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动力锂电池管理系统优劣浅析

来源:【TRD拓尔德】 发布日期:2020-08-12 分享 加入收藏 关注:309

电池设计环节,厂商可以通过调整正极、负极和电解液的材料来达到不同的目的。不过,凡事都有取舍,完美锂电池并不存在。假如要强调安全性,那么就要牺牲能量密度,假如要获得重量方面的优势,那么就会导致更高的成本。总之,厂商要在能量密度、安全性、重量、电压水平、成本等方面做好平衡,一方面最大化自己选择的优势,另一方面又要优化电池系统的整体表现,提升属性取舍所造成的短板。


瑞银的拆解实验显示,特斯拉的电池管理系统是当今最成熟的系统。得益于深度学习和人工智能的充分应用,特斯拉的BMS可以不断获得实际驾驶的大数据,然后对算法进行自我强化,从而使特斯拉电池组的续航时间相对更长。续航里程是目前电动汽车渗透率提升所面对的重要问题,而特斯拉依靠领先的设计概念,在这一点上已显露出差异化的竞争优势。


特斯拉Model3的BMS具有以下五大物理特性:


1、4416颗低容量的小电池支撑起75千瓦时的系统。使用大量小电芯的好处是:更易保持电池系统的整体稳定性;可新增对未来设计及材料变化的适应性;可弥补材料的负面属性。下图为拆自Model3的电池包:


2、特斯拉自己研制的半导体和App是实现精确管理的关键要素。基于内部研发的技术,特斯拉可以对每一颗电芯进行温度管理。


特斯拉研制的两个芯片分别叫蝙蝠侠和罗宾汉,他们的具体功能依然是神秘的。但瑞银推测,只有38针的罗宾汉负责收集数据,而拥有64针的蝙蝠侠负责处理罗宾汉送过来的数据、监测电池的充电状态、管理电芯的平衡及统筹多系统的数据共享与合作。


3、采用两阶段法进行电芯平衡,这对串联很重要。假如没有电芯平衡技术,不同电芯的电量会出现较大的差异,在充电时,同一组电芯有的充满至100%,而有的可能只充了60%,这时候为防止继续充电而造成温度失控,就不得不停止充电,从而造成了容量的浪费。


而特斯拉一方面对大量的电芯进行筛选和分类,将质量相近的电芯捆绑在一起使用,另一方面采用了精确控制的电芯平衡技术,使得不同电芯组之间在并联时的电压差异只有2-3mV,相当于只有0.05-0.08%的偏差。通过这些努力,特斯拉的电池组不仅获得了更高的利用效率,还具备了相对较低的衰减速度。


再说说两阶段的电芯主动平衡技术。实际上,蝙蝠侠与罗宾汉的CP组合并不是只有一对,而是拥有多对。首先,在每个模组的基板上都会有他们的身影,从而在模组层面实现精确控制。然后在高电压控制面板上,蝙蝠侠与罗宾汉会再次发挥用途,使四个电池模组实现同步运作,进一步提高系统的稳定性。


4、NCA电池的弱点在于相对易燃性,但特斯拉通过使用不导热材料以及嵌入温度计的设计,降低了该弱点的影响。


5、特斯拉可以积累与BMS建设相关的所有数据,包括驾驶、充电、电池温度、电池容量变动等。稍微懂一点深度学习和人工智能的朋友应该了解,这一点是多么的重要。而且,电池是能力储存及释放的装置,会循序一定的化学反应及物理定律,这些数据之间的关联是可以被相关经验数据所验证的,因此特斯拉设计的BMS在未来仍具有很大的发展潜力。


五大特性带来了以下六大优势:


1、市面上的多数电动汽车,在使用的4至8年内,电池容量会下降至80%以下,但大多数特斯拉的产品仍能保持在90%以上。


特斯拉Model在行使10万公里后,电池容量下降至90%-95%,行使20-30万公里后,电池容量仍在90%以上。电池的容量虽然在衰减,但特斯拉的衰减率确实令人满意。相比之下,日产Leaf的电池表现就差多了。由于电池包的不成熟设计(没有液冷系统),Leaf电池的衰减速度是出了名的快。


2、特斯拉BMS的设计理念是允许出错的,因此具有很高的风险容忍度。系统事先已假定电芯会以一定的速率出现故障,所以会最大限度利用大数据来维护和管理大量的电芯,导致即使有一定程度的电芯出现故障,对整体系统的影响也会很小。由于使用了大量的小电芯,从统计上看,更容易减少不可控的范围。


特斯拉的车型比其他品牌的车型多出了10倍的电芯数量,同样损坏一定数量的电芯,特斯拉的系统不痛不痒,而其他厂商的系统可能就崩溃了。在传统的设计方法中,电芯的故障是“不可接受的”,因此他们会严格要求电池供应商的供货质量,希翼将故障率降至零。


3、基于BMS的设计框架,电池系统容量的新增可谓轻而易举。特斯拉系统可使用相同的电池来满足轿车、卡车、跑车、SUVs及其他类型汽车的需求,只需调整并联和串联的配置即可。


4、尽管NCA电池相对易燃,但依靠大数据的BMS可以防止金属沉积的形成以及温度的升高,从而使电芯容量的利用程度能够接近极限水平。


5、在采用固态电池的情景下,差异化的电芯平衡技术将显得更为重要。Model3具备的技术,例如自行设计的控制芯片及App、两阶段电芯平衡管理,以后将出现更为重要的用途。


6、特斯拉的精控App及硬件是自行研制的,而传统的汽车生产商大多将其外包给App及半导体企业,这使得特斯拉更加有能力应对未来市场的变化。


1、不断优化和升级。特斯拉的电芯无论在材料还是形状,都在追求更高的能量密度,辅以先进的电池管理系统来弥补电芯设计的短板。事实上,特斯拉BMS的调整每天都在进行,并通过远程管理进行升级。


2、人工智能算法的优势或将扩大。特斯拉将与AMAZON合建一座4.8MWh的储能系统,届时特斯拉将获得为CPUs、DRAMs、空调等电子元件供电的大数据。特斯拉已经拥有利用人工智能来管理大型数据中心的丰富相关经验,结合即将获得的更高量级的数据,特斯拉可以轻松获得有关新想法的算法,或是仅通过汽车行驶数据无法获得的先进技术。


3、电池利用效率仍有提升空间。随着特斯拉BMS精控管理能力的提升,有望通过降低安全裕度来实现电池组容量的提升。事实已证明,特斯拉有能力通过App的管理来控制汽车的可用容量。例如在去年九月的佛罗里达飓风来临时,特斯拉为车主提升了电容15千瓦时,可额外行驶48公里的里程。


上面说了许多特斯拉BMS的利害之处,但其弱点也是十分明显的。


1、电芯的安全性相对较差。特斯拉使用的NCA电芯更易燃,这是无法否认的。过去,ModelS和ModelX都发生过多起燃烧事故。事实证明,火势一旦蔓延到电池包,燃烧很容易就会加剧。因为电池里充满了液态的乙二醇,这是容易导热的材料。不过,在新款的Model3中,所有的电芯都用阻燃材料做了固定,相比过往的ModelS和ModelX而言,变得更难燃烧。


2、模组更换成本高。一般而言,在并联电路中,坏一些电芯并不会影响电池包的整体性能,但假如是模组损坏了,更换模组的成本会比Bolt更贵一些。因为Bolt有10个模组,而特斯拉只有4个模组。


3、有瞬间失控的风险。特斯拉拥有卓越的电力控制技术,能够将所有数据聚合,并优化整个系统的运作表现。但问题是,电力控制系统也是要电力供应的。一旦出现短暂的电力缺失,电力控制系统有可能不能及时激活,从而使安全保护和温度控制的功能失效。


4、网络安全风险。随着汽车通信网络的普及,恶意App和病毒所带来的风险也会新增。这些程序可能有机会重写电池管理系统的程序,通过停用功能、突然改变电池容量来导致电池变形或着火。


综合而言,特斯拉的BMS确实非常优秀。


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