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特斯拉電動汽車電池熱管理系統詳解

放大字體??縮小字體 發布日期:2016-06-13 19:18:09 ??來源:新能源汽車網??編輯:全球新能源汽車網??瀏覽次數:1298
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    Tesla目前推出了兩款電動汽車,Roadster和Model S,目前收集到的Roadster的資料較多,因此本文重點分析的是Roadster的電池管理系統。
    電池管理系統(Battery Management System, BMS)的主要任務是保證電池組工作在安全區間內,提供車輛控制所需的必需信息,在出現異常時及時響應處理,并根據環境溫度、電池狀態及車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監測、電池狀態估計、在線故障診斷、充電控制、自動均衡、熱管理等。本文將重點分析電池熱管理系統 (Battery Thermal Management System, BTMS)。


    熱管理系統的重要性
    電池的熱相關問題是決定其使用性能、安全性、壽命及使用成本的關鍵因素。
    首先,鋰離子電池的溫度水平直接影響其使用中的能量與功率性能。溫度較低時,電池的可用容量將迅速發生衰減,在過低溫度下(如低于0°C)對電池進行充電,則可能引發瞬間的電壓過充現象,造成內部析鋰并進而引發短路。其次,鋰離子電池的熱相關問題直接影響電池的安全性。生產制造環節的缺陷或使用過程中的不當操作等可能造成電池局部過熱,并進而引起連鎖放熱反應,最終造成冒煙、起火甚至爆炸等嚴重的熱失控事件,威脅到車輛駕乘人員的生命安全。另外,鋰離子電池的工作或存放溫度影響其使用壽命。電池的適宜溫度約在10~30°C之間,過高或過低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。動力電池的大型化使得其表面積與體積之比相對減小,電池內部熱量不易散出,更可能出現內部溫度不均、局部溫升過高等問題,從而進一步加速電池衰減,縮短電池壽命,增加用戶的總擁有成本。
    電池熱管理系統是應對電池的熱相關問題,保證動力電池使用性能、安全性和壽命的關鍵技術之一。熱管理系統的主要功能包括:1)在電池溫度較高時進行有效散熱,防止產生熱失控事故;2)在電池溫度較低時進行預熱,提升電池溫度,確保低溫下的充電、放電性能和安全性;3)減小電池組內的溫度差異,抑制局部熱區的形成,防止高溫位置處電池過快衰減,降低電池組整體壽命。
    一、Tesla Roadster的電池熱管理系統
    Tesla Motors公司的Roadster純電動汽車采用了液冷式電池熱管理系統。車載電池組由6831節18650型鋰離子電池組成,其中每69節并聯為一組(brick),再將9組串聯為一層(sheet),最后串聯堆疊11層構成。電池熱管理系統的冷卻液為50%水與50%乙二醇混合物。


    圖 1.(a)是一層(sheet)內部的熱管理系統。冷卻管道曲折布置在電池間,冷卻液在管道內部流動,帶走電池產生的熱量。圖 1.(b)是冷卻管道的結構示意圖。冷卻管道內部被分成四個孔道,如圖 1.(c)所示。
    為了防止冷卻液流動過程中溫度逐漸升高,使末端散熱能力不佳,熱管理系統采用了雙向流動的流場設計,冷卻管道的兩個端部既是進液口,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變為面接觸;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。
  

    通過上述熱管理系統,Roadster電池組內各單體電池的溫度差異控制在±2°C內。2013年6月的一份報告顯示,在行駛10萬英里后,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明顯相關,而與環境溫度、車齡關系不明顯。上述結果的取得依賴電池熱管理系統的有力支撐。
    二、其他電動汽車的熱管理系統
    1、日產LEAF的熱管理系統
    日產汽車公司的LEAF純電動汽車采用了少見的被動式電池組熱管理系統。電池組由192節33.1 Ah的層疊式鋰離子電池組成。4節單體電池采用兩并兩串的連接形式組成模塊,48個模塊串聯組成電池組。電池組采用密封設計,外界不通風,內部也無液冷或空冷的熱管理系統,但寒冷地區有加熱選件。LEAF所采用的鋰離子電池經過電極設計后降低了內部阻抗,減小了產熱率,同時薄層(單體厚度7.1 mm)結構使電池內部熱量不易產生積聚,因此可以不采用復雜的主動式熱管理系統。電池組的壽命保證期是8年或16萬公里。
    2、通用Volt的熱管理系統
    通用汽車公司的Volt插電式混合動力汽車使用了288節45 Ah的層疊式鋰離子電池。電池組的電氣連接可等效為96片單體串聯成組,3組并聯。熱管理系統采用了液冷式設計方案,以50%水與50%乙二醇混合物為冷卻介質。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流動帶走熱量。在低溫環境下,加熱線圈可以加熱冷卻液使電池升溫。
   

    Volt的電池組內的溫度差可控制在2°C以內,有力地支持了8年的電池組壽命保證期。
    三、Tesla Roadster相對于其他電動汽車在熱管理上的特點
    從上述分析可以看到,Tesla Roadster在熱管理系統上遠比其他電動汽車要復雜。Tesla的電池組是由6831節單體容量較小的18650電池組成的,要保證這么多電池的溫度差異不超過±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、獨到之處。但是,又有一個新問題出來了:既然LEAF和Volt采用大容量的層疊式鋰離子電池匹配較簡單的熱管理系統也能實現設計目標,為什么Tesla還要采用18650電池和復雜的電池管理系統?筆者認為有如下原因:
    a. 18650電池的優點:18650電池已經廣泛地應用在消費類電子產品中,生產廠商已經積累了大量的技術經驗用于控制成本,提高性能(特別是安全性、一致性等)。Tesla在選擇電池廠商時,特別選擇了那些積極投資于減少產品缺陷的企業。
    b. Tesla的相對優勢:在所有的電動汽車制造商中,Tesla是很神奇的一家。它既不是電池生產商,也不是傳統的汽車生產商,但它居然成功了。中國的比亞迪是從電池起家,轉而生產電動汽車;日本的日產是傳統的汽車廠商,后來與NEC合作開發電池,進入電動汽車市場。Tesla的技術優勢在哪里?我認為電池管理系統絕對是其中很重要的一個部分。在Tesla的技術團隊中,偏向電子、電工方向的工程師應該是占多數的,因此開發電池管理系統難度遠低于開發電池(偏向材料、化學)或者底盤(偏向機械)等。
    在Tesla技術總監J B Straubel訪談中,他對“Tesla一直會綁定在18650電池上嗎?Tesla會不會選用別的什么電池?”這個問題的回答是:“相信我,在不久的將來我們會看到18650是最有說服力的。我真的不知道為什么18650會引起那么多爭議,沒有人會在乎你油箱的形狀和大小,但是在電動車上用什么形狀和大小放入電化學能量卻引起這么多的爭議。人們應該真正討論的是里面放了什么樣的化學物質,這些物質的性質決定了成本和性能。目前我們的電池實際上是深度定制的,我們和松下一起做了大量的客戶定制工作。我們做的是汽車級的電池,按照汽車級的標準嚴酷測試,絕對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格水平。我們認為對于電動車,你的產品有一些關鍵的安全和性能指標這是必須的,但是最重要的是你產品能量存儲的成本效率。如果有公司覺得自己的電池架構更劃算,我們隨時洗耳恭聽。但是目前為止我們還沒有發現一家公司能證明比我們的電池架構更具成本效益?!?br />    J B Straubel對Tesla的長期合作伙伴戴姆勒和豐田的態度是:“豐田對我們在提升生產經營和供應商質量問題上非常有幫助。在大型制造企業里面他們是世界界上最好的公司。他們建立了一門科學追蹤生產缺陷,在很多地方幫到了我們。我們從戴姆勒學到的關鍵知識是產品的驗證和測試,他們帶來了很多在這些領域的高強度的嚴謹性。他們要做的真的是極高質量的產品,戴姆勒的產品和豐田在產量價格上都是不同的。因此對我們制造電動車而言,能從這兩家混合吸收經驗真是一件很酷的事情。合作是互相促進的,他們渴望傾聽和了解我們是如何創新,編軟件和解決問題的。我得說我們在編軟件和電子工程方面領先了他們不止一點點?!?/p>

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關鍵詞: 特斯拉 管理系統 詳解


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