特斯拉电动汽车电池热管理系统详解

    Tesla目前推出了两款电动汽车，Roadster和Model S，目前收集到的Roadster的资料较多，因此本文重点分析的是Roadster的电池管理系统。
    电池管理系统（Battery Management System， BMS）的主要任务是保证电池组工作在安全区间内，提供车辆控制所需的必需信息，在出现异常时及时响应处理，并根据环境温度、电池状态及车辆需求等决定电池的充放电功率等。BMS的主要功能有电池参数监测、电池状态估计、在线故障诊断、充电控制、自动均衡、热管理等。本文将重点分析电池热管理系统 （Battery Thermal Management System， BTMS）。

    热管理系统的重要性
    电池的热相关问题是决定其使用性能、安全性、寿命及使用成本的关键因素。
    首先，锂离子电池的温度水平直接影响其使用中的能量与功率性能。温度较低时，电池的可用容量将迅速发生衰减，在过低温度下（如低于0°C）对电池进行充电，则可能引发瞬间的电压过充现象，造成内部析锂并进而引发短路。其次，锂离子电池的热相关问题直接影响电池的安全性。生产制造环节的缺陷或使用过程中的不当操作等可能造成电池局部过热，并进而引起连锁放热反应，终造成冒烟、起火甚至爆炸等严重的热失控事件，威胁到车辆驾乘人员的生命安全。另外，锂离子电池的工作或存放温度影响其使用寿命。电池的适宜温度约在10~30°C之间，过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减。动力电池的大型化使得其表面积与体积之比相对减小，电池内部热量不易散出，更可能出现内部温度不均、局部温升过高等问题，从而进一步加速电池衰减，缩短电池寿命，增加用户的总拥有成本。
    电池热管理系统是应对电池的热相关问题，保证动力电池使用性能、安全性和寿命的关键技术之一。热管理系统的主要功能包括：1）在电池温度较高时进行有效散热，防止产生热失控事故；2）在电池温度较低时进行预热，提升电池温度，确保低温下的充电、放电性能和安全性；3）减小电池组内的温度差异，抑制局部热区的形成，防止高温位置处电池过快衰减，降低电池组整体寿命。
    一、Tesla Roadster的电池热管理系统
    Tesla Motors公司的Roadster纯电动汽车采用了液冷式电池热管理系统。车载电池组由6831节18650型锂离子电池组成，其中每69节并联为一组（brick），再将9组串联为一层（sheet），串联堆叠11层构成。电池热管理系统的冷却液为50%水与50%乙二醇混合物。

    图 1.（a）是一层（sheet）内部的热管理系统。冷却管道曲折布置在电池间，冷却液在管道内部流动，带走电池产生的热量。图 1.（b）是冷却管道的结构示意图。冷却管道内部被分成四个孔道，如图 1.（c）所示。
    为了防止冷却液流动过程中温度逐渐升高，使末端散热能力不佳，热管理系统采用了双向流动的流场设计，冷却管道的两个端部既是进液口，也是出液口，如图 1（d）所示。电池之间及电池和管道间填充电绝缘但导热性能良好的材料（如Stycast 2850/ct），作用是：1）将电池与散热管道间的接触形式从线接触转变为面接触；2）有利于提高单体电池间的温度均一度；3）有利于提高电池包的整体热容，从而降低整体平均温度。
  

    通过上述热管理系统，Roadster电池组内各单体电池的温度差异控制在±2°C内。2013年6月的一份显示，在行驶10万英里后，Roadster电池组的容量仍能维持在初始容量的80%~85%，而且容量衰减只与行驶里程数明显相关，而与环境温度、车龄关系不明显。上述结果的取得依赖电池热管理系统的有力支撑。
    二、其他电动汽车的热管理系统
    1、日产LEAF的热管理系统
    日产汽车公司的LEAF纯电动汽车采用了少见的被动式电池组热管理系统。电池组由192节33.1 Ah的层叠式锂离子电池组成。4节单体电池采用两并两串的连接形式组成模块，48个模块串联组成电池组。电池组采用密封设计，外界不通风，内部也无液冷或空冷的热管理系统，但寒冷地区有加热选件。LEAF所采用的锂离子电池经过电极设计后降低了内部阻抗，减小了产热率，同时薄层（单体厚度7.1 mm）结构使电池内部热量不易产生积聚，因此可以不采用复杂的主动式热管理系统。电池组的寿命保证期是8年或16万公里。
    2、通用Volt的热管理系统
    通用汽车公司的Volt插电式混合动力汽车使用了288节45 Ah的层叠式锂离子电池。电池组的电气连接可等效为96片单体串联成组，3组并联。热管理系统采用了液冷式设计方案，以50%水与50%乙二醇混合物为冷却介质。单体电池间间隔布置了金属散热片（厚度为1 mm），散热片上刻有流道槽。冷却液可在流道槽内流动带走热量。在低温环境下，加热线圈可以加热冷却液使电池升温。
   

    Volt的电池组内的温度差可控制在2°C以内，有力地支持了8年的电池组寿命保证期。
    三、Tesla Roadster相对于其他电动汽车在热管理上的特点
    从上述分析可以看到，Tesla Roadster在热管理系统上远比其他电动汽车要复杂。Tesla的电池组是由6831节单体容量较小的18650电池组成的，要保证这么多电池的温度差异不超过±2°C是一件非常困难的事情，但是Tesla做到了，这也凸显出Tesla在电池管理上的先进、独到之处。但是，又有一个新问题出来了：既然LEAF和Volt采用大容量的层叠式锂离子电池匹配较简单的热管理系统也能实现设计目标，为什么Tesla还要采用18650电池和复杂的电池管理系统？笔者认为有如下原因：
    a. 18650电池的优点：18650电池已经广泛地应用在消费类电子产品中，生产厂商已经积累了大量的技术经验用于控制成本，提高性能（特别是安全性、一致性等）。Tesla在选择电池厂商时，特别选择了那些积极投资于减少产品缺陷的企业。
    b. Tesla的相对优势：在所有的电动汽车制造商中，Tesla是很神奇的一家。它既不是电池生产商，也不是传统的汽车生产商，但它居然成功了。中国的比亚迪是从电池起家，转而生产电动汽车；日本的日产是传统的汽车厂商，后来与NEC合作开发电池，进入电动汽车市场。Tesla的技术优势在哪里？我认为电池管理系统是其中很重要的一个部分。在Tesla的技术团队中，偏向电子、电工方向的工程师应该是占多数的，因此开发电池管理系统难度远低于开发电池（偏向材料、化学）或者底盘（偏向机械）等。
    在Tesla技术总监J B Straubel访谈中，他对“Tesla一直会绑定在18650电池上吗？Tesla会不会选用别的什么电池？”这个问题的回答是：“相信我，在不久的将来我们会看到18650是有说服力的。我真的不知道为什么18650会引起那么多争议，没有人会在乎你油箱的形状和大小，但是在电动车上用什么形状和大小放入电化学能量却引起这么多的争议。人们应该真正讨论的是里面放了什么样的化学物质，这些物质的性质决定了成本和性能。目前我们的电池实际上是深度定制的，我们和松下一起做了大量的客户定制工作。我们做的是汽车级的电池，按照汽车级的标准严酷测试，不可能在任何笔记本上找到这种电池。我们之所以使用18650这样形状和大小的电池主要是出于生产和成本效率方面的考虑，任何一种大电池都满足不了我们需要的价格水平。我们认为对于电动车，你的产品有一些关键的安全和性能指标这是必须的，但是重要的是你产品能量存储的成本效率。如果有公司觉得自己的电池架构更划算，我们随时洗耳恭听。但是目前为止我们还没有发现一家公司能证明比我们的电池架构更具成本效益。”
    J B Straubel对Tesla的长期合作伙伴戴姆勒和丰田的态度是：“丰田对我们在提升生产经营和供应商质量问题上非常有帮助。在大型制造企业里面他们是世界界上的公司。他们建立了一门科学追踪生产缺陷，在很多地方帮到了我们。我们从戴姆勒学到的关键知识是产品的验证和测试，他们带来了很多在这些领域的高强度的严谨性。他们要做的真的是极高质量的产品，戴姆勒的产品和丰田在产量价格上都是不同的。因此对我们制造电动车而言，能从这两家混合吸收经验真是一件很酷的事情。合作是互相促进的，他们渴望倾听和了解我们是如何创新，编软件和解决问题的。我得说我们在编软件和电子工程方面了他们不止一点点。”