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[电池材料] 特斯拉电动汽车电池技术路线分析

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查看13 | 回复0 | 2019-9-27 23:11:18 | 显示全部楼层 |阅读模式

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自特斯拉汽车推向市场以来,其快速的发展掀起了全球新能源汽车的发展热潮,特斯拉汽车所采用的技术一直被新能源汽车企业膜拜、模仿。下面我们从特斯拉新能源电动汽车电池结构、BMS电池管理系统等方面分别进行阐述。

一、动力总成构成

Model S动力总成主要分以下几部分:

  • 动力电池系统ESS
  • 交流感应电机Drive Unit
  • 车载充电机Charger
  • 高压配电盒 HV Junction Box
  • 加热器 PTC heater
  • 空调压缩机 A/C compressor
  • 直流转换器DCDC

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特斯拉新能源汽车电池系统结构图

特斯拉电动汽车电池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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新能源汽车动力部分

充电系统支持三种充电方式:

  • 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。
  • 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。
  • 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。

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。

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。

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新能源汽车动力部分

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。

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特斯拉热管理结构

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。

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在设计电动汽车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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特斯拉电池系统总成

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。

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特斯拉汽车电池

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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特斯拉电池平面图

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


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主流车型汽车电池能源对比

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。

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特斯拉BMS电池管理系统

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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BMS电池管理系统对比图

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BMS电池管理系统对比

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

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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。

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汽车电池ECO系统特性


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