Tesla Motors 的電池管理系統 (BMS) 相比其他電動汽車有哪些優勢？

01-01

自從Model S上市以來視乎已經被大家拆解無數遍了，這也從一個側面印證了Tesla在電動汽車市場初期的標杆地位。

一、動力總成構成

Model S動力總成主要分以下幾部分：

動力電池系統ESS
交流感應電機Drive Unit
車載充電機Charger
高壓配電盒 HV Junction Box
加熱器 PTC heater
空調壓縮機 A/C compressor
直流轉換器DCDC

Model S採用三相交流感應電機，並且將電機控制器、電機、以及傳動箱集成與一體。尤其是將電機控制器也封裝成圓柱形，與電機互相對應，看上去像是雙電機。從設計上來看集成度高、對稱美觀。中間的傳動箱採用了固定速比（9.73:1）方案。85KWh版本電機峰值功率270KW，扭矩440Nm。

充電系統支持三種充電方式：

1.超級充電樁DC快充

超級充電樁可直接輸出120KW對ESS進行充電，一個小時以內能充滿。

2.高功率壁掛充電

在後排座椅下面有兩個車載充電器，一主一從。主充電器屬於默認開放使用，功率10KW，差不多8小時能充滿。slave充電器的硬體雖然已經安裝在車上了，但需要額外支付1.8萬才能激活，可使充電能力翻倍。這種硬體早已配置好，之後通過license收費的方式和IBM的伺服器如出一轍。目前Tesla已經把這個策略用在了動力電池上，60版本上實際裝了70多度電，預留的那部分容量剛好避免滿充滿放，有助於延長電池壽命,因此入手低配版也是一個有性價比的選擇。

3.220V家用插座充電

充電功率3kw左右，充滿電大概30個小時。把充電器放在車上，即使到了完全沒有充電基礎設施的地方也能利用普通家用插頭充上電。

熱管理部分有意思的地方在於Model S用一個四通轉換閥實現了冷卻系統的串並聯切換。其目的我分析主要是根據工況選擇最優熱管理方式。當電池在低溫狀態下需要加熱時，電機冷卻迴路與電池冷卻迴路串聯，從而使電機為電池加熱。當動力電池處於高溫時，電機冷卻迴路與電池冷卻迴路並聯，兩套冷卻系統獨立散熱。這樣的熱管理方式還是比較巧妙的。

二、電池PACK

先看一下未拆解前的PACK，對外一共有3組介面。分別是低壓介面、高壓介面、冷卻介面，並且全部採用了快插式方案。說明Tesla在設計電池組系統的時候充分考慮了換電模式的技術要求，即便現在很少有換電的需求但這個基因始終保留了下來。高壓接插器中較粗的Pin一方面起到了定位的作用，同時也是接地點，較細的Pin用於實現高壓互鎖功能。

PACK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差，讓氣體分子通過，而液體、灰塵無法通過，從而實現防水透氣的目的，避免水蒸氣在PACK內部凝結。

PACK上部用了非常多的固定螺絲，因此白色的絕緣墊通過膠粘在了Pack上，除了起到了絕緣防火的作用以外，還可以起到一定的防水的作用。PACK的上蓋是死死用膠粘住的，即使卸了所有螺絲依然無法打開。記得在14年的炎炎夏日裡我們七八個人「生掰硬撬」一小時才得以破壞性的扒開。當時覺得Tesla在設計的時候一定是抱著破釜沉舟的考慮，根本沒打算之後的維修，所以PACK上自然也沒有手動維修開關，僅僅留了一個保險絲更換口。

Tesla下托盤以鋁合金型材作為主要承載框型骨架，骨架底部焊接整塊鋁板。拆解的是一款85KWH高配版，最右側多堆疊了兩個Module。PACK兩側布置了大量防爆閥（共85個）。在拆解的過程中發現PACK里總是用零散的絕緣板將高壓器件隔開，而固定絕緣板的方式通常是膠水，像是用狗皮膏藥把PACK裡面打滿了補丁，很難想像在這樣複雜工藝在量產過程中是如何進行的。猜測是在設計之初考慮的不充分導致了後續只能無奈的通過打補丁的方式進行了。

BMS在PACK內部幾乎是完全裸露的，也許是為了減輕重量吧，但也帶來一定的風險。

Module之間的水冷系統採用的是並聯結構而不是互相串聯，其目的在於確保了流進每個Module的冷卻液有著相近的溫度。

Module之間的高壓電氣連接採用左右交錯的排布方式，而不是從PACK尾部到頂部，再從頂部回到尾部這種比較簡單的連接方式。猜測是為了防止形成大電流迴環從而產生較強輻射干擾。

電流採樣僅僅採用了一個ISAscale工業級的Shunt，通過SPI匯流排與BMU進行通信。此前對標榮威E50上A123動力電池的解決方案，其採用了shunt和Hall雙備份的措施。畢竟電流值在ESS系統中是一個極其關鍵的參數。

三、電池Module

由於選用了NCA的電芯，在能量密度上Tesla可謂是遙遙領先，Pack的能量密度比很多車型的Cell都高出一截。下圖是高配和低配在module上的差異，低配module每並少了10顆cells，串聯數量都是6串，因此對於電池管理而言並沒有太大差異。從匯流板可以看出與Busbar相連的部分顏色明顯不同，此處是在表面進行了鍍鎳處理，防止氧化。

Module熱交換設計上由於Tesla選擇了18650電池必然導致了Coolant pipe必須設計得異常複雜，並且電池是用膠水牢牢固定於Module中，完全不具備維修和梯次利用的可能。而選用方形電池的I3和Volt更便於電芯和冷卻系統的集成。

Volt在每個電芯間設計了散熱曡層，使得熱交換面積更大效果更好，推測這種方案在未來可能成為主流。

四、電池管理系統BMS

BMS採用主從架構，主控制器（BMU）負責高壓、絕緣檢測、高壓互鎖、接觸器控制、對外部通信等功能。從控制器（BMB）負責單體電壓、溫度檢測，並上報BMU。

BMU具備主副雙MCU設計，副MCU可檢測主MCU工作狀態，一旦發現其失效可獲取控制許可權。比較幽默的是BMU上居然有一個手動reset的按鈕，剛看到的時候簡直不敢相信這是汽車產品級ECU，更像是是個電腦主板。而且把過強電電流的預充電接觸器直接放在了BMU上也是一個大膽的設計。

下圖是Tesla、BMW i3、A123三家的模塊監控BMB的對比。具體參數如下：

傳說中Tesla檢測了7000多節的電池電壓，其實只是將74節電池並聯檢測一個點，傳說監控了每個單體的溫度，其實444節電池僅有兩個溫度探測點。傳說中能均衡住每一節電池，實際上均衡電流僅0.1A，對於230Ah的電池來說杯水車薪。尤其是在電壓監控冗餘設計上，BMW(preh)採用了LT6801，A123採用IC8進行了硬體比較，一旦MCU失效或者通信異常時可以直接在硬體上觸發報警。相比之下Tesla設計得更簡單。尤其是採用了UART通信而不是CAN，更像是IT公司的解決方案。

五、單體電池Cell

從松下提供的Spec上看在0.5C充/1C放（100%DOD）的條件下500cycle後容量降至BOL狀態時的68%，衰減比較嚴重。

同樣是1C/1C充放150cycle的實驗，上圖I3和Model S電池的比較。上面幾張循環壽命數據很好的說明了為什麼Model S突破性的在乘用車內裝進了85kwh這麼巨大的電池。因為松下18650電池在1C左右的倍率下循環壽命很差。所以必須將通過高容量以降低同等工況下的倍率，保證更久的循環壽命；同時大容量的電池也確保了車輛在全生命周期里循環次數足夠少。按百公里電耗20KWH計算，20萬公里對於85KWH的PACK而言也不過只有470cycle。

隨著更多的電池企業針對汽車領域定製電池的標準化和批量化，18650電池所具備的低成本和高一致性的優勢將迅速消失，即使Tesla一度希望通過開放專利的方式拉攏技術路線站隊，但看似並不成功。開放專利噱頭和宣傳效果大於實際意義。

不過在那個電動汽車供應鏈還不成熟的年代，Tesla幾乎是憑著極佳的技術集成思路硬是在各種非汽車級選型中「湊」出了一輛跨時代意義的產品。所以硬要說Tesla在動力電池上比傳統車企做得好，倒不如說Tesla做了他們不敢做的事；傳統車企完善的供應鏈體系、長期積累的標準規範、龐大的市場佔有量這幾個方面就推動電動汽車這件事上看反而成了包袱。Tesla可以毫無負擔放棄汽車供應鏈在工業級產品中選型，可以暫時將Autosar、ISO26262等放一放，可以不用像傳統車企一樣擔心在電動車技術走得太激進，導致出了起火事、失控等事故而影響傳統車型的銷量。但此後Tesla和傳統車企競爭優勢依然是這套歷史條件制約下的解決方案么？我想肯定不是。那Tesla的核心競爭力應該是什麼呢？至於什麼是他的核心競爭力我在之前的一個問題里有回答。

為什麼說特斯拉的核心優勢是電池管理軟體演算法？ - 葉磊Ray 的回答PS：一旦從工程師的立場去看產品，往往能揭穿企業想要營造出的完美。畢竟產品設計的過程必然是一個妥協和取捨的過程，而企業在產品營銷上往往試圖用」不妥協「」不將就「之類的概念（比如國內的某些手機公司），與設計的本質相違背。但當自己是一個消費者的時候，Tesla依然對我有著極強的吸引力，其吸引力的來源根本不在於運用了先進或是落後的技術；而是凌駕於技術堆疊和性能參數之上的產品氣質，這個氣質是眾多人想要而其他車型無法給予的感受，我想這是Tesla最成功的地方吧。

&<說明&>

1. Tesla目前推出了兩款電動汽車，Roadster和Model S，目前我收集到的Roadster的資料較多，因此本回答重點分析的是Roadster的電池管理系統。

2. 電池管理系統（Battery Management System, BMS）的主要任務是保證電池組工作在安全區間內，提供車輛控制所需的必需信息，在出現異常時及時響應處理，並根據環境溫度、電池狀態及車輛需求等決定電池的充放電功率等。BMS的主要功能有電池參數監測、電池狀態估計、在線故障診斷、充電控制、自動均衡、熱管理等。我的主要研究方向是電池的熱管理系統，因此本回答分析的是電池熱管理系統 (Battery Thermal Management System, BTMS).

3. 本回答的主要內容來自參考文獻[5].

&<正文&>

1. 熱管理系統的重要性

電池的熱相關問題是決定其使用性能、安全性、壽命及使用成本的關鍵因素。首先，鋰離子電池的溫度水平直接影響其使用中的能量與功率性能。溫度較低時，電池的可用容量將迅速發生衰減，在過低溫度下（如低於0°C）對電池進行充電，則可能引發瞬間的電壓過充現象，造成內部析鋰並進而引發短路。其次，鋰離子電池的熱相關問題直接影響電池的安全性。生產製造環節的缺陷或使用過程中的不當操作等可能造成電池局部過熱，並進而引起連鎖放熱反應，最終造成冒煙、起火甚至爆炸等嚴重的熱失控事件，威脅到車輛駕乘人員的生命安全。另外，鋰離子電池的工作或存放溫度影響其使用壽命。電池的適宜溫度約在10~30°C之間，過高或過低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。動力電池的大型化使得其表面積與體積之比相對減小，電池內部熱量不易散出，更可能出現內部溫度不均、局部溫升過高等問題，從而進一步加速電池衰減，縮短電池壽命，增加用戶的總擁有成本。

電池熱管理系統是應對電池的熱相關問題，保證動力電池使用性能、安全性和壽命的關鍵技術之一。熱管理系統的主要功能包括：1）在電池溫度較高時進行有效散熱，防止產生熱失控事故；2）在電池溫度較低時進行預熱，提升電池溫度，確保低溫下的充電、放電性能和安全性；3）減小電池組內的溫度差異，抑制局部熱區的形成，防止高溫位置處電池過快衰減，降低電池組整體壽命。

2. Tesla Roadster的電池熱管理系統

Tesla Motors公司的Roadster純電動汽車採用了液冷式電池熱管理系統。車載電池組由6831節18650型鋰離子電池組成，其中每69節並聯為一組（brick），再將9組串聯為一層（sheet），最後串聯堆疊11層構成。電池熱管理系統的冷卻液為50%水與50%乙二醇混合物。

圖
1.(a)是一層（sheet）內部的熱管理系統。冷卻管道曲折布置在電池間，冷卻液在管道內部流動，帶走電池產生的熱量。圖
1.(b)是冷卻管道的結構示意圖。冷卻管道內部被分成四個孔道，如圖
1.(c)所示。為了防止冷卻液流動過程中溫度逐漸升高，使末端散熱能力不佳，熱管理系統採用了雙向流動的流場設計，冷卻管道的兩個端部既是進液口，也是出液口，如圖
1(d)所示。電池之間及電池和管道間填充電絕緣但導熱性能良好的材料（如Stycast 2850/ct），作用是：1)將電池與散熱管道間的接觸形式從線接觸轉變為面接觸；2)有利於提高單體電池間的溫度均一度；3)有利於提高電池包的整體熱容，從而降低整體平均溫度。

圖1. Roadster的電池熱管理系統示意圖

通過上述熱管理系統，Roadster電池組內各單體電池的溫度差異控制在±2°C內。2013年6月的一份報告顯示，在行駛10萬英里後，Roadster電池組的容量仍能維持在初始容量的80%~85%，而且容量衰減只與行駛里程數明顯相關，而與環境溫度、車齡關係不明顯。上述結果的取得依賴電池熱管理系統的有力支撐。

3. 其他電動汽車的熱管理系統

3.1 日產LEAF的熱管理系統

日產汽車公司的LEAF純電動汽車採用了少見的被動式電池組熱管理系統。電池組由192節33.1 Ah的層疊式鋰離子電池組成。4節單體電池採用兩並兩串的連接形式組成模塊，48個模塊串聯組成電池組。電池組採用密封設計，外界不通風，內部也無液冷或空冷的熱管理系統，但寒冷地區有加熱選件。LEAF所採用的鋰離子電池經過電極設計後降低了內部阻抗，減小了產熱率，同時薄層（單體厚度7.1
mm）結構使電池內部熱量不易產生積聚，因此可以不採用複雜的主動式熱管理系統。電池組的壽命保證期是8年或16萬公里。

3.2 通用Volt的熱管理系統

通用汽車公司的Volt插電式混合動力汽車使用了288節45 Ah的層疊式鋰離子電池。電池組的電氣連接可等效為96片單體串聯成組，3組並聯。熱管理系統採用了液冷式設計方案，以50%水與50%乙二醇混合物為冷卻介質。單體電池間間隔布置了金屬散熱片（厚度為1 mm），散熱片上刻有流道槽。冷卻液可在流道槽內流動帶走熱量。在低溫環境下，加熱線圈可以加熱冷卻液使電池升溫。

圖2. Volt的熱管理系統

Volt的電池組內的溫度差可控制在2°C以內，有力地支持了8年的電池組壽命保證期。

4. Tesla Roadster相對於其他電動汽車在熱管理上的特點

從上述分析可以看到，Tesla Roadster在熱管理系統上遠比其他電動汽車要複雜。Tesla的電池組是由6831節單體容量較小的18650電池組成的，要保證這麼多電池的溫度差異不超過±2°C是一件非常困難的事情，但是Tesla做到了，這也凸顯出Tesla在電池管理上的先進、獨到之處。

但是，又有一個新問題出來了：既然LEAF和Volt採用大容量的層疊式鋰離子電池匹配較簡單的熱管理系統也能實現設計目標，為什麼Tesla還要採用18650電池和複雜的電池管理系統？

我認為有如下原因：

a. 18650電池的優點：18650電池已經廣泛地應用在消費類電子產品中，生產廠商已經積累了大量的技術經驗用於控制成本，提高性能（特別是安全性、一致性等）。Tesla在選擇電池廠商時，特別選擇了那些積極投資於減少產品缺陷的企業。

b. Tesla的相對優勢：在所有的電動汽車製造商中，Tesla是很神奇的一家。它既不是電池生產商，也不是傳統的汽車生產商，但它居然成功了。中國的比亞迪是從電池起家，轉而生產電動汽車；日本的日產是傳統的汽車廠商，後來與NEC合作開發電池，進入電動汽車市場。Tesla的技術優勢在哪裡？我認為電池管理系統絕對是其中很重要的一個部分。在Tesla的技術團隊中，偏向電子、電工方向的工程師應該是占多數的，因此開發電池管理系統難度遠低於開發電池（偏向材料、化學）或者底盤（偏向機械）等。

在Tesla技術總監J B Straubel訪談中，他對「Tesla一直會綁定在18650電池上嗎？你們會不會選用別的什麼電池？」這個問題的回答是

相信我，在不久的將來我們會看到18650是最有說服力的。我真的不知道為什麼18650會引起那麼多爭議，沒有人會在乎你油箱的形狀和大小，但是在電動車上用什麼形狀和大小放入電化學能量卻引起這麼多的爭議。人們應該真正討論的是裡面放了什麼樣的化學物質,這些物質的性質決定了成本和性能。
目前我們的電池實際上是深度定製的，我們和松下一起做了大量的客戶定製工作。我們做的是汽車級的電池，按照汽車級的標準嚴酷測試，絕對不可能在任何筆記本上找到這種電池。我們之所以使用18650這樣形狀和大小的電池主要是出於生產和成本效率方面的考慮，任何一種大電池都滿足不了我們需要的價格水平。

我們認為對於電動車，你的產品有一些關鍵的安全和性能指標這是必須的，但是最重要的是你產品能量存儲的成本效率。如果有公司覺得自己的電池架構更划算，我們隨時洗耳恭聽。但是目前為止我們還沒有發現一家公司能證明比我們的電池架構更具成本效益。

他對Tesla的長期合作夥伴戴姆勒和豐田的態度是

豐田對我們在提升生產經營和供應商質量問題上非常有幫助。在大型製造企業裡面他們是世界界上最好的公司。他們建立了一門科學追蹤生產缺陷，在很多地方幫到了我們。
我們從戴姆勒學到的關鍵知識是產品的驗證和測試，他們帶來了很多在這些領域的高強度的嚴謹性。他們要做的真的是極高質量的產品，戴姆勒的產品和豐田在產量價格上都是不同的。

因此對我們製造電動車而言，能從這兩家混合吸收經驗真是一件很酷的事情。合作是互相促進的，他們渴望傾聽和了解我們是如何創新,編軟體和解決問題的。我得說我們在編軟體和電子工程方面領先了他們不止一點點。

&<參考文獻&>

1. Adams D, Berdichevsky E, Colson T, et al. Battery pack
thermal management system: USA, US2009/0023056 A1 [P]. 2009-01-22.

2. Saxon T. Plug In America』s Tesla Roadster Battery
Study [EB/OL]. [2013-12-25]. http://www.pluginamerica.org/surveys/batteries/tesla-roadster/PIA-Roadster-Battery-Study.pdf.

3. Parrish R, Elankumaran K, Gandhi M, et al. Voltec
battery design and manufacturing [R]. 2011-01-1360, SAE International, 2011.

4. Ikezoe M, Hirata N, Amemiya C, et al. Development of High Capacity Lithium-Ion Battery for NISSAN LEA [R]. 2012-01-0664, SAE International, 2012.

5. 張劍波, 吳彬, 李哲. 車用動力鋰離子電池熱模擬與熱設計的研髮狀況與展望 [J]. 集成技術, 2014 (1): 18-26.

吳彬的答案很詳細，本不想再回答，但發現很多人都認為先進的電池管理系統就是確保電池萬無一失，而就電動車而言只關注電池安全是沒有意義的，特斯拉電池管理系統較其它電動車的優勢在於，性能與成本的良好平衡，安全性的優勢在於不是杜絕了著火爆炸，而是大大提高了發生意外時，對乘客的保護！這就好比大禹治水，疏堵結合才是科學的管理辦法，高能量密度的物質是不可能在極端情況下安然無恙的，管理的精髓在於平衡，在於控制。核潛艇比快艇更安全不在於核能量比汽油更安全，而是動力管理系統更先進！

呵呵。我覺得特斯拉用18650電池的主要原因是他當時攤子太小，根本沒電芯廠家為他做定製化開發。

要知道，越少的電芯BMS的控制邏輯才更簡單，沒有做控制的人願意為顯示自己多牛逼把它做得巨複雜。特斯拉市場的暫時成功不代表其技術路線選擇的正確。

至於說圓柱電池的能量密度比方形電池要高，我就呵呵了，是只考慮單體電芯的能量密度而不考慮整組電池的能量密度嗎？

特斯拉Model S多次起火，證明所謂的BMS優勢不過是個笑話。豪車的使用環境是所有汽車裡最優越的，在這種優越環境下，出現熱失控，只能證明BMS的失敗。

當然，特斯拉的BMS無疑是現在市面上電動汽車中最複雜的，而且可能是效率最高、性能最好的。但7000節18650，讓這些效率和性能都變成了層出不窮的隱患。

消費者當然不會關心汽油箱的形狀，但是廠商要關心。18650雖然成熟，但人類的工藝水準決定了堆個數的電池包的複雜性必然隨著電池數量的增加而增加，直到無法解決為止。

看了半天只有內行才會謙遜外行個個都得瑟的沒完

18650為何物您可了解鐵鋰電池為何物您可知道

鋰電最大的問題就是多電池的協調具體的檢測控制都是高難度

電池的性能一致性不高，而對於鋰電單體電池來說18650是最成熟最安全性能最好的型號。針對18650的BMS是最有實際意義的BMS，請不要黑18650

另外能協調數千隻18650 本身這個技術就是前沿國內就是做不到

至於某些專搞二次開發的企業為了解決股票縮水的問題吵來吵去別忘了自己的知識產權還沒擦乾淨呢

另外從事故率角度來說特斯拉也是很成功的，不像國內各汽車廠商用大型電池一旦出了事故，解救不易

最大的優勢是充放電次數與壽命，其次是過充過放的能力，也就是說快速充電對電池的壽命影響最小。

不知道你要問什麼？

最大的優勢是充放電次數與壽命，其次是過充過放的能力，也就是說快速充電對電池的壽命影響最小。不知道你要問什麼？

內容太長沒看仔細，不過看評論大家討論圓柱形電池，我想表達下我的看法。

1圓柱電池最大的優勢在於單體有保護（VENT）。

2 PACK上放防鏈式反應設計，可提高安全係數。

3 至於能量密度，比軟包低。目前來看。

另外BMS的話，硬體看過，軟體看不到不敢亂言。

很奇怪的是百分之八十的內容來自於里卡多的benchmarkreport和一些貼吧文章，竟然成了私人的文章...

首先感謝科普和分析。

對於下面這段話我感覺是不是不正確？

「同樣是1C/1C充放150cycle的實驗，上圖I3和Model S電池的比較。上面幾張循環壽命數據很好的說明了為什麼Model S突破性的在乘用車內裝進了85kwh這麼巨大的電池。因為松下18650電池在1C左右的倍率下循環壽命很差。所以必須將通過高容量以降低同等工況下的倍率，保證更久的循環壽命」

因為supercharger station的充電功率是120kW，可以在40min內充電到80%。在這段時間的平均充電速率已經是1.2C。如果150cycle電池degration到圖中那種程度，那就太誇張了。所以高容量還是為了提高續航，跟充電倍率無關。

Ref https://www.quora.com/How-many-deep-discharge-cycles-can-the-Tesla-Model-S-handle

BTW, 請問你文中數據的出處是哪裡？謝謝

特斯拉使用的松下18650電芯數量太多,管理系統太複雜，出問題的可能性也很高。未來方嚮應該是減少電芯數量,簡化控制系統，降低成本才是。