詳細(xì)特斯拉電池管理系統(tǒng)深度剖析

　　電池管理系統(tǒng)功能

　　準(zhǔn)確估測(cè)動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)：

　　準(zhǔn)確估測(cè)動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài) （State of Charge，即SOC），即電池剩余電量，保證SOC維持在合理的范圍內(nèi)，防止由于過充電或過放電對(duì)電池的損傷，從而隨時(shí)預(yù)報(bào)混合動(dòng)力汽車儲(chǔ)能電池還剩余多少能量或者儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)。

　　動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池組的工作狀態(tài)：

　　在電池充放電過程中，實(shí)時(shí)采集電動(dòng)汽車蓄（應(yīng)該為動(dòng)力電池組）電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池包總電壓，防止電池發(fā)生過充電或過放電現(xiàn)象。同時(shí)能夠及時(shí)給出電池狀況，挑選出有問題的電池，保持整組電池運(yùn)行的可靠性和高效性，使剩余電量估計(jì)模型的實(shí)現(xiàn)成為可能。除此以外，還要建立每塊電池的使用歷史檔案，為進(jìn)一步優(yōu)化和開發(fā)新型電、充電器、電動(dòng)機(jī)等提供資料，為離線分析系統(tǒng)故障提供依據(jù)。

　　單體電池間、電池組間的均衡：

　　即在單體電池、電池組間進(jìn)行均衡，使電池組中各個(gè)電池都達(dá)到均衡一致的狀態(tài)。電池均衡一般分為主動(dòng)均衡、被動(dòng)均衡。目前已投入市場(chǎng)的BMS，大多采用的是被動(dòng)均衡。均衡技術(shù)是目前世界正在致力研究與開發(fā)的一項(xiàng)電池能量管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　電池管理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

　　電動(dòng)車未來將以鋰電池為主要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)來源，主因在于鋰電池有高能量密度優(yōu)勢(shì)，所以性能較為穩(wěn)定。然而鋰電池大量生產(chǎn)時(shí)品質(zhì)不易掌握，電池芯出廠時(shí)電量即存在些微差異，且隨著操作環(huán)境、老化等因素，電池間不一致性將愈趨明顯，電池效率、壽命也都將變差，再加上過充或過放等情況，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致起火燃燒等安全問題。因此，透過電池管理系統(tǒng)（BMS）能準(zhǔn)確量測(cè)電池組使用狀況，保護(hù)電池不至于過度充放電，平衡電池組中每一顆電池的電量，以及分析計(jì)算電池組的電量并轉(zhuǎn)換為駕駛可理解的續(xù)航力信息，確保動(dòng)力電池可安全運(yùn)作。

　　2012年全球電池管理系統(tǒng)（BMS）市場(chǎng)產(chǎn)值成長(zhǎng)逾10%，2013年至2015年成長(zhǎng)幅度將大幅躍升至25-35%?，F(xiàn)階段不論是整車廠、電池廠、還是相關(guān)車電零組件廠均投入電池管理系統(tǒng)（BMS）研發(fā)，以求掌握電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，由于車廠是電池管理系統(tǒng)的使用者，車廠多偏好使用本身的軟件處理，并以專門的廠規(guī)控管，以維持操作彈性。電池管理系統(tǒng)（BMS）產(chǎn)業(yè)發(fā)展可能類似鋰電池，車廠為掌握關(guān)鍵技術(shù)，會(huì)與長(zhǎng)期合作供貨商密切合作產(chǎn)品開發(fā)，對(duì)新進(jìn)廠商切入難度高。因此，未來新進(jìn)廠商欲切入車廠供應(yīng)鏈，除與相關(guān)供應(yīng)鏈強(qiáng)化合作關(guān)系外，針對(duì)需求打造客制化方案，才有機(jī)會(huì)搶得先機(jī)。

　　特斯拉的電池系統(tǒng)

　　電池系統(tǒng)是電動(dòng)車的動(dòng)力來源，是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中最核心的系統(tǒng)成分。以特斯拉ModelS為例，其電池系統(tǒng)（鋰電池+電池管理系統(tǒng)）成本占比為56%，而傳統(tǒng)的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)占比大約只有15%-25%。到了2016年，電池系統(tǒng)的成本占比有所下降，且成本結(jié)構(gòu)也有所變化，單體電池的成本占到了83%，電池管理系統(tǒng)的成本占比約為13%，剩余4%為電池冷卻系統(tǒng)。通過對(duì)特斯拉電池系統(tǒng)的構(gòu)成以及特斯拉配套充電設(shè)施進(jìn)行詳盡的梳理，我們可以對(duì)特斯拉的電池產(chǎn)業(yè)鏈有一個(gè)直觀、深入的認(rèn)識(shí)，對(duì)于其它新能源汽車也可以起到觸類旁通的作用。目前電池系統(tǒng)的成本是制約特斯拉及其它新能源汽車發(fā)展最主要的因素之一，了解了電池系統(tǒng)就相當(dāng)于擁有了解開新能源汽車產(chǎn)業(yè)的鑰匙。

　　通過對(duì)特斯拉電池系統(tǒng)的構(gòu)成以及特斯拉配套充電設(shè)施進(jìn)行詳盡的梳理，我們可以對(duì)特斯拉的電池產(chǎn)業(yè)鏈有一個(gè)直觀、深入的認(rèn)識(shí)，對(duì)于其它新能源汽車也可以起到觸類旁通的作用。目前電池系統(tǒng)的成本是制約特斯拉及其它新能源汽車發(fā)展最主要的因素之一，了解了電池系統(tǒng)就相當(dāng)于擁有了解開新能源汽車產(chǎn)業(yè)的鑰匙。

　　電動(dòng)車要想具備實(shí)用性，就必須考量它一次充電后的續(xù)航性及其充電的便捷性，要了解這兩點(diǎn)就必須關(guān)注其電池的構(gòu)造以及充電設(shè)備的充電速度和設(shè)備分布。ModelS曾推出的搭配電池功率型號(hào)有40、60、70、75、85、90、100kWh，對(duì)于85kWh及以上型號(hào)，還有一些提供更出色的動(dòng)力性能的性能版可供選擇，比如Perf版和Ludicrous版。不同的型號(hào)，每次充滿電所能最大行駛的距離和最大馬力不同。隨著技術(shù)的進(jìn)步和為了更加迎合人們的需求，特斯拉陸續(xù)取消了一些ModelS電池型號(hào)，現(xiàn)今仍可以訂購的功率型號(hào)為75、90、100kWh。

　　ModelX則推出過60、70、75、90、100kWh的型號(hào)，現(xiàn)在可以訂購的只有70和100kWh的型號(hào)。據(jù)中關(guān)村在線的資訊顯示，特斯拉設(shè)計(jì)的Model3電動(dòng)車基本版本的電池組功率約為60kWh。而根雷鋒網(wǎng)據(jù)Musk的Twitter及相關(guān)信息進(jìn)行了推測(cè)，可能最高只有75kWh版本。這主要是由于Model3相比于ModelS和ModelX，車輪的軸距更小，同時(shí)Model3的定位也是作為入門款。根據(jù)ElonMusk7月9日的推特消息，第一輛Model3已于當(dāng)天下線，同時(shí)特斯拉將在7月28日為首批30名訂購Model3的消費(fèi)者舉行交付儀式。另外，Model3使用電池也不同于ModelS與ModelX。在特斯拉汽車日本公司2015年7月15日舉行的媒體說明會(huì)上，美國總公司的電池技術(shù)總監(jiān)KurtKelty公布了Model3將使用全新21700鋰電池的消息，其能量密度將比用于ModelS與ModelX的18650鋰電池高30%。

　　特斯拉電池及電池板的構(gòu)造

　　不同于其它電動(dòng)汽車，特斯拉使用的電池并非專用的整塊大電池，而是將幾千個(gè)圓柱形小電池組裝起來。ModelS與ModelX目前使用的都是松下供應(yīng)的18650NCA特制電池，這種圓柱形電池橫截面直徑為18毫米，高65毫米。常規(guī)款的18650鋰電池被廣泛地使用于筆記本電腦的電芯中，其化學(xué)式構(gòu)成為L(zhǎng)iNiCoAlO2。

　　采用單個(gè)電池的優(yōu)點(diǎn)在于單個(gè)的18650電池發(fā)生爆炸威力有限，即使并聯(lián)的一個(gè)電池單元出現(xiàn)故障，最多使續(xù)航距離縮短一塊電池單元所提供的行駛距離。而且該款電池工藝成熟，適合大批量生產(chǎn)。同時(shí)電池一致性好、成本低。

　　而由于特斯拉電動(dòng)車本身優(yōu)良的熱管理系統(tǒng)，松下為特斯拉特制的18650電池相比于常規(guī)款得以移除一些多余的安全設(shè)施，從而變得更輕更便宜。同時(shí)，特斯拉又在每個(gè)電芯上都安裝了保險(xiǎn)絲，而不是通常地在整個(gè)電池組設(shè)置保險(xiǎn)裝置。

　　由于動(dòng)力系統(tǒng)采用的是小型單體電池，特斯拉的電池系統(tǒng)構(gòu)造就顯得異常復(fù)雜和精巧。以ModelS85kWh型號(hào)為例，電池板共分為16個(gè)電池組，如下圖所示的每一個(gè)矩形塊均為一個(gè)電池組，最右側(cè)堆疊了兩組。

　　電池組之間串聯(lián)連接，電壓共402伏。特斯拉的每個(gè)電池組又由6個(gè)單體電池包串聯(lián)而成，每個(gè)電池包由74節(jié)18650電池并聯(lián)而成。為了方便電池組內(nèi)的散熱管路的安放，單體電池包的采用不規(guī)則的布置。

　　因此，ModelS85kWh型號(hào)使用了多達(dá)7104節(jié)電池，按照3.6V的工作電壓和3.2Ah的電容量來計(jì)算的話，總電量約為82kWh，略低于車型說明的電量。這7000多節(jié)電池組成的電池組重量將近700公斤，占了整臺(tái)車重量近一半。類似地，100kWh型號(hào)電池板使用了共8256節(jié)單體電池，同樣分為16個(gè)電池組。

　　為了保護(hù)電池組，特斯拉在電池組前部頂面上設(shè)計(jì)了防水透氣閥，利用氣體分子與液體及灰塵顆粒的體積大小數(shù)量級(jí)之差，讓氣體分子通過，而液體、灰塵無法通過，從而實(shí)現(xiàn)防水透氣的目的，避免水蒸氣在電池組內(nèi)部凝結(jié)。

　　ModelS電池板的放臵位臵正好使它成為車軸之間的底板，這個(gè)設(shè)計(jì)帶來了許多好處。由于電池板是全車重量最大的一部分（ModelS85kWh型號(hào)電池組重544千克），使得ModelS的重心高度只有18英寸，因此擁有了一個(gè)較大的橫向加速度（0.9g）以及良好的防側(cè)翻性。

　　同時(shí)為了保護(hù)位于底部的電池板，特斯拉還在電池板下部增加了一層由鋁合金（或者鋼、玻璃纖維、碳纖維、塑料等，目前ModelS采用的是鋁合金）材料構(gòu)成的保護(hù)結(jié)構(gòu)，將電池模塊包裹起來，并保持一定的緩沖距離，并將其取名為防彈鎧甲（BallisticShield）。

　　特拉斯電池冷卻系統(tǒng)

　　電池板內(nèi)除了電池組外，最多的就是“冷卻液”管路。每一輛特斯拉都有一套專門的液體循環(huán)溫度管理系統(tǒng)圍繞著每一節(jié)單體電池。

　　“冷卻液”呈綠色，由50%的水和50%的乙二醇混合而成?！袄鋮s液”不斷地在管道中流動(dòng)，最終會(huì)在車輛頭部的熱交換器散發(fā)出去，從而保持電池溫度的均衡，防止電池局部溫度過高導(dǎo)致電池性能下降。特斯拉的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可將電池組之間的溫度控制在±2℃，控制好電池板的溫度可有效延長(zhǎng)電池的使用壽命。

　　特拉斯配套充電設(shè)施

　　特斯拉的充電方式主要分為家庭充電、目的地充電和超級(jí)充電站三種方式。

　　家庭充電是特斯拉最主要的充電方式。特斯拉汽車可以直接通過220V10A/16A家用插座進(jìn)行充電。國內(nèi)普通家庭用電多為220V40A電表，但插座多為10A或16A。通過TESLA隨車帶的充電線配和相應(yīng)插頭連接并選擇10A或16A的充電電流，無需單裝電表以及任何設(shè)備改造即可充電，但充電速度慢，每小時(shí)大約可充8公里的續(xù)航。

　　由于國內(nèi)大部分小區(qū)采用的是220V單相供電的形式，最高電流能達(dá)到40A。通過將每輛ModelS和ModelX隨車附贈(zèng)的家用充電樁，在自己的停車位處安裝后即可以40A的充電電流進(jìn)行充電。這樣一來，充電速度可以遠(yuǎn)快于國內(nèi)大多數(shù)電動(dòng)車16A的充電電流所提供的充電速度。

　　此外，還可以選擇安裝特斯拉專用充電墻（HighPowerWallConnector）。單獨(dú)申請(qǐng)80A電表或增容現(xiàn)有電表，通過安裝TESLA專用充電墻并安裝第二充電器（在車內(nèi)，需購車時(shí)選配）實(shí)現(xiàn)快速充電。每小時(shí)充電可達(dá)17.6kWh，可行駛80-100公里，從無電到滿電需5-6小時(shí)。

　　目的地充電是為了方便出行而設(shè)置的充電方式。特斯拉在包括部分餐廳、飯店、購物中心和度假村等地合作安裝有目的地充電站點(diǎn)，車主也可以在抵達(dá)這些地方后進(jìn)行充電。目的地充電站點(diǎn)的充電樁同家庭充電中所安裝的充電樁或充電墻是完全相同的。收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)也由安裝的企業(yè)決定。特斯拉官網(wǎng)顯示，其目前在國內(nèi)30個(gè)?。ê陛犑屑白灾螀^(qū)）有654個(gè)充電站點(diǎn)。

　　除了以上兩種充電方式以外，特斯拉還有一種直流快充方式——超級(jí)充電。特斯拉號(hào)稱其超級(jí)充電站是目前世界上最快的充電站，充電一般僅需幾十分鐘。充電站的選址通常位于餐廳、購物中心、WiFi熱點(diǎn)等附近，可以在停車休息的時(shí)候充電。這是開車長(zhǎng)途旅行的首選。

　　根據(jù)特斯拉官網(wǎng)數(shù)據(jù)，目前已建立遍布全球的861座超級(jí)充電站，共計(jì)5655個(gè)超級(jí)充電樁。而根據(jù)特斯拉中國官方6月發(fā)表的微博，至今已在中國建成117個(gè)超級(jí)充電站，554個(gè)超級(jí)充電樁。同時(shí)2017年，特斯拉全球充電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模將擴(kuò)大一倍；在中國的充電網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)建也將緊隨全球的擴(kuò)張速度。

　　一部分的特斯拉超級(jí)充電站還利用太陽能板來提供一部分充電的電能，同時(shí)還有遮陽的效果。每個(gè)充電樁的造價(jià)大概在10萬美元到17.5萬美元之間，其中多半的資金將用在地基的重塑上。

　　此前，ElonMusk又在Twitter上透露，特斯拉將會(huì)對(duì)Superger進(jìn)行升級(jí)，輸出功率很有可能將會(huì)超過350kW，這無疑會(huì)進(jìn)一步極大地加快充電速度，減少充電時(shí)間。

　　超級(jí)充電樁所使用的充電槍也是一個(gè)技術(shù)極度密集的部件。當(dāng)特斯拉在超級(jí)充電樁充電時(shí)，充電槍里的感應(yīng)器會(huì)時(shí)刻檢測(cè)車內(nèi)電池的溫度變化。一旦電池溫度過高，充電槍就立即發(fā)出信號(hào)，減低充電強(qiáng)度，使電池溫度降低；同時(shí)，電池板內(nèi)的冷卻系統(tǒng)，也同步做出相應(yīng)的反應(yīng)，使冷卻力度同步加強(qiáng)。這個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)充電強(qiáng)度的過程是電槍、電池冷卻系統(tǒng)、充電樁的電流，一起高度協(xié)同工作。

　　除特斯拉之外市面還有其他品牌電動(dòng)車它們也有自己充電樁，國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)等電力公司也修建了一些公共充電樁。特斯拉在2016年11月的廣州車展上，正式發(fā)布了新國標(biāo)充電配適器。自此，特斯拉電動(dòng)車不僅能在特斯拉的充電網(wǎng)絡(luò)中充電，也可以使用符合中國新國標(biāo)的充電設(shè)施進(jìn)行充電。

　　將配適器的一頭插在符合新國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的非特斯拉充電樁插頭上，一頭插在特斯拉車上，即可進(jìn)行充電。不過目前有些充電樁還必須辦理相應(yīng)的充電卡才能充電，充電速度也參差不齊。

　　特斯拉電池充電管理技術(shù)

　　特斯拉電動(dòng)車充電的快捷性得益于其快速充電技術(shù)。通過可變電流和三段式充電方法，合理分配充電電流，以最高的充電效率快速充電。如今手機(jī)的快速充電所采用的技術(shù)也類似于此。

　　對(duì)于鋰電池來講，深放電機(jī)會(huì)越小壽命越長(zhǎng)，反之，頻繁地深放電（將電池電量用到20%以下）將導(dǎo)致電池壽命降低。特斯拉電池在其特有的工藝下，在50-0%循環(huán)模式（使用電池不超過50%的電量），電池總壽命延長(zhǎng)一倍。而在深度循環(huán)模式下，900個(gè)循環(huán)后，容量衰減至50%。所以從保護(hù)電池壽命的角度來講，可以盡量將每次行程控制在80%最大續(xù)航之內(nèi)，避免用電超80%后再充電，但可定期深放電以激活電池。