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特斯拉電動汽車 電池系統(tǒng)詳解

鉅大LARGE  |  點擊量：2523次  |  2020年04月28日  

準(zhǔn)確估測動力鋰電池組的荷電狀態(tài)：準(zhǔn)確估測動力鋰電池組的荷電狀態(tài)（StateofCharge，即SOC），即電池剩余電量，保證SOC維持在合理的范圍內(nèi)，防止由于過充電或過放電對電池的損傷，從而隨時預(yù)報混合動力汽車儲能電池還剩余多少能量或者儲能電池的荷電狀態(tài)。


動態(tài)監(jiān)測動力鋰電池組的工作狀態(tài)：


在電池充放電過程中，實時采集電動汽車蓄（應(yīng)該為動力鋰電池組）電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池包總電壓，防止電池發(fā)生過充電或過放電現(xiàn)象。同時能夠及時給出電池狀況，選擇出有問題的電池，保持整組電池運行的可靠性和高效性，使剩余電量估計模型的實現(xiàn)成為可能。除此以外，還要建立每塊電池的使用歷史檔案，為進一步優(yōu)化和開發(fā)新型電、充電器、電動機等供應(yīng)資料，為離線分析系統(tǒng)故障供應(yīng)依據(jù)。


單體電池間、電池組間的均衡：


即在單體電池、電池組間進行均衡，使電池組中各個電池都達到均衡一致的狀態(tài)。電池均衡一般分為主動均衡、被動均衡。目前已投入市場的BMS，大多采用的是被動均衡。均衡技術(shù)是目前世界正在致力研究與開發(fā)的一項電池能量管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。


電池管理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀


電動汽車未來將以鋰離子電池為重要動力驅(qū)動來源，主因在于鋰離子電池有高能量密度優(yōu)勢，所以性能較為穩(wěn)定。然而鋰離子電池大量生產(chǎn)時品質(zhì)不易掌握，電池芯出廠時電量即存在些微差異，且隨著操作環(huán)境、老化等因素，電池間不一致性將愈趨明顯，電池效率、壽命也都將變差，再加上過充或過放等情況，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致起火燃燒等安全問題。因此，透過電池管理系統(tǒng)（BMS）能準(zhǔn)確量測電池組使用狀況，保護電池不至于過度充放電，平衡電池組中每一顆電池的電量，以及分析計算電池組的電量并轉(zhuǎn)換為駕駛可理解的續(xù)航力信息，確保動力鋰電池可安全運作。


2012年全球電池管理系統(tǒng)（BMS）市場產(chǎn)值成長逾10%，2013年至2015年成長幅度將大幅躍升至25-35%。現(xiàn)階段不論是整車廠、電池廠、還是相關(guān)車電零組件廠均投入電池管理系統(tǒng)（BMS）研發(fā)，以求掌握電動汽車產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，由于車廠是電池管理系統(tǒng)的使用者，車廠多偏好使用本身的軟件處理，并以專門的廠規(guī)控管，以維持操作彈性。電池管理系統(tǒng)（BMS）產(chǎn)業(yè)發(fā)展可能類似鋰離子電池，車廠為掌握關(guān)鍵技術(shù)，會與長期合作供貨商密切合作產(chǎn)品開發(fā)，對新進廠商切入難度高。因此，未來新進廠商欲切入車廠供應(yīng)鏈，除與相關(guān)供應(yīng)鏈強化合作關(guān)系外，針對需求打造客制化方法，才有機會搶得先機。


特斯拉的電池系統(tǒng)


電池系統(tǒng)是電動汽車的動力來源，是整個產(chǎn)業(yè)鏈中最核心的系統(tǒng)成分。以特斯拉ModelS為例，其電池系統(tǒng)（鋰離子電池+電池管理系統(tǒng)）成本占比為56%，而傳統(tǒng)的轎車發(fā)動機占比大約只有15%-25%。到了2016年，電池系統(tǒng)的成本占比有所下降，且成本結(jié)構(gòu)也有所變化，單體電池的成本占到了83%，電池管理系統(tǒng)的成本占比約為13%，剩余4%為電池冷卻系統(tǒng)。通過對特斯拉電池系統(tǒng)的構(gòu)成以及特斯拉配套充電設(shè)施進行詳盡的梳理，我們可以對特斯拉的電池產(chǎn)業(yè)鏈有一個直觀、深入的認(rèn)識，關(guān)于其它新能源汽車也可以起到觸類旁通的用途。目前電池系統(tǒng)的成本是制約特斯拉及其它新能源汽車發(fā)展最重要的因素之一，了解了電池系統(tǒng)就相當(dāng)于擁有了解開新能源汽車產(chǎn)業(yè)的鑰匙。


通過對特斯拉電池系統(tǒng)的構(gòu)成以及特斯拉配套充電設(shè)施進行詳盡的梳理，我們可以對特斯拉的電池產(chǎn)業(yè)鏈有一個直觀、深入的認(rèn)識，關(guān)于其它新能源汽車也可以起到觸類旁通的用途。目前電池系統(tǒng)的成本是制約特斯拉及其它新能源汽車發(fā)展最重要的因素之一，了解了電池系統(tǒng)就相當(dāng)于擁有了解開新能源汽車產(chǎn)業(yè)的鑰匙。


電動汽車要想具備實用性，就必須考量它一次充電后的續(xù)航性及其充電的便捷性，要了解這兩點就必須關(guān)注其電池的構(gòu)造以及充電設(shè)備的充電速度和設(shè)備分布。ModelS曾推出的搭配電池功率型號有40、60、70、75、85、90、100kWh，關(guān)于85kWh及以上型號，還有一些供應(yīng)更出色的動力性能的性能版可供選擇，比如perf版和Ludicrous版。不同的型號，每次充滿電所能最大行駛的距離和最大馬力不同。隨著技術(shù)的進步和為了更加迎合人們的需求，特斯拉陸續(xù)取消了一些ModelS電池型號，現(xiàn)今仍可以訂購的功率型號為75、90、100kWh。


ModelX則推出過60、70、75、90、100kWh的型號，現(xiàn)在可以訂購的只有70和100kWh的型號。據(jù)中關(guān)村在線的資訊顯示，特斯拉設(shè)計的Model3電動汽車基本版本的電池組功率約為60kWh。而根雷鋒網(wǎng)據(jù)Musk的Twitter及相關(guān)信息進行了推測，可能最高只有75kWh版本。這重要是由于Model3相比于ModelS和ModelX，車輪的軸距更小，同時Model3的定位也是作為入門款。根據(jù)ElonMusk七月九日的推特消息，第一輛Model3已于當(dāng)天下線，同時特斯拉將在七月二十八日為首批30名訂購Model3的消費者舉辦交付儀式。另外，Model3使用電池也不同于ModelS與ModelX。在特斯拉汽車日本公司2015年七月十五日舉辦的媒體說明會上，美國總公司的電池技術(shù)總監(jiān)KurtKelty公布了Model3將使用全新21700鋰離子電池的消息，其能量密度將比用于ModelS與ModelX的18650鋰離子電池高30%。


特斯拉電池及電池板的構(gòu)造


不同于其它電動汽車，特斯拉使用的電池并非專用的整塊大電池，而是將幾千個圓柱形小電池組裝起來。ModelS與ModelX目前使用的都是松下供應(yīng)的18650NCA特制電池，這種圓柱形電池橫截面直徑為18毫米，高65毫米。常規(guī)款的18650鋰離子電池被廣泛地使用于筆記本電腦的電芯中，其化學(xué)式構(gòu)成為LiNiCoAlO2。


采用單個電池的優(yōu)點在于單個的18650電池發(fā)生爆炸威力有限，即使并聯(lián)的一個電池單元出現(xiàn)故障，最多使續(xù)航距離縮短一塊電池單元所供應(yīng)的行駛距離。而且該款電池工藝成熟，適合大批量生產(chǎn)。同時電池一致性好、成本低。


而由于特斯拉電動汽車本身優(yōu)良的熱管理系統(tǒng)，松下為特斯拉特制的18650電池相比于常規(guī)款得以移除一些多余的安全設(shè)施，從而變得更輕更便宜。同時，特斯拉又在每個電芯上都安裝了保險絲，而不是通常地在整個電池組設(shè)置保險裝置。


由于動力系統(tǒng)采用的是小型單體電池，特斯拉的電池系統(tǒng)構(gòu)造就顯得異常復(fù)雜和精巧。以ModelS85kWh型號為例，電池板共分為16個電池組，如下圖所示的每一個矩形塊均為一個電池組，最右側(cè)堆疊了兩組。


電池組之間串聯(lián)連接，電壓共402伏。特斯拉的每個電池組又由6個單體電池包串聯(lián)而成，每個電池包由74節(jié)18650電池并聯(lián)而成。為了方便電池組內(nèi)的散熱管路的安放，單體電池包的采用不規(guī)則的布置。


因此，ModelS85kWh型號使用了多達7104節(jié)電池，按照3.6V的工作電壓和3.2Ah的電容量來計算的話，總電量約為82kWh，略低于車型說明的電量。這7000多節(jié)電池組成的電池組重量將近700公斤，占了整臺車重量近一半。類似地，100kWh型號電池板使用了共8256節(jié)單體電池，同樣分為16個電池組。


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