进,导致出了起火事、失控等事故而影响传统车型的销量。但此后Tesla和传统车企竞争优势依然是这套历史条件制约下的解决方案么?我想肯定不是。

  那Tesla的核心竞争力应该是什么呢?电池管理软件算法。

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Tesla的核心优势在于基础技术

  个人认为电池管理技术并非Tesla的核心优势,而是基础技术。如同1983年apple推出的Lisa PC的核心技术也绝不在于使用了鼠标,2001年的ipod核心技术不在于1.8寸硬盘。

  2014年国内第一批Tesla上市时有幸参与了Model S拆解,主要负责了ESS部分的Benchmark。不得不说当完成该项目时,心中对于Tesla的神秘光环和传奇色彩褪色不少。如同美军缴获第一架米格25战斗机,激动得想一探其强劲性能的究竟,结果并未发现在基础技术上有明显颠覆性的突破。可以说Tesla单就每一项细节技术而言并非高人一等,甚至某些部分的设计略显草率(比如ESS系统的低集成化造成制造工艺和后期维修的难度、较多非汽车级零部件及方案应用带来的风险等),但将所有在工程师眼中并不完美的子部件集成在一起之后,依然呼之欲出了一款惊艳的产品。

  Tesla的成就更多是在产品定义上的准确把握而非技术上的核心优势。为什么既拥有强大整车制造能力又具备锂电池技术的日本没有出现高性能的电动车?

  因为在当时(即便是现在也可能如此)他们根本不认为这样的产品是足够安全的、价格是能让人接受的。为什么即便在已经证明了Tesla的市场价值后,德国车企在电动汽车的推进上依然不紧不慢,因为拿他们的技术标准去套Tesla的产品,无论是设计选型还是制造工艺根本就不成熟。作为崭新的汽车公司,不拥有长期的knowhow积累可能撞上前人早已知道应该躲避的暗礁,但同时也有可能因为卸下各种限制的包袱而第一个发现新的大陆。

  目前汽车行业已经有越来越多的新进入者加入,可以拿过去10年手机行业的变迁作为参照,期间诺基亚的衰弱,苹果、谷歌的崛起不仅仅是企业实力的竞争,更是通信产业链和计算机软件产业链争夺手机属性的竞争。如果手机还是通信技术推动的产品,那苹果、谷歌不一定是诺基亚的对手,而当手机成为计算机和软件业推动的产品,那为诺基亚编写App、为手机与PC充分互通的供应链与苹果、谷歌相比自然不在一个数量级,又如何有胜算呢。

  同理我们试想未来的汽车的属性会是什么?是操控性能卓越的交通工具,还是能载人移动的智慧机器人?这个属性的定义将决定是传统车企在未来生产、制造、销售中是否依旧占据供应链优势,还是以人工智能、云计算技术为核心业务的高科技公司在未来产业供应链结构中占到更大的比重。

  因此Tesla在动力电池领域的技术较传统车企而言,不但不是优势,在未来反而可能成为劣势。反倒是无人驾驶是其救命的稻草。

 

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  写在后面

  一旦从工程师的立场去看产品,往往能揭穿企业想要营造出的完美。毕竟产品设计的过程必然是一个妥协和取舍的过程,而企业在产品营销上往往试图用”不妥协“”不将就“之类的概念(比如国内的某些手机公司),与设计的本质相违背。

  但当自己是一个消费者的时候,Tesla依然对我有着极强的吸引力。其吸引力的来源根本不在于运用了先进或是落后的技术,而是凌驾于技术堆叠和性能参数之上的产品气质,这个气质是众多人想要而其他车型无法给予的感受,我想这是Tesla最成功的地方吧。

 

 

延伸阅读

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附上《特斯拉三元锂电池vs比亚迪磷酸铁锂电池》

话说,隔壁老王前阵子试驾了小牛N1电动车以后,一直对锂电池念念不忘,听闻笔者最近开着腾势电动车挑战了一次里程极限后,买完菜的老王拎着菜篮子就来找刚下班的笔者“聊天”来了。 

  笔者注:关于车用动力电池,除了本文要讨论的两种主流锂电池外,还有常见的镍氢、镍镉、铅酸、钴酸锂等电池,关于这些渐渐退出主流行列(镍氢除外)的电池,暂不讨论。

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  “你知道不?李铁柱听说小牛M1出事儿以后,开始看电动汽车了!”老王放下菜篮子,接着说:“听说这种车现在不用摇号是不?”

  “嗯,在北京需要摇号,只不过摇号的人比配额少,所以就直接发放了。还有什么免购置税之类的优惠政策。”

  “那现在都说车子是锂电池动力的好,你还说小牛N1的电池和特斯拉Model S的一样,那这写车的锂电池都一样么,是不是和手机的电池是一样的?”

  “肯定不一样呀,现在的电动汽车普遍采用锂电池作为动力电池,而特斯拉Model S采用的是松下18650组成的电池组,单个这种电池比平常的5号电池大一些,也称为三元锂电池,而市面上还有一种主流的锂电池叫做磷酸铁锂电池,例如比亚迪,就专精这类电池。”

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  △ 市面上还有一种叫做A123的锂电池,这种电池实际上也是磷酸铁锂电池的一种。它主要在制造工艺上采用了纳米工艺等,增加了电池充放电能力。我国万向集团就收购了A123公司,进而收购了赖以该电池为动力基础的菲斯克(Fisker)汽车公司。图为菲斯克Karma。

  “那这两种电池不都是锂电池,还能有啥区别呢?”老王问。

  “虽然同是一颗土豆,但是除了炖土豆,不还能做酸辣土豆丝么?”笔者从老王菜篮子里拿出一颗土豆,接着说:“这两种电池虽然都采用锂元素,但是配上不同的‘配菜’(负极材料)和‘做法’(电池管理系统),做出不一样的菜是必须的啦!”

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  △ 三元锂电池如果内部短路或是正极材料遇水,都会有明火产生。所以一般18650电池都会有一层钢壳保护,由于特斯拉的电池组是由7000块左右的18650电池组合而成,所以,虽然特斯拉给电池组进行了全方位的保护,但是在极端的碰撞事故中,起火隐患还是有的。

  而磷酸铁锂电池则要稳定许多,电池板就算是穿刺、短路也不会爆炸燃烧,遭到350℃的高温也不会起火(三元锂电池在180-250℃就扛不住了)。所以在安全性能上,磷酸铁锂电池略胜一筹。

  “哦!原来安全性差这么多呢!那为啥特斯拉还要用三元锂电池呢?”老王问。

  “三元锂电池的能量密度大,电压更高,所以同样重量的电池组电池容量更大,车子跑的距离也就更远,速度也能更快。特斯拉Model S充满电的续航里程400多公里呢。”

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  △ 不过,由于三元锂电池需要用大量的单个电池组合起来,所以电池的组的体积十分庞大,相比磷酸铁锂电池相对紧凑的体积,虽然在动力输出方面略胜一筹,但是也不得不承受对于车内空间的影响的副作用。

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  △ 官方标定60km/h等速巡航可达335km的腾势电动车,只采用了144节磷酸铁锂电池。

  “上次小牛官方说可以回收电池,说是什么电池有衰减,为什么这么说呢?”老王接着问。

  “虽然三元锂电池的理论寿命是2000次充放电循环,但在实际使用中,当进行900次的充放电循环后,电池容量就基本衰减到了55%。也就是说充满电只能跑原来里程的一半。”

  “那怎么办?”老王有些着急。

“但如果每次电池充放电都控制在0%-50%或者25%-75%的循环中工作,不榨光电池的精力,即使经过3000次的充放电循环,电池容量基本还能能够保持在70%左右。但这需要非常优秀的电池管理系统,所以特斯拉才会对自己的电池管理系统这么自豪。”

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  △ 不过,磷酸铁锂电池即便是经过3000次0-100%的充放电使用,容量也才会衰减到80%,所以磷酸铁锂电池的电池管理系统就没那么复杂,也就进一步降低了整车研发成本。图为采用磷酸铁锂电池驱动的比亚迪纯电动大巴车。(图片来自网络)

  “那比亚迪用磷酸铁锂电池就是因为它皮实、安全?”

  “其实咱们国家的锂矿、氧化铁磷酸盐储量丰富,制造磷酸铁锂电池有优势。而我国缺乏钴矿,制造必须采用钴元素的三元锂电池会有些困难。所以,我国许多车企(包括电池企业)发展磷酸铁锂电池是很现实的。”

  所以,现在市面上采用三元锂电池的电动车,动力电池基本都是国外品牌产品(日本松下,韩国SK等),价格也相应要比采用磷酸铁锂电池的车型(同级别)贵一些。

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  △ 北汽EV200采用了来自韩国SK生产的三元锂电池,理论巡航里程达到200km,而它的前辈车型EV150则采用了磷酸铁锂电池,续航里程仅为150km。

两种锂电池特点对照表
三元锂电池(18650) 磷酸铁锂电池
安全性(相对两款电池)
重量能量密度(Wh/kg) 200 100-110
电池单体标称电压(V) 3.8 3.2
抗衰退能力(寿命)
应用成本(我国)
抗低温衰减能力

来源:ofweek锂电网,材料科学与工程

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