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特斯拉电池管理系统深度剖析

来源:网络     发布时间:2017-08-31
特斯拉宣布了 2017 年上半年的交付目标,为 4.7-5.0 万台 Model S 和Model X,较去年同期提升61%-71%,而下半年的产量目标要取决于 Model 3 投产的具体情况。

  1.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Model S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。

报告|特斯拉电池管理系统深度剖析

  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。

  Model S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Model S电池型号,现今仍可以订购的功率型号为75、90、100kWh。

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  而Model X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Model 3电动车基本版本的电池组功率约为60 kWh。而根据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Model 3相比于Model S和Model X,车轮的轴距更小,同时Model 3的定位也是作为入门款。根据Elon Musk7月9日的推特消息,第一辆Model 3已于当天下线,同时特斯拉将在7月28日为首批30名订购Model 3的消费者举行交付仪式。

  另外,Model 3使用电池也不同于Model S与Model X。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Kurt Kelty公布了Model 3将使用全新21700锂电池的消息,其能量密度将比用于Model S与Model X的18650锂电池高30%。

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  2.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。

  Model S与Model X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。

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  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Model S 85kWh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,Model S 85kWh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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  为了保护电池组,特斯拉在电池组前部顶面上设计了防水透气阀,利用气体分子与液体及灰尘颗粒的体积大小数量级之差,让气体分子通过,而液体、灰尘无法通过,从而实现防水透气的目的,避免水蒸气在电池组内部凝结。

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  Model S电池板的放臵位臵正好使它成为车轴之间的底板,这个设计带来了许多好处。由于电池板是全车重量最大的一部分(Model S 85 kWh型号电池组重544千克),使得Model S的重心高度只有18英寸,因此拥有了一个较大的横向加速度(0.9g)以及良好的防侧翻性。

  同时为了保护位于底部的电池板,特斯拉还在电池板下部增加了一层由铝合金(或者钢、玻璃纤维、碳纤维、塑料等,目前Model S适用的是铝合金)材料构成的保护结构,将电池模块包裹起来,并保持一定的缓冲距离,并将其取名为防弹铠甲(Ballistic Shield)。

  3.电池管理系统

  电池管理系统(Battery Management System,简称BMS)是对电池组进行安全监控及有效管理、提高蓄电池使用效率的装臵。主要功能包括数据采集、电池状态计算、能量管理、热管理、安全管理、均衡控制和通信功能等。通过该系统对电池组充放电和放热的有效控制,可达到增加续航里程、延长使用寿命、降低运行成本的目的,并保证电池组应用的安全和可靠性。

  特斯拉的BMS能够提供精确的电池健康状态预估技术、电池平衡管理技术、电池残电量管理技术、电池热管理技术、诊断与预警技术。即使是同样电池容量的电动汽车,由于BMS的不同,其续航里程、充电时间、启动加速时间和电池寿命将大不相同。

  特斯拉通过其强大的BMS系统,可以有效实现超过7000节18650号电池的一致性管理,达到高安全性和可靠性目标。此外,在电池冷却、安全、电荷平衡等与BMS相关的领域,特斯拉申请的核心专利超过140项,因此BMS技术是特斯拉的核心竞争力之一。

  特斯拉电池组的每一组都有其独立的电池管理系统,位于电池组侧面,即上图绿色部分。其中的感应器和芯片,随时监控每粒电池的温度变化,遇到意外情况,能以毫秒级别时间关闭电池。

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  4.电池冷却系统

  电池板内除了电池组外,最多的就是“冷却液”管路。每一辆特斯拉都有一套专门的液体循环温度管理系统围绕着每一节单体电池。

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  “冷却液”呈绿色,由50%的水和50%的乙二醇混合而成。“冷却液”不断地在管道中流动,最终会在车辆头部的热交换器散发出去,从而保持电池温度的均衡,防止电池局部温度过高导致电池性能下降。特斯拉的电池热管理系统可将电池组之间的温度控制在±2℃,控制好电池板的温度可有效延长电池的使用寿命。

  5.配套充电设施

  特斯拉的充电方式主要分为家庭充电、目的地充电和超级充电站三种方式。

  家庭充电是特斯拉最主要的充电方式。特斯拉汽车可以直接通过220V 10A/16A家用插座进行充电。国内普通家庭用电多为220V 40A电表,但插座多为10A或16A。通过TESLA随车带的充电线配和相应插头连接并选择10A或16A的充电电流, 无需单装电表以及任何设备改造即可充电,但充电速度慢,每小时大约可充8公里的续航。

  由于国内大部分小区采用的是220V单相供电的形式,最高电流能达到40A。通过将每辆Model S和Model X随车附赠的家用充电桩,在自己的停车位处安装后即可以40A的充电电流进行充电。这样一来, 充电速度可以远快于国内大多数电动车16A的充电电流所提供的充电速度。

  此外,还可以选择安装特斯拉专用充电墙(High Power Wall Connector)。单独申请80A电表或增容现有电表,通过安装TESLA专用充电墙并安装第二充电器(在车内,需购车时选配)实现快速充电。每小时充电可达17.6kWh,可行驶80-100公里,从无电到满电需5-6小时。

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  目的地充电是为了方便出行而设置的充电方式。特斯拉在包括部分餐厅、饭店、购物中心和度假村等地合作安装有目的地充电站点,车主也可以在抵达这些地方后进行充电。目的地充电站点的充电桩同家庭充电中所安装的充电桩或充电墙是完全相同的。收费标准也由安装的企业决定。特斯拉官网显示,其目前在国内30个省(含直辖市及自治区)有654个充电站点。

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  除了以上两种充电方式以外,特斯拉还有一种直流快充方式——超级充电。特斯拉号称其超级充电站是目前世界上最快的充电站,充电一般仅需几十分钟。充电站的选址通常位于餐厅、购物中心、WiFi热点等附近,可以在停车休息的时候充电。这是开车长途旅行的首选。

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  根据特斯拉官网数据,目前已建立遍布全球的861座超级充电站,共计5655个超级充电桩。而根据特斯拉中国官方6月发表的微博,至今已在中国建设117个超级充电站,554个超级充电桩。同时2017年,特斯拉全球充电网络规模将扩大一倍;在中国的充电网络的扩建也将紧随全球的扩张速度。

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  一部分的特斯拉超级充电站还利用太阳能板来提供一部分充电的电能,同时还有遮阳的效果。每个充电桩的造价大概在10万美元到17.5万美元之间,其中多半的资金将用在地基的重塑上。

  此前,Elon Musk又在Twitter上透露,特斯拉将会对Supercharger进行升级,输出功率很有可能将会超过350kW,这无疑会进一步极大地加快充电速度,减少充电时间。

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  超级充电桩所使用的充电枪也是一个技术极度密集的部件。当特斯拉在超级充电桩充电时,充电枪里的感应器会时刻检测车内电池的温度变化。一旦电池温度过高,充电枪就立即发出信号,减低充电强度,使电池温度降低;同时,电池板内的冷却系统,也同步做出相应的反应,使冷却力度同步加强。这个自动调节充电强度的过程是电枪、电池冷却系统、充电桩的电流,一起高度协同工作。

  除特斯拉之外市面还有其他品牌电动车它们也有自己充电桩,国家电网、南方电网等电力公司也修建了一些公共充电桩。特斯拉在2016年11月的广州车展上,正式发布了新国标充电配适器。自此,特斯拉电动车不仅能在特斯拉的充电网络中充电,也可以使用符合中国新国标的充电设施进行充电。

  将配适器的一头插在符合新国标标准的非特斯拉充电桩插头上,一头插在特斯拉车上,即可进行充电。不过目前有些充电桩还必须办理相应的充电卡才能充电,充电速度也参差不齐。

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  7.电池充电管理技术

  特斯拉电动车充电的快捷性得益于其快速充电技术。通过可变电流和三段式充电方法,合理分配充电电流,以最高的充电效率快速充电。如今手机的快速充电所采用的技术也类似于此。

  对于锂电池来讲,深放电机会越小寿命越长,反之,频繁地深放电(将电池电量用到20%以下)将导致电池寿命降低。特斯拉电池在其特有的工艺下,在50-0%循环模式(使用电池不超过50%的电量),电池总寿命延长一倍。而在深度循环模式下,900个循环后,容量衰减至50%。所以从保护电池寿命的角度来讲,可以尽量将每次行程控制在80%最大续航之内,避免用电超80%后再充电,但可定期深放电以激活电池。

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投资建议

  特斯拉的横空出世开启了世界新能源汽车的潮流,随着消费者的认同感越来越高,整个汽车工业正在逐渐被颠覆。作为未来几年的投资主线之一,与特斯拉产业链处于共同领域的国内相关企业都是不错的标的。

  电池系统可以关注7月10在投资者互动平台上披露动力电池散热系统用铝材通过特斯拉一级供应商已应用于特斯拉车辆的常铝股份。

  风险提示

  下游需求不达预期,后续技术研究进展不及预期。

责任编辑:覃琬芸
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