特斯拉電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)詳解

    Tesla目前推出了兩款電動汽車，Roadster和Model S，目前收集到的Roadster的資料較多，因此本文重點分析的是Roadster的電池管理系統(tǒng)。
    電池管理系統(tǒng)（Battery Management System， BMS）的主要任務(wù)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(yīng)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。本文將重點分析電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) （Battery Thermal Management System， BTMS）。

    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(jìn)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(jìn)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(dāng)操作等可能造成電池局部過熱，并進(jìn)而引起連鎖放熱反應(yīng)，最終造成冒煙、起火甚至爆炸等嚴(yán)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10~30°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(jìn)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?zé)峁芾硐到y(tǒng)是應(yīng)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(jìn)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(jìn)行預(yù)熱，提升電池溫度，確保低溫下的充電、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。
    一、Tesla Roadster的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)
    Tesla Motors公司的Roadster純電動汽車采用了液冷式電池?zé)峁芾硐到y(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?zé)峁芾硐到y(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(jìn)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(dǎo)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)，Roadster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?zé)峁芾硐到y(tǒng)的有力支撐。
    二、其他電動汽車的熱管理系統(tǒng)
    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(fēng)，內(nèi)部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(fù)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。
    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），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。
   

    Volt的電池組內(nèi)的溫度差可控制在2°C以內(nèi)，有力地支持了8年的電池組壽命保證期。
    三、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(yuǎn)比其他電動汽車要復(fù)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±2°C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(jìn)、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(biāo)，為什么Tesla還要采用18650電池和復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)？筆者認(rèn)為有如下原因：
    a. 18650電池的優(yōu)點：18650電池已經(jīng)廣泛地應(yīng)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(jìn)入電動汽車市場。Tesla的技術(shù)優(yōu)勢在哪里？我認(rèn)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(tuán)隊中，偏向電子、電工方向的工程師應(yīng)該是占多數(shù)的，因此開發(fā)電池管理系統(tǒng)難度遠(yuǎn)低于開發(fā)電池（偏向材料、化學(xué)）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？Tesla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。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(xué)能量卻引起這么多的爭議。人們應(yīng)該真正討論的是里面放了什么樣的化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)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(rèn)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(biāo)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?！?br />    J B Straubel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(yīng)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(xué)追蹤生產(chǎn)缺陷，在很多地方幫到了我們。我們從戴姆勒學(xué)到的關(guān)鍵知識是產(chǎn)品的驗證和測試，他們帶來了很多在這些領(lǐng)域的高強度的嚴(yán)謹(jǐn)性。他們要做的真的是極高質(zhì)量的產(chǎn)品，戴姆勒的產(chǎn)品和豐田在產(chǎn)量價格上都是不同的。因此對我們制造電動車而言，能從這兩家混合吸收經(jīng)驗真是一件很酷的事情。合作是互相促進(jìn)的，他們渴望傾聽和了解我們是如何創(chuàng)新，編軟件和解決問題的。我得說我們在編軟件和電子工程方面領(lǐng)先了他們不止一點點?！?/p>