Tesla Motors 的电池管理系统 (BMS) 相比其他电动汽车有哪些优势?

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自从Model S上市以来视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。

一、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



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。


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。
二、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。

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釜沉舟的考虑,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。

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。

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。

三、电池Module

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。



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。


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。

四、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。


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



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。传说中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。

五、单体电池Cell



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。

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的说明了为什么Model S突破性的在乘用车内装进了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。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?至于什么是他的核心竞争力我在之前的一个问题里有回答。
为什么说特斯拉的核心优势是电池管理软件算法? - 叶磊Ray 的回答

PS: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。
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<说明>
1. Tesla目前推出了两款电动汽车,Roadster和Model S,目前我收集到的Roadster的资料较多,因此本回答重点分析的是Roadster的电池管理系统。
2. 电池管理系统(Battery Management System, BMS)的主要任务是保证电池组工作在安全区间内,提供车辆控制所需的必需信息,在出现异常时及时响应处理,并根据环境温度、电池状态及车辆需求等决定电池的充放电功率等。BMS的主要功能有电池参数监测、电池状态估计、在线故障诊断、充电控制、自动均衡、热管理等。我的主要研究方向是电池的热管理系统,因此本回答分析的是电池热管理系统 (Battery Thermal Management System, BTMS).
3. 本回答的主要内容来自参考文献[5].

<正文>
1. 热管理系统的重要性
电池的热相关问题是决定其使用性能、安全性、寿命及使用成本的关键因素。首先,锂离子电池的温度水平直接影响其使用中的能量与功率性能。温度较低时,电池的可用容量将迅速发生衰减,在过低温度下(如低于0°C)对电池进行充电,则可能引发瞬间的电压过充现象,造成内部析锂并进而引发短路。其次,锂离子电池的热相关问题直接影响电池的安全性。生产制造环节的缺陷或使用过程中的不当操作等可能造成电池局部过热,并进而引起连锁放热反应,最终造成冒烟、起火甚至爆炸等严重的热失控事件,威胁到车辆驾乘人员的生命安全。另外,锂离子电池的工作或存放温度影响其使用寿命。电池的适宜温度约在10~30°C之间,过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减。动力电池的大型化使得其表面积与体积之比相对减小,电池内部热量不易散出,更可能出现内部温度不均、局部温升过高等问题,从而进一步加速电池衰减,缩短电池寿命,增加用户的总拥有成本。
电池热管理系统是应对电池的热相关问题,保证动力电池使用性能、安全性和寿命的关键技术之一。热管理系统的主要功能包括:1)在电池温度较高时进行有效散热,防止产生热失控事故;2)在电池温度较低时进行预热,提升电池温度,确保低温下的充电、放电性能和安全性;3)减小电池组内的温度差异,抑制局部热区的形成,防止高温位置处电池过快衰减,降低电池组整体寿命。

2. Tesla Roadster的电池热管理系统

Tesla Motors公司的Roadster纯电动汽车采用了液冷式电池热管理系统。车载电池组由6831节18650型锂离子电池组成,其中每69节并联为一组(brick),再将9组串联为一层(sheet),最后串联堆叠11层构成。电池热管理系统的冷却液为50%水与50%乙二醇混合物。

图 1.(a)是一层(sheet)内部的热管理系统。冷却管道曲折布置在电池间,冷却液在管道内部流动,带走电池产生的热量。图 1.(b)是冷却管道的结构示意图。冷却管道内部被分成四个孔道,如图 1.(c)所示。为了防止冷却液流动过程中温度逐渐升高,使末端散热能力不佳,热管理系统采用了双向流动的流场设计,冷却管道的两个端部既是进液口,也是出液口,如图 1(d)所示。电池之间及电池和管道间填充电绝缘但导热性能良好的材料(如Stycast 2850/ct),作用是:1)将电池与散热管道间的接触形式从线接触转变为面接触;2)有利于提高单体电池间的温度均一度;3)有利于提高电池包的整体热容,从而降低整体平均温度。

图1. Roadster的电池热管理系统示意图


通过上述热管理系统,Roadster电池组内各单体电池的温度差异控制在±2°C内。2013年6月的一份报告显示,在行驶10万英里后,Roadster电池组的容量仍能维持在初始容量的80%~85%,而且容量衰减只与行驶里程数明显相关,而与环境温度、车龄关系不明显。上述结果的取得依赖电池热管理系统的有力支撑。


3. 其他电动汽车的热管理系统

3.1 日产LEAF的热管理系统

日产汽车公司的LEAF纯电动汽车采用了少见的被动式电池组热管理系统。电池组由192节33.1 Ah的层叠式锂离子电池组成。4节单体电池采用两并两串的连接形式组成模块,48个模块串联组成电池组。电池组采用密封设计,外界不通风,内部也无液冷或空冷的热管理系统,但寒冷地区有加热选件。LEAF所采用的锂离子电池经过电极设计后降低了内部阻抗,减小了产热率,同时薄层(单体厚度7.1 mm)结构使电池内部热量不易产生积聚,因此可以不采用复杂的主动式热管理系统。电池组的寿命保证期是8年或16万公里。

3.2 通用Volt的热管理系统

通用汽车公司的Volt插电式混合动力汽车使用了288节45 Ah的层叠式锂离子电池。电池组的电气连接可等效为96片单体串联成组,3组并联。热管理系统采用了液冷式设计方案,以50%水与50%乙二醇混合物为冷却介质。单体电池间间隔布置了金属散热片(厚度为1 mm),散热片上刻有流道槽。冷却液可在流道槽内流动带走热量。在低温环境下,加热线圈可以加热冷却液使电池升温。

图2. Volt的热管理系统

Volt的电池组内的温度差可控制在2°C以内,有力地支持了8年的电池组寿命保证期。


4. Tesla Roadster相对于其他电动汽车在热管理上的特点

从上述分析可以看到,Tesla Roadster在热管理系统上远比其他电动汽车要复杂。Tesla的电池组是由6831节单体容量较小的18650电池组成的,要保证这么多电池的温度差异不超过±2°C是一件非常困难的事情,但是Tesla做到了,这也凸显出Tesla在电池管理上的先进、独到之处。

但是,又有一个新问题出来了:既然LEAF和Volt采用大容量的层叠式锂离子电池匹配较简单的热管理系统也能实现设计目标,为什么Tesla还要采用18650电池和复杂的电池管理系统?

我认为有如下原因:

a. 18650电池的优点:18650电池已经广泛地应用在消费类电子产品中,生产厂商已经积累了大量的技术经验用于控制成本,提高性能(特别是安全性、一致性等)。Tesla在选择电池厂商时,特别选择了那些积极投资于减少产品缺陷的企业。

b. Tesla的相对优势:在所有的电动汽车制造商中,Tesla是很神奇的一家。它既不是电池生产商,也不是传统的汽车生产商,但它居然成功了。中国的比亚迪是从电池起家,转而生产电动汽车;日本的日产是传统的汽车厂商,后来与NEC合作开发电池,进入电动汽车市场。Tesla的技术优势在哪里?我认为电池管理系统绝对是其中很重要的一个部分。在Tesla的技术团队中,偏向电子、电工方向的工程师应该是占多数的,因此开发电池管理系统难度远低于开发电池(偏向材料、化学)或者底盘(偏向机械)等。

在Tesla技术总监J B Straubel访谈中,他对“Tesla一直会绑定在18650电池上吗?你们会不会选用别的什么电池?”这个问题的回答是

相信我,在不久的将来我们会看到18650是最有说服力的。我真的不知道为什么18650会引起那么多争议,没有人会在乎你油箱的形状和大小,但是在电动车上用什么形状和大小放入电化学能量却引起这么多的争议。人们应该真正讨论的是里面放了什么样的化学物质,这些物质的性质决定了成本和性能。
目前我们的电池实际上是深度定制的,我们和松下一起做了大量的客户定制工作。我们做的是汽车级的电池,按照汽车级的标准严酷测试,绝对不可能在任何笔记本上找到这种电池。我们之所以使用18650这样形状和大小的电池主要是出于生产和成本效率方面的考虑,任何一种大电池都满足不了我们需要的价格水平。
我们认为对于电动车,你的产品有一些关键的安全和性能指标这是必须的,但是最重要的是你产品能量存储的成本效率。如果有公司觉得自己的电池架构更划算,我们随时洗耳恭听。但是目前为止我们还没有发现一家公司能证明比我们的电池架构更具成本效益。
他对Tesla的长期合作伙伴戴姆勒和丰田的态度是
丰田对我们在提升生产经营和供应商质量问题上非常有帮助。在大型制造企业里面他们是世界界上最好的公司。他们建立了一门科学追踪生产缺陷,在很多地方帮到了我们。
我们从戴姆勒学到的关键知识是产品的验证和测试,他们带来了很多在这些领域的高强度的严谨性。他们要做的真的是极高质量的产品,戴姆勒的产品和丰田在产量价格上都是不同的。
因此对我们制造电动车而言,能从这两家混合吸收经验真是一件很酷的事情。合作是互相促进的,他们渴望倾听和了解我们是如何创新,编软件和解决问题的。我得说我们在编软件和电子工程方面领先了他们不止一点点。

<参考文献>

1. Adams D, Berdichevsky E, Colson T, et al. Battery pack thermal management system: USA, US2009/0023056 A1 [P]. 2009-01-22.

2. Saxon T. Plug In America’s Tesla Roadster Battery Study [EB/OL]. [2013-12-25]. pluginamerica.org/surve.

3. Parrish R, Elankumaran K, Gandhi M, et al. Voltec battery design and manufacturing [R]. 2011-01-1360, SAE International, 2011.

4. Ikezoe M, Hirata N, Amemiya C, et al. Development of High Capacity Lithium-Ion Battery for NISSAN LEA [R]. 2012-01-0664, SAE International, 2012.

5. 张剑波, 吴彬, 李哲. 车用动力锂离子电池热模拟与热设计的研发状况与展望 [J]. 集成技术, 2014 (1): 18-26.