鉅大LARGE | 點擊量：500次 | 2022年11月25日
TSLA電池管理系統的優勢之處在哪
自從ModelS上市以來，似乎已經被拆解無數遍了，這也從一個側面印證了特斯拉(Tesla)在電動汽車市場初期的標桿地位。
一、動力總成構成：
ModelS動力總成主要分為這幾部分：動力電池系統ESS、交流感應電機DriveUnit、車載充電機Charger、高壓配電盒HVJunctionBox、加熱器PTCheater、空調壓縮機A/Ccompressor和直流轉換器DCDC。
ModelS采用三相交流感應電機，并且將電機控制器、電機、以及傳動箱集成于一體。尤其是將電機控制器也封裝成圓柱形，與電機互相對應，看上去像是雙電機。從設計上來看集成度高、對稱美觀。中間的傳動箱采用了固定速比(9.73:1)方案。85KWh版本電機峰值功率270KW，扭矩440Nm。
充電系統支持三種充電方式：
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1.超級充電樁DC快充
超級充電樁可直接輸出120KW對ESS進行充電，一個小時以內能充滿。
2.高功率壁掛充電
在后排座椅下面有兩個車載充電器，一主一從。主充電器屬于默認開放使用，功率10KW，差不多8小時能充滿。slave充電器的硬件雖然已經安裝在車上了，但需要額外支付1.8萬才能激活，可使充電能力翻倍。這種硬件早已配置好，之后通過license收費的方式和IBM的服務器如出一轍。目前Tesla已經把這個策略用在了動力電池上，60版本上實際裝了70多度電，預留的那部分容量剛好避免滿充滿放，有助于延長電池壽命,因此入手低配版也是一個有性價比的選擇。
3.220V家用插座充電
充電功率3kw左右，充滿電大概30個小時。把充電器放在車上，即使到了完全沒有充電基礎設施的地方也能利用普通家用插頭充上電。
熱管理部分有意思的地方在于ModelS用一個四通轉換閥實現了冷卻系統的串并聯切換。其目的我分析主要是根據工況選擇最優熱管理方式。當電池在低溫狀態下需要加熱時，電機冷卻回路與電池冷卻回路串聯，從而使電機為電池加熱。當動力電池處于高溫時，電機冷卻回路與電池冷卻回路并聯，兩套冷卻系統獨立散熱。這樣的熱管理方式還是比較巧妙的。
二、電池PACK
先看一下未拆解前的電池包(PACK)，對外一共有3組接口。分別是低壓接口、高壓接口、冷卻接口，并且全部采用了快插式方案。說明Tesla在設計電池組系統的時候充分考慮了換電模式的技術要求，即便現在很少有換電的需求但這個基因始終保留了下來。高壓接插器中較粗的Pin一方面起到了定位的作用，同時也是接地點，較細的Pin用于實現高壓互鎖功能。
PACK前部頂面上設計了防水透氣閥，利用氣體分子與液體及灰塵顆粒的體積大小數量級差，讓氣體分子通過，而液體、灰塵無法通過，從而實現防水透氣的目的，避免水蒸氣在PACK內部凝結。
PACK上部用了非常多的固定螺絲，因此白色的絕緣墊通過膠粘在了PACK上，除了起到了絕緣防火的作用以外，還可以起到一定的防水的作用。PACK的上蓋是死死用膠粘住的，即使卸了所有螺絲依然無法打開。記得在14年的炎炎夏日里我們七八個人“生掰硬撬”一小時才得以破壞性的扒開。當時覺得Tesla在設計的時候一定是抱著破釜沉舟的考慮，根本沒打算之后的維修，所以PACK上自然也沒有手動維修開關，僅僅留了一個保險絲更換口。
Tesla下托盤以鋁合金型材作為主要承載框型骨架，骨架底部焊接整塊鋁板。拆解的是一款85KWH高配版，最右側多堆疊了兩個模塊(Module)。PACK兩側布置了大量防爆閥(共85個)。在拆解的過程中發現PACK里總是用零散的絕緣板將高壓器件隔開，而固定絕緣板的方式通常是膠水，像是用狗皮膏藥把PACK里面打滿了補丁，很難想象在這樣復雜工藝在量產過程中是如何進行的。猜測是在設計之初考慮的不充分導致了后續只能無奈的通過打補丁的方式進行了。
電池管理系統(BMS)在PACK內部幾乎是完露的，也許是為了減輕重量吧，但也帶來一定的風險。
Module之間的水冷系統采用的是并聯結構而不是互相串聯，其目的在于確保了流進每個Module的冷卻液有著相近的溫度。
Module之間的高壓電氣連接采用左右交錯的排布方式，而不是從PACK尾部到頂部，再從頂部回到尾部這種比較簡單的連接方式。猜測是為了防止形成大電流回環從而產生較強輻射干擾。
電流采樣僅僅采用了一個ISAscale工業級的Shunt，通過SPI總線與BMU進行通信。此前對標榮威E50上A123動力電池的解決方案，其采用了shunt和Hall雙備份的措施。畢竟電流值在ESS系統中是一個極其關鍵的參數。
三、電池Module
由于選用了NCA的電芯，在能量密度上Tesla可謂是遙遙領先，Pack的能量密度比很多車型的Cell都高出一截。下圖是高配和低配在module上的差異，低配module每并少了10顆cells，串聯數量都是6串，因此對于電池管理而言并沒有太大差異。從匯流板可以看出與Busbar相連的部分顏色明顯不同，此處是在表面進行了鍍鎳處理，防止氧化。
Module熱交換設計上由于Tesla選擇了18650電池必然導致了Coolantpipe必須設計得異常復雜，并且電池是用膠水牢牢固定于Module中，完全不具備維修和梯次利用的可能。而選用方形電池的I3和Volt更便于電芯和冷卻系統的集成。
Volt在每個電芯間設計了散熱曡層，使得熱交換面積更大效果更好，推測這種方案在未來可能成為主流。
四、電池管理系統BMS
BMS采用主從架構，主控制器(BMU)負責高壓、絕緣檢測、高壓互鎖、接觸器控制、對外部通信等功能。從控制器(BMB)負責單體電壓、溫度檢測，并上報BMU。
BMU具備主副雙MCU設計，副MCU可檢測主MCU工作狀態，一旦發現其失效可獲取控制權限。比較幽默的是BMU上居然有一個手動reset的按鈕，剛看到的時候簡直不敢相信這是汽車產品級ECU，更像是是個電腦主板。而且把過強電電流的預充電接觸器直接放在了BMU上也是一個大膽的設計。
下圖是Tesla、BMWi3、A123三家的模塊監控BMB的對比。具體參數如下：
傳說中Tesla檢測了7000多節的電池電壓，其實只是將74節電池并聯檢測一個點，傳說監控了每個單體的溫度，其實444節電池僅有兩個溫度探測點。傳說中能均衡住每一節電池，實際上均衡電流僅0.1A，對于230Ah的電池來說杯水車薪。尤其是在電壓監控冗余設計上，BMW(preh)采用了LT6801，A123采用IC8進行了硬件比較，一旦MCU失效或者通信異常時可以直接在硬件上觸發報警。相比之下Tesla設計得更簡單。尤其是采用了UART通信而不是CAN，更像是IT公司的解決方案。
五、單體電池Cell
從松下提供的Spec上看在0.5C充/1C放(100%DOD)的條件下500cycle后容量降至BOL狀態時的68%，衰減比較嚴重。
同樣是1C/1C充放150cycle的實驗，上圖I3和ModelS電池的比較。上面幾張循環壽命數據很好的說明了為什么ModelS突破性的在乘用車內裝進了85kwh這么巨大的電池。因為松下18650電池在1C左右的倍率下循環壽命很差。所以必須將通過高容量以降低同等工況下的倍率，保證更久的循環壽命;同時大容量的電池也確保了車輛在全生命周期里循環次數足夠少。按百公里電耗20KWH計算，20萬公里對于85KWH的PACK而言也不過只有470cycle。
隨著更多的電池企業針對汽車領域定制電池的標準化和批量化，18650電池所具備的低成本和高一致性的優勢將迅速消失，即使Tesla一度希望通過開放專利的方式拉攏技術路線站隊，但看似并不成功。開放專利噱頭和宣傳效果大于實際意義。
不過在那個電動汽車供應鏈還不成熟的年代，Tesla幾乎是憑著極佳的技術集成思路硬是在各種非汽車級選型中“湊”出了一輛跨時代意義的產品。所以硬要說Tesla在動力電池上比傳統車企做得好，倒不如說Tesla做了他們不敢做的事;傳統車企完善的供應鏈體系、長期積累的標準規范、龐大的市場占有量這幾個方面就推動電動汽車這件事上看反而成了包袱。Tesla可以毫無負擔放棄汽車供應鏈在工業級產品中選型，可以暫時將Autosar、ISO26262等放一放，可以不用像傳統車企一樣擔心在電動車技術走得太激進，導致出了起火事、失控等事故而影響傳統車型的銷量。但此后Tesla和傳統車企競爭優勢依然是這套歷史條件制約下的解決方案么?我想肯定不是。
一旦從工程師的立場去看產品，往往能揭穿企業想要營造出的完美。畢竟產品設計的過程必然是一個妥協和取舍的過程，而企業在產品營銷上往往試圖用”不妥協“、”不將就“之類的概念(比如國內的某些手機公司)，與設計的本質相違背。但當自己是一個消費者的時候，Tesla依然對我有著極強的吸引力，其吸引力的來源根本不在于運用了先進或是落后的技術;而是凌駕于技術堆疊和性能參數之上的產品氣質，這個氣質是眾多人想要而其他車型無法給予的感受，我想這是Tesla最成功的地方吧。
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