特斯拉的電池系統(tǒng)

 

電池系統(tǒng)是電動車的動力來源，是整個產業(yè)鏈中最核心的系統(tǒng)成分。以特斯拉ModelS為例，其電池系統(tǒng)（鋰電池+電池管理系統(tǒng)）成本占比為56%，而傳統(tǒng)的轎車發(fā)動機占比大約只有15%-25%。到了2016年，電池系統(tǒng)的成本占比有所下降，且成本結構也有所變化，單體電池的成本占到了83%，電池管理系統(tǒng)的成本占比約為13%，剩余4%為電池冷卻系統(tǒng)。

 

通過對特斯拉電池系統(tǒng)的構成以及特斯拉配套充電設施進行詳盡的梳理，我們可以對特斯拉的電池產業(yè)鏈有一個直觀、深入的認識，對于其它新能源汽車也可以起到觸類旁通的作用。目前電池系統(tǒng)的成本是制約特斯拉及其它新能源汽車發(fā)展最主要的因素之一，了解了電池系統(tǒng)就相當于擁有了解開新能源汽車產業(yè)的鑰匙。

 

 

電動車要想具備實用性，就必須考量它一次充電后的續(xù)航性及其充電的便捷性，要了解這兩點就必須關注其電池的構造以及充電設備的充電速度和設備分布。

 

ModelS曾推出的搭配電池功率型號有40、60、70、75、85、90、100kWh，對于85kWh及以上型號，還有一些提供更出色的動力性能的性能版可供選擇，比如Perf版和Ludicrous版。不同的型號，每次充滿電所能最大行駛的距離和最大馬力不同。隨著技術的進步和為了更加迎合人們的需求，特斯拉陸續(xù)取消了一些ModelS電池型號，現(xiàn)今仍可以訂購的功率型號為75、90、100kWh。

 

 

而ModelX則推出過60、70、75、90、100kWh的型號，現(xiàn)在可以訂購的只有70和100kWh的型號。

 

據中關村在線的資訊顯示，特斯拉設計的Model3電動車基本版本的電池組功率約為60kWh。而根雷鋒網據Musk的Twitter及相關信息進行了推測，可能最高只有75kWh版本。

 

這主要是由于Model3相比于ModelS和ModelX，車輪的軸距更小，同時Model3的定位也是作為入門款。根據ElonMusk7月9日的推特消息，第一輛Model3已于當天下線，同時特斯拉將在7月28日為首批30名訂購Model3的消費者舉行交付儀式。

 

另外，Model3使用電池也不同于ModelS與ModelX。在特斯拉汽車日本公司2015年7月15日舉行的媒體說明會上，美國總公司的電池技術總監(jiān)KurtKelty公布了Model3將使用全新21700鋰電池的消息，其能量密度將比用于ModelS與ModelX的18650鋰電池高30%。

 

 

電池及電池板的構造

 

不同于其它電動汽車，特斯拉使用的電池并非專用的整塊大電池，而是將幾千個圓柱形小電池組裝起來。

 

ModelS與ModelX目前使用的都是松下供應的18650NCA特制電池，這種圓柱形電池橫截面直徑為18毫米，高65毫米。常規(guī)款的18650鋰電池被廣泛地使用于筆記本電腦的電芯中，其化學式構成為LiNiCoAlO2。

 

 

采用單個電池的優(yōu)點在于單個的18650電池發(fā)生爆炸威力有限，即使并聯(lián)的一個電池單元出現(xiàn)故障，最多使續(xù)航距離縮短一塊電池單元所提供的行駛距離。而且該款電池工藝成熟，適合大批量生產。同時電池一致性好、成本低。

 

而由于特斯拉電動車本身優(yōu)良的熱管理系統(tǒng)，松下為特斯拉特制的18650電池相比于常規(guī)款得以移除一些多余的安全設施，從而變得更輕更便宜。同時，特斯拉又在每個電芯上都安裝了保險絲，而不是通常地在整個電池組設置保險裝置。

 

由于動力系統(tǒng)采用的是小型單體電池，特斯拉的電池系統(tǒng)構造就顯得異常復雜和精巧。以ModelS85kWh型號為例，電池板共分為16個電池組，如下圖所示的每一個矩形塊均為一個電池組，最右側堆疊了兩組。

 

電池組之間串聯(lián)連接，電壓共402伏。特斯拉的每個電池組又由6個單體電池包串聯(lián)而成，每個電池包由74節(jié)18650電池并聯(lián)而成。為了方便電池組內的散熱管路的安放，單體電池包的采用不規(guī)則的布置。

 

因此，ModelS85kWh型號使用了多達7104節(jié)電池，按照3.6V的工作電壓和3.2Ah的電容量來計算的話，總電量約為82kWh，略低于車型說明的電量。這7000多節(jié)電池組成的電池組重量將近700公斤，占了整臺車重量近一半。類似地，100kWh型號電池板使用了共8256節(jié)單體電池，同樣分為16個電池組。

 

 

為了保護電池組，特斯拉在電池組前部頂面上設計了防水透氣閥，利用氣體分子與液體及灰塵顆粒的體積大小數量級之差，讓氣體分子通過，而液體、灰塵無法通過，從而實現(xiàn)防水透氣的目的，避免水蒸氣在電池組內部凝結。

 

 

ModelS電池板的放臵位臵正好使它成為車軸之間的底板，這個設計帶來了許多好處。由于電池板是全車重量最大的一部分（ModelS85kWh型號電池組重544千克），使得ModelS的重心高度只有18英寸，因此擁有了一個較大的橫向加速度（0.9g）以及良好的防側翻性。

 

同時為了保護位于底部的電池板，特斯拉還在電池板下部增加了一層由鋁合金（或者鋼、玻璃纖維、碳纖維、塑料等，目前ModelS采用的是鋁合金）材料構成的保護結構，將電池模塊包裹起來，并保持一定的緩沖距離，并將其取名為防彈鎧甲（BallisticShield）。

 

電池管理系統(tǒng)

 

電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，簡稱BMS）是對電池組進行安全監(jiān)控及有效管理、提高蓄電池使用效率的裝臵。主要功能包括數據采集、電池狀態(tài)計算、能量管理、熱管理、安全管理、均衡控制和通信功能等。通過該系統(tǒng)對電池組充放電和放熱的有效控制，可達到增加續(xù)航里程、延長使用壽命、降低運行成本的目的，并保證電池組應用的安全和可靠性。

 

特斯拉的BMS能夠提供精確的電池健康狀態(tài)預估技術、電池平衡管理技術、電池殘電量管理技術、電池熱管理技術、診斷與預警技術。即使是同樣電池容量的電動汽車，由于BMS的不同，其續(xù)航里程、充電時間、啟動加速時間和電池壽命將大不相同。

 

特斯拉通過其強大的BMS系統(tǒng)，可以有效實現(xiàn)超過7000節(jié)18650號電池的一致性管理，達到高安全性和可靠性目標。此外，在電池冷卻、安全、電荷平衡等與BMS相關的領域，特斯拉申請的核心專利超過140項，因此BMS技術是特斯拉的核心競爭力之一。

 

特斯拉電池組的每一組都有其獨立的電池管理系統(tǒng)，位于電池組側面，即上圖綠色部分。其中的感應器和芯片，隨時監(jiān)控每粒電池的溫度變化，遇到意外情況，能以毫秒級別時間關閉電池。

 

 

電池冷卻系統(tǒng)

 

電池板內除了電池組外，最多的就是“冷卻液”管路。每一輛特斯拉都有一套專門的液體循環(huán)溫度管理系統(tǒng)圍繞著每一節(jié)單體電池。

 

“冷卻液”呈綠色，由50%的水和50%的乙二醇混合而成。“冷卻液”不斷地在管道中流動，最終會在車輛頭部的熱交換器散發(fā)出去，從而保持電池溫度的均衡，防止電池局部溫度過高導致電池性能下降。特斯拉的電池熱管理系統(tǒng)可將電池組之間的溫度控制在±2℃，控制好電池板的溫度可有效延長電池的使用壽命。

 

配套充電設施

 

特斯拉的充電方式主要分為家庭充電、目的地充電和超級充電站三種方式。

 

家庭充電是特斯拉最主要的充電方式。特斯拉汽車可以直接通過220V10A/16A家用插座進行充電。國內普通家庭用電多為220V40A電表，但插座多為10A或16A。通過TESLA隨車帶的充電線配和相應插頭連接并選擇10A或16A的充電電流，無需單裝電表以及任何設備改造即可充電，但充電速度慢，每小時大約可充8公里的續(xù)航。

 

由于國內大部分小區(qū)采用的是220V單相供電的形式，最高電流能達到40A。通過將每輛ModelS和ModelX隨車附贈的家用充電樁，在自己的停車位處安裝后即可以40A的充電電流進行充電。這樣一來，充電速度可以遠快于國內大多數電動車16A的充電電流所提供的充電速度。

 

此外，還可以選擇安裝特斯拉專用充電墻（HighPowerWallConnector）。單獨申請80A電表或增容現(xiàn)有電表，通過安裝TESLA專用充電墻并安裝第二充電器（在車內，需購車時選配）實現(xiàn)快速充電。每小時充電可達17.6kWh，可行駛80-100公里，從無電到滿電需5-6小時。

 

目的地充電是為了方便出行而設置的充電方式。特斯拉在包括部分餐廳、飯店、購物中心和度假村等地合作安裝有目的地充電站點，車主也可以在抵達這些地方后進行充電。目的地充電站點的充電樁同家庭充電中所安裝的充電樁或充電墻是完全相同的。收費標準也由安裝的企業(yè)決定。特斯拉官網顯示，其目前在國內30個?。ê陛犑屑白灾螀^(qū)）有654個充電站點。

 

除了以上兩種充電方式以外，特斯拉還有一種直流快充方式——超級充電。特斯拉號稱其超級充電站是目前世界上最快的充電站，充電一般僅需幾十分鐘。充電站的選址通常位于餐廳、購物中心、WiFi熱點等附近，可以在停車休息的時候充電。這是開車長途旅行的首選。

 

 

根據特斯拉官網數據，目前已建立遍布全球的861座超級充電站，共計5655個超級充電樁。而根據特斯拉中國官方6月發(fā)表的微博，至今已在中國建成117個超級充電站，554個超級充電樁。同時2017年，特斯拉全球充電網絡規(guī)模將擴大一倍；在中國的充電網絡的擴建也將緊隨全球的擴張速度。

 

 

一部分的特斯拉超級充電站還利用太陽能板來提供一部分充電的電能，同時還有遮陽的效果。每個充電樁的造價大概在10萬美元到17.5萬美元之間，其中多半的資金將用在地基的重塑上。

 

此前，ElonMusk又在Twitter上透露，特斯拉將會對Superger進行升級，輸出功率很有可能將會超過350kW，這無疑會進一步極大地加快充電速度，減少充電時間。

 

 

超級充電樁所使用的充電槍也是一個技術極度密集的部件。當特斯拉在超級充電樁充電時，充電槍里的感應器會時刻檢測車內電池的溫度變化。一旦電池溫度過高，充電槍就立即發(fā)出信號，減低充電強度，使電池溫度降低；同時，電池板內的冷卻系統(tǒng)，也同步做出相應的反應，使冷卻力度同步加強。這個自動調節(jié)充電強度的過程是電槍、電池冷卻系統(tǒng)、充電樁的電流，一起高度協(xié)同工作。

 

除特斯拉之外市面還有其他品牌電動車它們也有自己充電樁，國家電網、南方電網等電力公司也修建了一些公共充電樁。特斯拉在2016年11月的廣州車展上，正式發(fā)布了新國標充電配適器。自此，特斯拉電動車不僅能在特斯拉的充電網絡中充電，也可以使用符合中國新國標的充電設施進行充電。

 

將配適器的一頭插在符合新國標標準的非特斯拉充電樁插頭上，一頭插在特斯拉車上，即可進行充電。不過目前有些充電樁還必須辦理相應的充電卡才能充電，充電速度也參差不齊。

 

 

電池充電管理技術

 

特斯拉電動車充電的快捷性得益于其快速充電技術。通過可變電流和三段式充電方法，合理分配充電電流，以最高的充電效率快速充電。如今手機的快速充電所采用的技術也類似于此。

 

對于鋰電池來講，深放電機會越小壽命越長，反之，頻繁地深放電（將電池電量用到20%以下）將導致電池壽命降低。特斯拉電池在其特有的工藝下，在50-0%循環(huán)模式（使用電池不超過50%的電量），電池總壽命延長一倍。而在深度循環(huán)模式下，900個循環(huán)后，容量衰減至50%。所以從保護電池壽命的角度來講，可以盡量將每次行程控制在80%最大續(xù)航之內，避免用電超80%后再充電，但可定期深放電以激活電池。