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[分享] 特斯拉电池的特殊之处在哪里?

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发表于 2019-1-11 09:45 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 qwqwqw2088 于 2019-1-11 09:52 编辑

         2019年1月7日,寒冬中,特斯拉的工厂动工了。它的超级工厂在上海临港产业区正式开工建设,一期年生产规模就已达到25万辆纯电动整车,包括Model 3、Model Y等系列车型,全部建成运营后年产能将达50万辆纯电动整车。
什么是特斯拉?

       面对电动车巨无霸——特斯拉,比亚迪们无疑是压力山大!你想想,特斯拉不仅物美,而且还价廉,这让合资和国产汽车情何以堪?

1、物美:特斯拉拥有世界上最先进的电池技术和最强的设计!特斯拉电池由7000组单体小电池组成,依靠电池管理器技术来管理协调好这些电池组。有了这种电池技术,特拉斯Roadster0-60英里每小时仅需1.9秒,0-100英里每小时仅需4.2秒,最高时速可达250英里(400公里)。而特斯拉Model 3在单次充电情况下最多可行驶606英里(约合975公里),创下了纯电动汽车行驶的新纪录。975公里,什么概念?这,大约相当于广州到武汉的距离。特斯拉48万公里下来,它的电池衰减不到5%!也就是说,每年2万公里,80年才能报废一辆特斯拉。


2、智能:特斯拉Model S车上的一切设计,都使得其用户体验更像是平板电脑或者高端智能手机,而不是传统的汽车。


        出于职业的习惯,经常对含有电池管理系统的产品比较关注,曾经分享过有关特斯拉的电池的几个贴上,
7000多节18650电池的特斯拉电池
(转)拆解特斯拉电池组,探究美帝黑科技!


特斯拉电池管理系统的优势之处在哪?


自从ModelS上市以来,似乎已经被拆解无数遍了,这也从一个侧面印证了特斯拉(Tesla)在电动汽车市场初期的标杆地位。


一、动力总成构成:


ModelS动力总成主要分为这几部分:动力电池系统ESS、交流感应电机DriveUnit、车载充电机Charger、高压配电盒HVJunctionBox、加热器PTCheater、空调压缩机A/Ccompressor和直流转换器DCDC。




360截图20190111093533567.jpg

ModelS采用三相交流感应电机,并且将电机控制器、电机、以及传动箱集成于一体。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。




360截图20190111093612065.jpg



充电系统支持三种充电方式:


1.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。


2.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。


3.220V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ModelS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。


360截图20190111093720710.jpg



二、电池PACK


先看一下未拆解前的电池包(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。


360截图20190111093932275.jpg



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。


360截图20190111094003639.jpg



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模块(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。


电池管理系统(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。




360截图20190111094033560.jpg

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


360截图20190111094107351.jpg



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。




360截图20190111094143132.jpg



Module热交换设计上由于Tesla选择了18650电池必然导致了Coolantpipe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。




360截图20190111094232124.jpg



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。











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 楼主| 发表于 2019-1-11 09:51 | 显示全部楼层
本帖最后由 qwqwqw2088 于 2019-1-11 09:54 编辑

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。


360截图20190111094928034.jpg


下图是Tesla、BMWi3、A123三家的模块监控BMB的对比。具体参数如下:


360截图20190111094949920.jpg


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

360截图20190111095017011.jpg


360截图20190111095027811.jpg 360截图20190111095036131.jpg
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。


同样是1C/1C充放150cycle的实验,上图I3和ModelS电池的比较。上面几张循环寿命数据很好的说明了为什么ModelS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。


     不过在那个电动汽车供应链还不成熟的年代,Tesla几乎是凭着极佳的技术集成思路硬是在各种非汽车级选型中“凑”出了一辆跨时代意义的产品。所以硬要说Tesla在动力电池上比传统车企做得好,倒不如说Tesla做了他们不敢做的事;传统车企完善的供应链体系、长期积累的标准规范、庞大的市场占有量这几个方面就推动电动汽车这件事上看反而成了包袱。Tesla可以毫无负担放弃汽车供应链在工业级产品中选型,可以暂时将Autosar、ISO26262等放一放,可以不用像传统车企一样担心在电动车技术走得太激进,导致出了起火事、失控等事故而影响传统车型的销量。但此后Tesla和传统车企竞争优势依然是这套历史条件制约下的解决方案么?我想肯定不是。


     一旦从工程师的立场去看产品,往往能揭穿企业想要营造出的完美。毕竟产品设计的过程必然是一个妥协和取舍的过程,而企业在产品营销上往往试图用”不妥协“、”不将就“之类的概念(比如国内的某些手机公司),与设计的本质相违背。但当自己是一个消费者的时候,Tesla依然对我有着极强的吸引力,其吸引力的来源根本不在于运用了先进或是落后的技术;而是凌驾于技术堆叠和性能参数之上的产品气质,这个气质是众多人想要而其他车型无法给予的感受,我想这是Tesla最成功的地方吧。





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一粒金砂(高级)

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发表于 2019-1-11 10:38 | 显示全部楼层
特斯拉的电池用的18650圆柱电池。其他车厂用的都是软包电池或者方形电池的。特斯拉产品做得确实特别好。


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发表于 2019-1-11 12:31 来自手机 | 显示全部楼层
电池和电源管理,外观确实不错,我还是特别喜欢特是啦的荣威的电动车也好,但是系统偶尔要重启,,,

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意思是正在开荣威的电动车啊, 时尚人  详情 回复 发表于 2019-1-11 14:18


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 楼主| 发表于 2019-1-11 14:18 | 显示全部楼层
btty038 发表于 2019-1-11 12:31
电池和电源管理,外观确实不错,我还是特别喜欢特是啦的荣威的电动车也好,但是系统偶尔要重启 ...

意思是正在开荣威的电动车啊,
时尚人

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还真没听过荣威电动车,就知道比亚迪还有江淮电动汽车还不错、  详情 回复 发表于 2019-1-14 09:12


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一粒金砂(中级)

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发表于 2019-1-14 09:12 | 显示全部楼层
qwqwqw2088 发表于 2019-1-11 14:18
意思是正在开荣威的电动车啊,
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还真没听过荣威电动车,就知道比亚迪还有江淮电动汽车还不错、


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一粒金砂(高级)

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发表于 2019-2-12 08:08 | 显示全部楼层
据说特斯拉电动汽车的电池箱的组成单体电池,哪个单体电池出现问题时,能够自动断开。特斯拉电池连接以及单体电池设计上真的不错啊。


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一粒金砂(初级)

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发表于 2019-2-12 11:35 | 显示全部楼层
比亚迪的怎么样

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比亚迪也很厉害啊,他们最先推出的E6就很不错,现在污染这样严重,据说想让燃油车也推出市场呢,都要改电动汽车的。  详情 回复 发表于 2019-2-13 09:38
文晔科技,Ti、ST、MARVELL、NXP、MAXIM、Micron等产品一级代理,TEL:13510321059


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一粒金砂(高级)

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发表于 2019-2-13 09:38 | 显示全部楼层

比亚迪也很厉害啊,他们最先推出的E6就很不错,现在污染这样严重,据说想让燃油车也推出市场呢,都要改电动汽车的。


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