本文關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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特斯拉電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)解析

2. 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(chē)輛控制所需的必需信息，在出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)響應(yīng)處理，并根據(jù)環(huán)境溫度、電池狀態(tài)及車(chē)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(cè)、電池狀態(tài)估計(jì)、在線故障診斷、充電控制、自動(dòng)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?zé)峁芾硐到y(tǒng) (Battery Thermal Management System, BTMS).

1. 熱管理系統(tǒng)的重要性

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是應(yīng)對(duì)電池的熱相關(guān)問(wèn)題，保證動(dòng)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(shí)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(shí)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(guò)快衰減，降低電池組整體壽命。

2. Tesla Roadster的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

Tesla Motors公司的Roadster純電動(dòng)汽車(chē)采用了液冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。車(chē)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(dòng)，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(gè)孔道，如圖 1.(c)所示。為了防止冷卻液流動(dòng)過(guò)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(dòng)的流場(chǎng)設(shè)計(jì)，冷卻管道的兩個(gè)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。

圖1. Roadster的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)示意圖

通過(guò)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(bào)告顯示，在行駛10萬(wàn)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(chē)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。

3.1 日產(chǎn)LEAF的熱管理系統(tǒng)

3.2 通用Volt的熱管理系統(tǒng)

通用汽車(chē)公司的Volt插電式混合動(dòng)力汽車(chē)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(jì)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(dòng)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。

圖2. Volt的熱管理系統(tǒng)

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。

4. Tesla Roadster相對(duì)于其他電動(dòng)汽車(chē)在熱管理上的特點(diǎn)

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(dòng)汽車(chē)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(guò)±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(dú)到之處。

但是，又有一個(gè)新問(wèn)題出來(lái)了：既然LEAF和Volt采用大容量的層疊式鋰離子電池匹配較簡(jiǎn)單的熱管理系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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)？

我認(rèn)為有如下原因：

a. 18650電池的優(yōu)點(diǎn)：18650電池已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在消費(fèi)類(lèi)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(yàn)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(shí)，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(duì)優(yōu)勢(shì)：在所有的電動(dòng)汽車(chē)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(chē)生產(chǎn)商，但它居然成功了。中國(guó)的比亞迪是從電池起家，轉(zhuǎn)而生產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)；日本的日產(chǎn)是傳統(tǒng)的汽車(chē)廠商，后來(lái)與NEC合作開(kāi)發(fā)電池，進(jìn)入電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)。Tesla的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在哪里？我認(rèn)為電池管理系統(tǒng)絕對(duì)是其中很重要的一個(gè)部分。在Tesla的技術(shù)團(tuán)隊(duì)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(kāi)發(fā)電池管理系統(tǒng)難度遠(yuǎn)低于開(kāi)發(fā)電池（偏向材料、化學(xué)）或者底盤(pán)（偏向機(jī)械）等。

在Tesla技術(shù)總監(jiān)J B Straubel訪談中，他對(duì)“Tesla一直會(huì)綁定在18650電池上嗎？你們會(huì)不會(huì)選用別的什么電池？”這個(gè)問(wèn)題的回答是

目前我們的電池實(shí)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(chē)級(jí)的電池，按照汽車(chē)級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)酷測(cè)試，絕對(duì)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(jià)格水平。

我們認(rèn)為對(duì)于電動(dòng)車(chē)，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(chǔ)的成本效率。如果有公司覺(jué)得自己的電池架構(gòu)更劃算，我們隨時(shí)洗耳恭聽(tīng)。但是目前為止我們還沒(méi)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。

他對(duì)Tesla的長(zhǎng)期合作伙伴戴姆勒和豐田的態(tài)度是

豐田對(duì)我們?cè)谔嵘a(chǎn)經(jīng)營(yíng)和供應(yīng)商質(zhì)量問(wèn)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(mén)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(shí)是產(chǎn)品的驗(yàn)證和測(cè)試，他們帶來(lái)了很多在這些領(lǐng)域的高強(qiáng)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?jī)r(jià)格上都是不同的。

因此對(duì)我們制造電動(dòng)車(chē)而言，能從這兩家混合吸收經(jīng)驗(yàn)真是一件很酷的事情。合作是互相促進(jìn)的，他們渴望傾聽(tīng)和了解我們是如何創(chuàng)新,編軟件和解決問(wèn)題的。我得說(shuō)我們?cè)诰庈浖碗娮庸こ谭矫骖I(lǐng)先了他們不止一點(diǎn)點(diǎn)。

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