特斯拉电动汽车为什么厉害?看看它的电池系统就知道了

2018-05-16 15:56:08 来源:电子发烧友
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电池管理系统功能

准确估测动力电池组的荷电状态:

准确估测动力电池组的荷电状态 (State of Charge,即SOC),即电池剩余电量,保证SOC维持在合理的范围内,防止由于过充电或过放电对电池的损伤,从而随时预报混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。


动态监测动力电池组的工作状态:

在电池充放电过程中,实时采集电动汽车蓄(应该为动力电池组)电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压,防止电池发生过充电或过放电现象。同时能够及时给出电池状况,挑选出有问题的电池,保持整组电池运行的可靠性和高效性,使剩余电量估计模型的实现成为可能。除此以外,还要建立每块电池的使用历史档案,为进一步优化和开发新型电、充电器、电动机等提供资料,为离线分析系统故障提供依据。

 

单体电池间、电池组间的均衡:

即在单体电池、电池组间进行均衡,使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。电池均衡一般分为主动均衡、被动均衡。目前已投入市场的BMS,大多采用的是被动均衡。均衡技术是目前世界正在致力研究与开发的一项电池能量管理系统的关键技术。

 

电池管理系统发展现状

电动车未来将以锂电池为主要动力驱动来源,主因在于锂电池有高能量密度优势,所以性能较为稳定。然而锂电池大量生产时品质不易掌握,电池芯出厂时电量即存在些微差异,且随着操作环境、老化等因素,电池间不一致性将愈趋明显,电池效率、寿命也都将变差,再加上过充或过放等情况,严重时可能导致起火燃烧等安全问题。因此,透过电池管理系统(BMS)能准确量测电池组使用状况,保护电池不至于过度充放电,平衡电池组中每一颗电池的电量,以及分析计算电池组的电量并转换为驾驶可理解的续航力信息,确保动力电池可安全运作。

 

2012年全球电池管理系统(BMS)市场产值成长逾10%,2013年至2015年成长幅度将大幅跃升至25-35%。现阶段不论是整车厂、电池厂、还是相关车电零组件厂均投入电池管理系统(BMS)研发,以求掌握电动车产业的关键技术,由于车厂是电池管理系统的使用者,车厂多偏好使用本身的软件处理,并以专门的厂规控管,以维持操作弹性。电池管理系统(BMS)产业发展可能类似锂电池,车厂为掌握关键技术,会与长期合作供货商密切合作产品开发,对新进厂商切入难度高。因此,未来新进厂商欲切入车厂供应链,除与相关供应链强化合作关系外,针对需求打造客制化方案,才有机会抢得先机。

 

特斯拉的电池系统

电池系统是电动车的动力来源,是整个产业链中最核心的系统成分。以特斯拉ModelS为例,其电池系统(锂电池+电池管理系统)成本占比为56%,而传统的轿车发动机占比大约只有15%-25%。到了2016年,电池系统的成本占比有所下降,且成本结构也有所变化,单体电池的成本占到了83%,电池管理系统的成本占比约为13%,剩余4%为电池冷却系统。通过对特斯拉电池系统的构成以及特斯拉配套充电设施进行详尽的梳理,我们可以对特斯拉的电池产业链有一个直观、深入的认识,对于其它新能源汽车也可以起到触类旁通的作用。目前电池系统的成本是制约特斯拉及其它新能源汽车发展最主要的因素之一,了解了电池系统就相当于拥有了解开新能源汽车产业的钥匙。

 

 

通过对特斯拉电池系统的构成以及特斯拉配套充电设施进行详尽的梳理,我们可以对特斯拉的电池产业链有一个直观、深入的认识,对于其它新能源汽车也可以起到触类旁通的作用。目前电池系统的成本是制约特斯拉及其它新能源汽车发展最主要的因素之一,了解了电池系统就相当于拥有了解开新能源汽车产业的钥匙。

 

 

电动车要想具备实用性,就必须考量它一次充电后的续航性及其充电的便捷性,要了解这两点就必须关注其电池的构造以及充电设备的充电速度和设备分布。ModelS曾推出的搭配电池功率型号有40、60、70、75、85、90、100kWh,对于85kWh及以上型号,还有一些提供更出色的动力性能的性能版可供选择,比如Perf版和Ludicrous版。不同的型号,每次充满电所能最大行驶的距离和最大马力不同。随着技术的进步和为了更加迎合人们的需求,特斯拉陆续取消了一些ModelS电池型号,现今仍可以订购的功率型号为75、90、100kWh。

 

 

 

ModelX则推出过60、70、75、90、100kWh的型号,现在可以订购的只有70和100kWh的型号。据中关村在线的资讯显示,特斯拉设计的Model3电动车基本版本的电池组功率约为60kWh。而根雷锋网据Musk的Twitter及相关信息进行了推测,可能最高只有75kWh版本。这主要是由于Model3相比于ModelS和ModelX,车轮的轴距更小,同时Model3的定位也是作为入门款。根据ElonMusk7月9日的推特消息,第一辆Model3已于当天下线,同时特斯拉将在7月28日为首批30名订购Model3的消费者举行交付仪式。另外,Model3使用电池也不同于ModelS与ModelX。在特斯拉汽车日本公司2015年7月15日举行的媒体说明会上,美国总公司的电池技术总监KurtKelty公布了Model3将使用全新21700锂电池的消息,其能量密度将比用于ModelS与ModelX的18650锂电池高30%。

 

 

特斯拉电池及电池板的构造

不同于其它电动汽车,特斯拉使用的电池并非专用的整块大电池,而是将几千个圆柱形小电池组装起来。ModelS与ModelX目前使用的都是松下供应的18650NCA特制电池,这种圆柱形电池横截面直径为18毫米,高65毫米。常规款的18650锂电池被广泛地使用于笔记本电脑的电芯中,其化学式构成为LiNiCoAlO2。

 

 

 

 

采用单个电池的优点在于单个的18650电池发生爆炸威力有限,即使并联的一个电池单元出现故障,最多使续航距离缩短一块电池单元所提供的行驶距离。而且该款电池工艺成熟,适合大批量生产。同时电池一致性好、成本低。

 

而由于特斯拉电动车本身优良的热管理系统,松下为特斯拉特制的18650电池相比于常规款得以移除一些多余的安全设施,从而变得更轻更便宜。同时,特斯拉又在每个电芯上都安装了保险丝,而不是通常地在整个电池组设置保险装置。

 

由于动力系统采用的是小型单体电池,特斯拉的电池系统构造就显得异常复杂和精巧。以ModelS85kWh型号为例,电池板共分为16个电池组,如下图所示的每一个矩形块均为一个电池组,最右侧堆叠了两组。

 

电池组之间串联连接,电压共402伏。特斯拉的每个电池组又由6个单体电池包串联而成,每个电池包由74节18650电池并联而成。为了方便电池组内的散热管路的安放,单体电池包的采用不规则的布置。

 

因此,ModelS85kWh型号使用了多达7104节电池,按照3.6V的工作电压和3.2Ah的电容量来计算的话,总电量约为82kWh,略低于车型说明的电量。这7000多节电池组成的电池组重量将近700公斤,占了整台车重量近一半。类似地,100kWh型号电池板使用了共8256节单体电池,同样分为16个电池组。

 

 
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