特斯拉電動汽車電池管理系統(tǒng)解析（圖）

作者吳彬

　　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(xiàn)異常時及時響應處理，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。我的主要研究方向是電池的熱管理系統(tǒng)，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(xiàn)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，電池內部熱量不易散出，更可能出現(xiàn)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。

　　

圖1. Roadster的電池熱管理系統(tǒng)示意圖

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