特斯拉电动汽车的核心技术之一就是电池管理系统。 特斯拉电动汽车选用松下的NCA系列18650型号镍钴铝酸锂电池串并能量包作为动力源,每台特斯拉 Model s使用约8000节。特斯拉坚持不使用大容量电池单元,是因为小容量的18650型号锂电池工艺成熟,成本低,安全性好,一旦电池单元出现热失控,不容易影响到周围的电池单元。但是将8000节的小电池单体组成电池组,将会大幅增加电池单体之间的不一致性,导致单体温度、电荷、电压出现不平衡现象,引起个别电池过充、过放并产生静电反应,从而降低电池组寿命以及安全性。这就是特斯拉的核心技术电池管理系统。特斯拉电动汽车用锂离子蓄电池如图1-39所示。
特斯拉电动汽车对这些电池采用了分层管理的设计,每69个单体电池并联成一个电池模块,9个电池模块又串联成一个电池方块,最后再串联成整块电池板。每个单体电池、电池模块和电池方块都有保险丝,每个层级都会有电流、电压和温度的监控,一旦电流过大立刻熔断。特拉斯电动汽车电池管理系统主要具有以下功能。
1.电荷平衡系统,有效排除18650故障单体：
每个锂电池单体都有一个电压上限和下限,电池在此范围内可正常工作,但一旦单体电压接近这一限值其化学性能将发生突变,必须立即停止放电或充电,否则电池将会受到不可逆的损坏,将会大幅增加电池的自放电率、产生静电反应进而引起爆炸。众多电池单体所组成的电池组大大增加了单体之间的不一致性,导致电池电压的安全范围各不相同,安全性大幅降低。为此特斯拉自主研发单体电荷平衡系统,可有效排除故障单体,保证整车安全性能。特斯拉电池组尾部安装有印制电路板,内置众多电源开关,每个电源开关一端连接某个18650电池单体,另一端连接一个中型的集电器(单体电荷监控器)。当电池组中某一电池因过充、过放、温度过高导致电量与其他电池不同时,集电器就会将能量在电池之间进行相互转移,防止其电压超过安全范围而产生异变。而当该电池真的产生异变时,电子集成器将控制电
路板上相对应的电源开关弹开,从而将此电池单体隔离,避免产生静电反应而引起爆炸。
2.电池温度管理系统,提升整车安全性能：
特斯拉高达60kW·h、85kW·h的电池组容量使其运行过程中会释放更多的热量,从而加大了电池组温度过高引起爆炸的概率,这是特斯拉电池管理系统解决的最为核心的问题之特斯拉所申请的核心知识产权大都与电池安全控制系统相关,包括电池冷却系统、安全系统、电荷平衡系统等。
电池温度管理系统又包括电池组温度检测系统和电池组液体冷凝系统。
电池组温度检测系统的主要任务是智能温度监测。电动汽车安全性能主要体现在对电池组温度以及电流的控制上,尤其对于大容量的电池组,当电池组过充、过放、碰撞以及运行过程中电池过度发热都会引发电池组温度过高而引发爆炸。特斯拉汽车电池组中的每一个单体电池都连接着一个热敏电阻以及一系列的光导纤维,同时将热敏电阻连接到电池监控器,将光导纤维连接到光敏感应器。当某个单体电池温度超过安全标准时,热敏电阻将产生一个电信号传达至电池监控器以便启动电池冷凝系统,保证电池安全性能。当电池发生热逃逸等现象时,将影响光导纤维中光束的传输,进而刺激光敏感应器发出相应信号进行热度调节。
而当汽车发生剧烈碰撞时,电池组与电机的能量传输路径将被立即阻断,电池组外保护层将保护电池组免受碰撞影响,从而避免发生剧烈爆炸。
电池组液体冷凝系统的主要任务是实时温度控制。特斯拉自主研发的机体液体冷凝系统为双模式冷却系统,其中第一层冷却回路专门为电池组降温,电池回路将电池组与冷却泵相连接,回路中充满了冷却剂,且延伸多个冷却管覆盖至每个单体电池。第一层冷却回路将控热系统、通风设备以及其他散热装置与电池组热量管理系统连接起来,从而保证每个单体电池温度低于其安全值以下,保证其散热性以及安全性能。第二层冷却回路包括第二冷却储液罐并与至少一个转动部件进行热交换,并
立于第一个冷却回路,保证电池组冷却系统的独立性。
如图1-40所示为特斯拉电池管理系统中的温度管理系统示意图。
如图1-40(a)所示是一层内部的热管理系统,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;如图1-40(b)所示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1-40(c)所示;为了防止冷却液在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1-40(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,其作用是将电池与散热管道间的接触形式从线接触转变为面接触,有利于提高单体电池间的温度均一性,有利于提高电池包的整体热容,从而降低整体平均温度。
