從電芯到Pack 解碼特斯拉動(dòng)力電池技術(shù)

　　自從ModelS上市以來似乎已經(jīng)被大家拆解無數(shù)遍了，這也從一個(gè)側(cè)面印證了Tesla在電動(dòng)汽車市場(chǎng)初期的標(biāo)桿地位。

　　動(dòng)力總成構(gòu)成

　　ModelS動(dòng)力總成主要分以下幾部分：

　　1.動(dòng)力電池系統(tǒng)ESS

　　2.交流感應(yīng)電機(jī)DriveUnit

　　3.車載充電機(jī)Charger

　　4.高壓配電盒HVJunctionBox

　　5.加熱器PTCheater

　　6.空調(diào)壓縮機(jī)A/Ccompressor

　　7.直流轉(zhuǎn)換器DCDC

　　ModelS采用三相交流感應(yīng)電機(jī)，并且將電機(jī)控制器、電機(jī)、以及傳動(dòng)箱集成與一體。尤其是將電機(jī)控制器也封裝成圓柱形，與電機(jī)互相對(duì)應(yīng)，看上去像是雙電機(jī)。從設(shè)計(jì)上來看集成度高、對(duì)稱美觀。中間的傳動(dòng)箱采用了固定速比（9.73：1）方案。85KWh版本電機(jī)峰值功率270KW，扭矩440Nm。

　　充電系統(tǒng)支持三種充電方式：

　　1、超級(jí)充電樁DC快充

　　超級(jí)充電樁可直接輸出120KW對(duì)ESS進(jìn)行充電，一個(gè)小時(shí)以內(nèi)能充滿。

　　2、高功率壁掛充電

　　在后排座椅下面有兩個(gè)車載充電器，一主一從。主充電器屬于默認(rèn)開放使用，功率10KW，差不多8小時(shí)能充滿。slave充電器的硬件雖然已經(jīng)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。這種硬件早已配置好，之后通過license收費(fèi)的方式和IBM的服務(wù)器如出一轍。目前Tesla已經(jīng)把這個(gè)策略用在了動(dòng)力電池上，60版本上實(shí)際裝了70多度電，預(yù)留的那部分容量剛好避免滿充滿放，有助于延長電池壽命，因此入手低配版也是一個(gè)有性價(jià)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(gè)小時(shí)。把充電器放在車上，即使到了完全沒有充電基礎(chǔ)設(shè)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于ModelS用一個(gè)四通轉(zhuǎn)換閥實(shí)現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的串并聯(lián)切換。其目的我分析主要是根據(jù)工況選擇最優(yōu)熱管理方式。當(dāng)電池在低溫狀態(tài)下需要加熱時(shí)，電機(jī)冷卻回路與電池冷卻回路串聯(lián)，從而使電機(jī)為電池加熱。當(dāng)動(dòng)力電池處于高溫時(shí)，電機(jī)冷卻回路與電池冷卻回路并聯(lián)，兩套冷卻系統(tǒng)獨(dú)立散熱。這樣的熱管理方式還是比較巧妙的。

　　電池PACK

　　先看一下未拆解前的PACK，對(duì)外一共有3組接口。分別是低壓接口、高壓接口、冷卻接口，并且全部采用了快插式方案。說明Tesla在設(shè)計(jì)電池組系統(tǒng)的時(shí)候充分考慮了換電模式的技術(shù)要求，即便現(xiàn)在很少有換電的需求但這個(gè)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(shí)也是接地點(diǎn)，較細(xì)的Pin用于實(shí)現(xiàn)高壓互鎖功能。

　　PACK前部頂面上設(shè)計(jì)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(shù)量級(jí)差，讓氣體分子通過，而液體、灰塵無法通過，從而實(shí)現(xiàn)防水透氣的目的，避免水蒸氣在PACK內(nèi)部凝結(jié)。

　　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年的炎炎夏日里我們七八個(gè)人“生掰硬撬”一小時(shí)才得以破壞性的扒開。當(dāng)時(shí)覺得Tesla在設(shè)計(jì)的時(shí)候一定是抱著破斧沉舟的理念，根本沒打算之后的維修，所以PACK上自然也沒有手動(dòng)維修開關(guān)，僅僅留了一個(gè)保險(xiǎn)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(cè)多堆疊了兩個(gè)Module。PACK兩側(cè)布置了大量防爆閥（共85個(gè)）。在拆解的過程中發(fā)現(xiàn)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里面打滿了補(bǔ)丁，很難想象在這樣復(fù)雜工藝在量產(chǎn)過程中是如何進(jìn)行的。猜測(cè)是在設(shè)計(jì)之初考慮的不充分導(dǎo)致了后續(xù)只能無奈的通過打補(bǔ)丁的方式進(jìn)行了。

　　BMS在PACK內(nèi)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(fēng)險(xiǎn)。

　　Module之間的水冷系統(tǒng)采用的是并聯(lián)結(jié)構(gòu)而不是互相串聯(lián)，其目的在于確保了流進(jìn)每個(gè)Module的冷卻液有著相近的溫度。

　　Module之間的高壓電氣連接采用左右交錯(cuò)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(cè)是為了防止形成大電流回環(huán)從而產(chǎn)生較強(qiáng)輻射干擾。

　　電流采樣僅僅采用了一個(gè)ISAscale工業(yè)級(jí)的Shunt，通過SPI總線與BMU進(jìn)行通信。此前對(duì)標(biāo)榮威E50上A123動(dòng)力電池的解決方案，其采用了shunt和Hall雙備份的措施。畢竟電流值在ESS系統(tǒng)中是一個(gè)極其關(guān)鍵的參數(shù)。

　　電池Module

　　由于選用了NCA的電芯，在能量密度上Tesla可謂是遙遙領(lǐng)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每并少了10顆cells，串聯(lián)數(shù)量都是6串，因此對(duì)于電池管理而言并沒有太大差異。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(jìn)行了鍍鎳處理，防止氧化。

　　Module熱交換設(shè)計(jì)上由于Tesla選擇了18650電池必然導(dǎo)致了Coolantpipe必須設(shè)計(jì)得異常復(fù)雜，并且電池是用膠水牢牢固定于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更便于電芯和冷卻系統(tǒng)的集成。

　　Volt在每個(gè)電芯間設(shè)計(jì)了散熱曡層，使得熱交換面積更大效果更好，推測(cè)這種方案在未來可能成為主流。

　　電池管理系統(tǒng)BMS

　　BMS采用主從架構(gòu)，主控制器（BMU）負(fù)責(zé)高壓、絕緣檢測(cè)、高壓互鎖、接觸器控制、對(duì)外部通信等功能。從控制器（BMB）負(fù)責(zé)單體電壓、溫度檢測(cè)，并上報(bào)BMU。

　　BMU具備主副雙MCU設(shè)計(jì)，副MCU可檢測(cè)主MCU工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)其失效可獲取控制權(quán)限。比較幽默的是BMU上居然有一個(gè)手動(dòng)reset的按鈕，剛看到的時(shí)候簡直不敢相信這是汽車產(chǎn)品級(jí)ECU，更像是是個(gè)電腦主板。而且把過強(qiáng)電電流的預(yù)充電接觸器直接放在了BMU上也是一個(gè)大膽的設(shè)計(jì)。

　　下圖是Tesla、BMWi3、A123三家的模塊監(jiān)控BMB的對(duì)比。具體參數(shù)如下：

　　傳說中Tesla檢測(cè)了7000多節(jié)的電池電壓，其實(shí)只是將74節(jié)電池并聯(lián)檢測(cè)一個(gè)點(diǎn)，傳說監(jiān)控了每個(gè)單體的溫度，其實(shí)444節(jié)電池僅有兩個(gè)溫度探測(cè)點(diǎn)。傳說能均衡住每一節(jié)電池，實(shí)際上均衡電流僅0.1A，對(duì)于230Ah的電池來說杯水車薪。尤其是在電壓監(jiān)控冗余設(shè)計(jì)上，BMW（preh）采用了LT6801，A123采用IC8進(jìn)行了硬件比較，一旦MCU失效或者通信異常時(shí)可以直接在硬件上觸發(fā)報(bào)警。相比之下Tesla設(shè)計(jì)得更簡單。尤其是采用了UART通信而不是CAN，更像是IT公司的解決方案。

　　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后容量降至BOL狀態(tài)時(shí)的68%，衰減比較嚴(yán)重。

　　同樣是1C/1C充放150cycle的實(shí)驗(yàn)，上圖I3和ModelS電池的比較。

　　上面幾張循環(huán)壽命數(shù)據(jù)很好地說明了為什么ModelS突破性地在乘用車內(nèi)裝進(jìn)了85kwh這么巨大的電池。因?yàn)樗上?8650電池在1C左右的倍率下循環(huán)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(huán)壽命；同時(shí)大容量的電池也確保了車輛在全生命周期里循環(huán)次數(shù)足夠少。按百公里電耗20KWH計(jì)算，20萬公里對(duì)于85KWH的PACK而言也不過只有470cycle。

　　隨著更多的電池企業(yè)針對(duì)汽車領(lǐng)域定制電池的標(biāo)準(zhǔn)化和批量化，18650電池所具備的低成本和高一致性的優(yōu)勢(shì)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(shù)路線站隊(duì)，但看似并不成功。開放專利噱頭和宣傳效果大于實(shí)際意義。

　　不過在那個(gè)電動(dòng)汽車供應(yīng)鏈還不成熟的年代，Tesla幾乎是憑著極佳的技術(shù)集成思路硬是在各種非汽車級(jí)選型中”湊“出了一輛跨時(shí)代意義的產(chǎn)品。

　　所以硬要說Tesla在動(dòng)力電池上比傳統(tǒng)車企做得好，倒不如說Tesla做了他們不敢做的事。傳統(tǒng)車企完善的供應(yīng)鏈體系、長期積累的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、龐大的市場(chǎng)占有量這幾個(gè)方面就推動(dòng)電動(dòng)汽車這件事上看反而成了包袱。

　　Tesla可以毫無負(fù)擔(dān)放棄汽車供應(yīng)鏈在工業(yè)級(jí)產(chǎn)品中選型，可以暫時(shí)將Autosar、ISO26262等放一放，可以不用像傳統(tǒng)車企一樣擔(dān)心在電動(dòng)車技術(shù)走得太激進(jìn)，導(dǎo)致出了起火事、失控等事故而影響傳統(tǒng)車型的銷量。但此后Tesla和傳統(tǒng)車企競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)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(jìng)爭(zhēng)力應(yīng)該是什么呢？電池管理軟件算法。

　　Tesla的核心優(yōu)勢(shì)在于基礎(chǔ)技術(shù)

　　個(gè)人認(rèn)為電池管理技術(shù)并非Tesla的核心優(yōu)勢(shì)，而是基礎(chǔ)技術(shù)。如同1983年apple推出的LisaPC的核心技術(shù)也絕不在于使用了鼠標(biāo)，2001年的ipod核心技術(shù)不在于1.8寸硬盤。

　　2014年國內(nèi)第一批Tesla上市時(shí)有幸參與了ModelS拆解，主要負(fù)責(zé)了ESS部分的Benchmark。不得不說當(dāng)完成該項(xiàng)目時(shí)，心中對(duì)于Tesla的神秘光環(huán)和傳奇色彩褪色不少。如同美軍繳獲第一架米格25戰(zhàn)斗機(jī)，激動(dòng)得想一探其強(qiáng)勁性能的究竟，結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)在基礎(chǔ)技術(shù)上有明顯顛覆性的突破?？梢哉fTesla單就每一項(xiàng)細(xì)節(jié)技術(shù)而言并非高人一等，甚至某些部分的設(shè)計(jì)略顯草率（比如ESS系統(tǒng)的低集成化造成制造工藝和后期維修的難度、較多非汽車級(jí)零部件及方案應(yīng)用帶來的風(fēng)險(xiǎn)等），但將所有在工程師眼中并不完美的子部件集成在一起之后，依然呼之欲出了一款驚艷的產(chǎn)品。

　　Tesla的成就更多是在產(chǎn)品定義上的準(zhǔn)確把握而非技術(shù)上的核心優(yōu)勢(shì)。為什么既擁有強(qiáng)大整車制造能力又具備鋰電池技術(shù)的日本沒有出現(xiàn)高性能的電動(dòng)車？

　　因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)（即便是現(xiàn)在也可能如此）他們根本不認(rèn)為這樣的產(chǎn)品是足夠安全的、價(jià)格是能讓人接受的。為什么即便在已經(jīng)證明了Tesla的市場(chǎng)價(jià)值后，德國車企在電動(dòng)汽車的推進(jìn)上依然不緊不慢，因?yàn)槟盟麄兊募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)去套Tesla的產(chǎn)品，無論是設(shè)計(jì)選型還是制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(yīng)該躲避的暗礁，但同時(shí)也有可能因?yàn)樾断赂鞣N限制的包袱而第一個(gè)發(fā)現(xiàn)新的大陸。

　　目前汽車行業(yè)已經(jīng)有越來越多的新進(jìn)入者加入，可以拿過去10年手機(jī)行業(yè)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(yè)實(shí)力的競(jìng)爭(zhēng)，更是通信產(chǎn)業(yè)鏈和計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)業(yè)鏈爭(zhēng)奪手機(jī)屬性的競(jìng)爭(zhēng)。如果手機(jī)還是通信技術(shù)推動(dòng)的產(chǎn)品，那蘋果、谷歌不一定是諾基亞的對(duì)手，而當(dāng)手機(jī)成為計(jì)算機(jī)和軟件業(yè)推動(dòng)的產(chǎn)品，那為諾基亞編寫App、為手機(jī)與PC充分互通的供應(yīng)鏈與蘋果、谷歌相比自然不在一個(gè)數(shù)量級(jí)，又如何有勝算呢。

　　同理我們?cè)囅胛磥淼钠嚨膶傩詴?huì)是什么？是操控性能卓越的交通工具，還是能載人移動(dòng)的智慧機(jī)器人？這個(gè)屬性的定義將決定是傳統(tǒng)車企在未來生產(chǎn)、制造、銷售中是否依舊占據(jù)供應(yīng)鏈優(yōu)勢(shì)，還是以人工智能、云計(jì)算技術(shù)為核心業(yè)務(wù)的高科技公司在未來產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)中占到更大的比重。

　　因此Tesla在動(dòng)力電池領(lǐng)域的技術(shù)較傳統(tǒng)車企而言，不但不是優(yōu)勢(shì)，在未來反而可能成為劣勢(shì)。反倒是無人駕駛是其救命的稻草。