鉅大LARGE | 點擊量：715次 | 2018年12月12日
動力電池管理系統(tǒng)優(yōu)劣比拼
沒有完美，只有取舍
在電池設計環(huán)節(jié)，廠商可以通過調整正極、負極和電解液的材料來達到不同的目的。不過，凡事都有取舍，完美電池并不存在。如果要強調安全性，那么就要犧牲能量密度，如果要獲得重量方面的優(yōu)勢，那么就會導致更高的成本?？傊?，廠商需要在能量密度、安全性、重量、電壓水平、成本等方面做好平衡，一方面最大化自己選擇的優(yōu)勢，另一方面又要優(yōu)化電池系統(tǒng)的整體表現(xiàn)，提升屬性取舍所造成的短板。
剖析特斯拉的BMS
瑞銀的拆解實驗顯示，特斯拉的電池管理系統(tǒng)是當今最成熟的系統(tǒng)。得益于深度學習和人工智能的充分應用，特斯拉的BMS可以不斷獲得實際駕駛的大數(shù)據(jù)，然后對算法進行自我強化，從而使特斯拉電池組的續(xù)航時間相對更長。續(xù)航里程是目前電動汽車滲透率提升所面臨的主要問題，而特斯拉依靠領先的設計概念，在這一點上已顯露出差異化的競爭優(yōu)勢。
特斯拉Model3的BMS具有以下五大物理特性：
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1、4416顆低容量的小電池支撐起75千瓦時的系統(tǒng)。使用大量小電芯的好處是：更易保持電池系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性；可增加對未來設計及材料變化的適應性；可彌補材料的負面屬性。下圖為拆自Model3的電池包：
2、特斯拉自己研制的半導體和軟件是實現(xiàn)精確管理的關鍵要素?；趦炔垦邪l(fā)的技術，特斯拉可以對每一顆電芯進行溫度管理。
特斯拉研制的兩個芯片分別叫蝙蝠俠和羅賓漢，他們的具體功能依然是神秘的。但瑞銀推測，只有38針的羅賓漢負責收集數(shù)據(jù)，而擁有64針的蝙蝠俠負責處理羅賓漢送過來的數(shù)據(jù)、監(jiān)測電池的充電狀態(tài)、管理電芯的平衡及統(tǒng)籌多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享與合作。
3、采用兩階段法進行電芯平衡，這對串聯(lián)很重要。假如沒有電芯平衡技術，不同電芯的電量會出現(xiàn)較大的差異，在充電時，同一組電芯有的充滿至100%，而有的可能只充了60%，這時候為避免繼續(xù)充電而造成溫度失控，就不得不停止充電，從而造成了容量的浪費。
而特斯拉一方面對大量的電芯進行篩選和分類，將質量相近的電芯捆綁在一起使用，另一方面采用了精確控制的電芯平衡技術，使得不同電芯組之間在并聯(lián)時的電壓差異只有2-3mV，相當于只有0.05-0.08%的偏差。通過這些努力，特斯拉的電池組不僅獲得了更高的利用效率，還具備了相對較低的衰減速度。
再說說兩階段的電芯主動平衡技術。實際上，蝙蝠俠與羅賓漢的CP組合并不是只有一對，而是擁有多對。首先，在每個模組的基板上都會有他們的身影，從而在模組層面實現(xiàn)精確控制。然后在高電壓控制面板上，蝙蝠俠與羅賓漢會再次發(fā)揮作用，使四個電池模組實現(xiàn)同步運作，進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
4、NCA電池的弱點在于相對易燃性，但特斯拉通過使用不導熱材料以及嵌入溫度計的設計，降低了該弱點的影響。
5、特斯拉可以積累與BMS建設相關的所有數(shù)據(jù)，包括駕駛、充電、電池溫度、電池容量變動等。稍微懂一點深度學習和人工智能的朋友應該知道，這一點是多么的重要。而且，電池是能力儲存及釋放的裝置，會循序一定的化學反應及物理定律，這些數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)是可以被經(jīng)驗數(shù)據(jù)所驗證的，因此特斯拉設計的BMS在未來仍具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
五大特性帶來了以下六大優(yōu)勢：
1、市面上的多數(shù)電動汽車，在使用的4至8年內，電池容量會下降至80%以下，但大多數(shù)特斯拉的產品仍能保持在90%以上。
上圖是特斯拉ModelS用戶的電池使用數(shù)據(jù)圖，在行使10萬公里后，電池容量下降至90%-95%，行使20-30萬公里后，電池容量仍在90%以上。電池的容量雖然在衰減，但特斯拉的衰減率確實令人滿意。相比之下，日產Leaf的電池表現(xiàn)就差多了。由于電池包的不成熟設計（沒有液冷系統(tǒng)），Leaf電池的衰減速度是出了名的快。
2、特斯拉BMS的設計理念是允許出錯的，因此具有很高的風險容忍度。系統(tǒng)事先已假定電芯會以一定的速率出現(xiàn)故障，所以會最大限度利用大數(shù)據(jù)來維護和管理大量的電芯，導致即使有一定程度的電芯出現(xiàn)故障，對整體系統(tǒng)的影響也會很小。由于使用了大量的小電芯，從統(tǒng)計上看，更容易減少不可控的范圍。
特斯拉的車型比其他品牌的車型多出了10倍的電芯數(shù)量，同樣損壞一定數(shù)量的電芯，特斯拉的系統(tǒng)不痛不癢，而其他廠商的系統(tǒng)可能就崩潰了。在傳統(tǒng)的設計方法中，電芯的故障是“不可接受的”，因此他們會嚴格要求電池供應商的供貨質量，希望將故障率降至零。
3、基于BMS的設計框架，電池系統(tǒng)容量的增加可謂輕而易舉。特斯拉系統(tǒng)可使用相同的電池來滿足轎車、卡車、跑車、SUVs及其他類型汽車的需求，只需調整并聯(lián)和串聯(lián)的配置即可。
4、盡管NCA電池相對易燃，但依靠大數(shù)據(jù)的BMS可以防止金屬沉積的形成以及溫度的升高，從而使電芯容量的利用程度能夠接近極限水平。
5、在采用固態(tài)電池的情景下，差異化的電芯平衡技術將顯得更為重要。Model3具備的技術，例如自行設計的控制芯片及軟件、兩階段電芯平衡管理，以后將產生更為重要的作用。
6、特斯拉的精控軟件及硬件是自行研制的，而傳統(tǒng)的汽車生產商大多將其外包給軟件及半導體公司，這使得特斯拉更有能力應對未來市場的變化。
特斯拉的BMS可補償電芯設計的短板
1、不斷優(yōu)化和升級。特斯拉的電芯無論在材料還是形狀，都在追求更高的能量密度，輔以先進的電池管理系統(tǒng)來彌補電芯設計的短板。事實上，特斯拉BMS的調整每天都在進行，并通過遠程管理進行升級。
2、人工智能算法的優(yōu)勢或將擴大。特斯拉將與亞馬遜合建一座4.8MWh的儲能系統(tǒng)，屆時特斯拉將獲得為CPUs、DRAMs、空調等電子元件供電的大數(shù)據(jù)。特斯拉已經(jīng)擁有利用人工智能來管理大型數(shù)據(jù)中心的豐富經(jīng)驗，結合即將獲得的更高量級的數(shù)據(jù)，特斯拉可以輕松獲得關于新想法的算法，或是僅通過汽車行駛數(shù)據(jù)無法獲得的先進技術。
3、電池利用效率仍有提升空間。隨著特斯拉BMS精控管理能力的提升，有望通過降低安全裕度來實現(xiàn)電池組容量的提升。事實已證明，特斯拉有能力通過軟件的管理來控制汽車的可用容量。例如在去年9月的佛羅里達颶風來臨時，特斯拉為車主提升了電容15千瓦時，可額外行駛48公里的里程。
特斯拉電池包的弱點
上面說了許多特斯拉BMS的厲害之處，但其弱點也是十分明顯的。
1、電芯的安全性相對較差。特斯拉使用的NCA電芯更易燃，這是無法否認的。過去，ModelS和ModelX都發(fā)生過多起燃燒事故。事實證明，火勢一旦蔓延到電池包，燃燒很容易就會加劇。因為電池里充滿了液態(tài)的乙二醇，這是容易導熱的材料。不過，在新款的Model3中，所有的電芯都用阻燃材料做了固定，相比過往的ModelS和ModelX而言，變得更難燃燒。
2、模組更換成本高。一般而言，在并聯(lián)電路中，壞一些電芯并不會影響電池包的整體性能，但如果是模組損壞了，更換模組的成本會比Bolt更貴一些。因為Bolt有10個模組，而特斯拉只有4個模組。
3、有瞬間失控的風險。特斯拉擁有卓越的電力控制技術，能夠將所有數(shù)據(jù)聚合，并優(yōu)化整個系統(tǒng)的運作表現(xiàn)。但問題是，電力控制系統(tǒng)也是需要電力供應的。一旦出現(xiàn)短暫的電力缺失，電力控制系統(tǒng)有可能不能及時激活，從而使安全保護和溫度控制的功能失效。
4、網(wǎng)絡安全風險。隨著汽車通信網(wǎng)絡的普及，惡意軟件和病毒所帶來的風險也會增加。這些程序可能有機會重寫電池管理系統(tǒng)的程序，通過停用功能、突然改變電池容量來導致電池變形或著火。
雪佛蘭的Bolt又如何？
Bolt的BMS與特斯拉相比，有六個方面的差異值得注意：
1、特斯拉的芯片是自行設計的，而Bolt的芯片卻是外購的。例如，BoltBMS中監(jiān)控電壓及溫度的芯片是LG化學設計的，然后交由半導體制造商ST微電子生產。自行設計的產品可以有更好的適應性及更快速的調整能力。
2、Model3擁有18個BMSMCUs，而Bolt有25個。通過估算，Model3的BMSMCUs價值72美元一個，而Bolt使用的MCUs價值84美元一個，差別不大。不過不排除特斯拉的成本更高，因為專利費用沒有包含在估算模型內。
3、Model3的電芯平衡采用兩階段法，而Bolt只有一個階段。由于Bolt只有單階段的電芯平衡，如果增加電池容量，則容易會造成電芯平衡精確度的失衡，從而帶來更快的衰減速度。
4、特斯拉的BMS是分布式的，而Bolt的BMS是集中式的。特斯拉為了保險起見，安裝了兩個BMS的控制芯片，即使一個出現(xiàn)了故障，整個系統(tǒng)依然能夠正常運作。而集中式的BMS可能會有較低的抗風險能力。
綜合而言，特斯拉的BMS確實非常優(yōu)秀。
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