揭秘为什么特斯拉的电池管理系统比其他电动汽车好？
摘要： 特斯拉公司的 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。电池管理系统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。 1. 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，最终造成冒烟、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。 2. 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)，最后串联堆叠 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。 图 1. Roadster 的电池热管理系统示意图 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 月的一份报告显示，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。 3. 其他电动汽车的热管理系统 3.1 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。 3.2 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。 图 2. Volt 的热管理系统 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。 … 继续阅读