葉磊談Tesla的電池管理系統
Tesla Motors 的電池管理系統 (BMS) 相比其他電動汽車有哪些優勢？https://www.zhihu.com/question/22183103/answer/118996717?from=profile_answer_card
為什麼說特斯拉的核心優勢是電池管理軟體演算法？https://www.zhihu.com/question/30110137/answer/116581117
本文作者介紹：葉磊Ray演技派工程師 ^_^
第一部分 為什麼說特斯拉的核心優勢是電池管理軟體演算法？
個人認為電池管理技術並非Tesla的核心優勢，而是基礎技術。如同1983年apple推出的Lisa PC的核心技術也絕不在於使用了滑鼠，2001年的ipod核心技術不在於1.8寸硬碟。
2014年國內第一批Tesla上市時有幸參與了Model S拆解，主要負責了ESS部分的Benchmark。不得不說當完成該項目時，心中對於Tesla的神秘光環和傳奇色彩褪色不少。如同美軍繳獲第一架米格15戰鬥機，激動得想一探其強勁性能的究竟，結果並未發現在基礎技術上有明顯顛覆性的突破。可以說Tesla單就每一項細節技術而言並非高人一等，甚至某些部分的設計略顯草率（比如ESS系統的低集成化造成製造工藝和後期維修的難度、較多非汽車級零部件及方案應用帶來的風險等），但將所有在工程師眼中並不完美的子部件集成在一起之後，依然呼之欲出了一款驚艷的產品。
Tesla的成就更多是在產品定義上的準確把握而非技術上的核心優勢。為什麼既擁有強大整車製造能力又具備鋰電池技術的日本沒有出現高性能的電動車？因為在當時（即便是現在也可能如此）他們根本不認為這樣的產品是足夠安全的、價格是能讓人接受的。為什麼即便在已經證明了Tesla的市場價值後，德國車企在電動汽車的推進上依然不緊不慢，因為拿他們的技術標準去套Tesla的產品，無論是設計選型還是製造工藝根本就不成熟。作為嶄新的汽車公司，不擁有長期的knowhow積累可能撞上前人早已知道應該躲避的暗礁，但同時也有可能因為卸下各種限制的包袱而第一個發現新的大陸。
目前汽車行業已經有越來越多的新進入者加入，可以拿過去10年手機行業的變遷作為參照，期間諾基亞的衰弱，蘋果、谷歌的崛起不僅僅是企業實力的競爭，更是通信產業鏈和計算機軟體產業鏈爭奪手機屬性的競爭。如果手機還是通信技術推動的產品，那蘋果、谷歌不一定是諾基亞的對手，而當手機成為計算機和軟體業推動的產品，那為諾基亞編寫app、為手機與pc充分互通的供應鏈與蘋果、谷歌相比自然不在一個數量級，又如何有勝算呢。
同理我們試想未來的汽車的屬性會是什麼？是操控性能卓越的交通工具，還是能載人移動的智慧機器人？這個屬性的定義將決定是傳統車企在未來生產、製造、銷售中是否依舊佔據供應鏈優勢，還是以人工智慧、雲計算技術為核心業務的高科技公司在未來產業供應鏈結構中佔到更大的比重。
因此Tesla在動力電池領域的技術較傳統車企而言，不但不是優勢，在未來反而可能成為劣勢。反倒是無人駕駛是其救命的稻草
第二部分 Tesla Motors 的電池管理系統 (BMS) 相比其他電動汽車有哪些優勢？
備註：我略作補充和注釋，以藍色字體
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
備註：這裡DCDC有兩個版本，美國和歐洲版本如下：
US&EU
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。
備註：雙充是訂購的時候付錢的，如果是沒付錢是不給配的
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。
備註：家用插座目前按照GBT18487.1的要求，16A的插頭需要降額到13A使用，10A的降額到8A使用
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斧成舟的理念，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。
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。
備註：這裡的比較，其實很難從BMU層面來對比，模組+BMU還有BMS的分配關係更大一些。溫度點的減少確實是趨勢
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？
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。
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