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深度剖析特斯拉的技术专利和核心技术能力

浏览次数:187 发布日期:2019-09-11

2008-2013年期间Tesla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。截止到2013年3月底Tesla所申请的此类专利数量达142项,另有258项专利正在审核过程之中。

深度剖析特斯拉的技术专利和核心技术能力

除了电池管理系统以外,Tesla在电机和电控方面还有一些独创性的技术。Tesla汽车所用电动机为自主研发的三相感应电机,拥有最优化的缠绕线性,能够最大限度的减少阻力以及能量损耗。电机能量使用效率低,降低了高容量电池组所带来的的动力性能优势,需要强大的动力系统配备智能化的能量管理软件将各个电池单体的电流数字化并将电池组电能有效转换为汽车动能,提高能量利用效率。

变速箱为单极变速系统,能够将交流感应电机所产生的扭矩与车速进行最优化的匹配,相比传统的汽油变速箱具有更好的加速运动特性。另外Tesla汽车上安装了较为完善的软、硬件系统,包括转动变频器、数字信号处理系统以及充电系统,用来控制电动机的扭矩以及电池组的能量传输过程,是整个汽车机体的能量控制系统。通过一个高性能的数字信号处理器可以将汽车制动、刹车、加速、减速等要求转变为数字信号,从而控制转动变频器将电池组的直流电与交流电相互转换以带动三相感应电动机提供相应的汽车动力,同样通过转动变频器可以将再生制动系统所产生的的交流电转换为直流电以完成充放电过程。

1.特斯拉的解决方案:小电池+BMS

Tesla 的电池采用的是松下的三元材料(镍钴铝酸锂),用的是比较成熟的18650型号(松下这种电池普遍用于笔记本之中)。与现在电动车电池的主流趋势不同,Tesla是唯一一家直接采用18650型锂离子电池的公司,其他的电动车都用的是大电池。只不过Tesla需要7000多节18650型锂电池。普通家用笔记本电脑只要7~8节。

Tesla采用小电池的理由在于:

工艺成熟。过去15年多的时间里消费类产品所积累的先进技术能够应用于车载电池领域,消费类产品可在推动需求、降低成本的同时提高能源密度。而目前许多刚刚开发出来的大容量方型电池,仅仅属于实验型产品,并未有过量产经验,并不能达到成熟阶段。松下是全球电池技术和规模最大的企业之一,产品缺陷最少,由于规模较大,也便于从中挑选出一致性好的电池。

性价比高。ModelS 85kWh车型电池动力系统总成本3万美元左右,单位储能成本400美元/kWh左右,是其他电动汽车储能成本的一半左右。18650电池的生产商众多,使得下游企业对上游厂商有较强的议价能力,电池的成本可以得到控制。而随着电子消费类用品的普及,18650价格也会继续下滑,特斯拉亦可从侧面受益。

安全性能可控。每个电池单元的尺寸小,可每个单元的能量可控制在较小的范围,与使用大尺寸电池单元时相比,即使电池组的某个单元发生故障,也能降低故障带来的影响。

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但是将众多(7000多个)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。

2. 核心技术:电池管理系统

这就是Tesla的核心技术—电池管理系统。Elon musk本身是学物理出身,又在硅谷招聘了上百名工程师,这是它技术领先的根本原因。Tesla建立电池检测实验室、数据信息中心对18650对其温度进行智能监控。

2.1电池检测实验室:源头增加锂电池单体一致性

因标准18650电池单体容量较小(约10.4wh),Tesla Model S 85kWh版电动汽车就需要8000多颗电池单体。如此众多的电池单体所组成电池组,会大幅增加单体之间的不一致性,容易导致个别单体过充、过放并产生静电反应从而降低电池组寿命并产生安全隐患,从而对单体的一致性检测提出极高的要求。

Tesla拥有一个独立的锂电池监测实验室并依据锂电池单体化学性能、形状系数建立了一个完备的数据信息中心,通过这个实验室以及数据中心将电池供应商Sanyo所提供的18650电池进行严格的性能测试以及一致性筛选,主要关注指标包括:单体容量大小,储能持久性、功率输出大小、电压上下限等。其中一致性、安全性较好的电池作为电池组备用电池,从而在根本上保证电池组功率传导的稳定性以及持久性。

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2.2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Tesla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。Tesla电池组尾部安装有印刷电路板,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。

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2.3锂电池温度管理系统:提升整车安全性能

Tesla高达60kWh、85kWh的电池组容量使其运行过程中将会释放更多的热量,从而加大了电池组温度过高引起爆炸的概率,这是Tesla电池管理系统解决的最为核心的问题之一。

电池组温度检测系统—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模组,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。

Tesla汽车电池组中的每一个电池单体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。当某个电池单体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。

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电池组液体冷凝系统—实时温度控制

Tesla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电池单体。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,从而保证每个电池单体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。

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Tesla公司承诺为Tesla ModelS电池组提供8年或是10万英里的质量保证,其汽车其他部件提供4年或是5万英里的质量保证。最近更是推出一项免费服务计划,特斯拉将为因保养不善而遭到损耗的电池组提供保修,并将为客户免费更换相同质量或性能更好的电池,其电池组质量可见一斑。

特斯拉387相专利清单

特斯拉公开专利已经过去好几年了,2014年的一天,牛人马斯克在Tesla网站上发布了一封公开信,宣布将免费公开其所有专利。特斯拉的专利,涉及到电动汽车综合控制;电机控制制造及优化;电池单体技术、成组技术、均衡优化及寿命管理;整车系统控制;热失控探测报警;多种电源配合应用技术;防止过充过放和其他电池滥用技术;高压电气连接及高压安全技术等等,几乎我们遇到的,实际上特斯拉在专利中都有所阐述。特斯拉公开的专利,包含不同专利类型,至今一共387相。专利名称和专利号,详见下表。

深度剖析特斯拉的技术专利和核心技术能力
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特斯拉发布新电池专利:冗余电池管理系统

特斯拉发布一项新电池技术,打造一款强大、动态化的电池管理系统。特斯拉表示,该款电池管理系统可提供冗余通信路径,主机可实现顺时针和逆时针串联客户端的通信。此外,该系统或可实现电池管理系统内的动态冗余,提升新一代蓄电池组的可靠性。

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特斯拉的电池专利是一款冗余电池管理系统,有一款客户端及多信道、双向、菊链式(daisy-chained)通信回路构成,特斯拉还罗列了在电池管理系统中识别故障位置的方法。特斯拉表示,电池管理系统可能包括一个主机端(例如:管控系统的微控制器)及客户端(管控系统内电池电芯的电池管理集成电路)。

Model 3 2018款 基本型电池管理系统菊链式回路的原理为:主机和各客户端(host and each client)可利用菊链式传输路径回路实现指令的通信及响应,该菊链式回路可能包括一组线路,后者可传输电信号。菊链式回路还能将主机接口连接到各串联客户端接口,从而实现依序通信,可实现链路内的单信道或多信道通信。

特斯拉表示,电池管理系统可能包括一个主机端(例如:管控系统的微控制器)及客户端(管控系统内电池电芯的电池管理集成电路)。该款电池管理系统可提供冗余通信路径,主机可实现顺时针和逆时针串联客户端的通信,冗余适用于双信道。此外,该系统或可实现电池管理系统内的动态冗余,提升新一代蓄电池组的可靠性。

特斯拉极其出色的电池管理系统(BMS)

其一、热管理系统。众所周知,电动车所使用的动力电池对环境温度的要求十分高,温度过低会导致电池的性能大幅降低甚至无法使用,而温度过高又会带来极大的安全隐患。特斯拉在热管理上巧妙的利用转换阀门将加热系统和冷却系统实现无缝切换。根据环境温度的不同和车辆工况选择最优方案。

其二、充放电管理系统。一辆特斯拉上面有高达数千粒电芯,如果根据实际需要对这几千颗电池进行充放电管理也是一门不小的学问。电芯最怕的就是“过充”或者“过放”。过度充电同样会带来较大的安全隐患,过度放电也会对电芯的使用寿命造成很大的伤害,甚至导致电池直接报废。那么特斯拉的电池管理系统会测量每一节电芯的电压,如果电压低于标称值会使其保持充电状态,如果电压过高,则会主动放电充给低电压的电芯,使整个电池组达到一个平衡状态。

其三、有了良好的充放电管理系统,还需要尽最大可能在各种条件中让充电时间最短以提升用户体验。同时要能兼容多种电压,让用户随时随地都能有电可充。特斯拉目前能够提供超级充电桩、高功率充电墙和家用220伏充电等多种选择。超级充电桩能够提供较高的电压和输出功率,只需要1小时就可以使一辆特斯拉充满大部分电量,而最弱的家用需要十多小时才能将车辆充满,但优势是可以使用随处可见的220伏电源插座,而且部分地区可以很方便的在夜间充电以享受错峰优惠电价。

特斯拉电池管理系统的优势之处在哪

自从ModelS上市以来,似乎已经被拆解无数遍了,这也从一个侧面印证了特斯拉(Tesla)在电动汽车市场初期的标杆地位。

一、动力总成构成:

ModelS动力总成主要分为这几部分:动力电池系统ESS、交流感应电机DriveUnit、车载充电机Charger、高压配电盒HVJunctionBox、加热器PTCheater、空调压缩机A/Ccompressor和直流转换器DCDC。

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ModelS采用三相交流感应电机,并且将电机控制器、电机、以及传动箱集成于一体。尤其是将电机控制器也封装成圆柱形,与电机互相对应,看上去像是双电机。从设计上来看集成度高、对称美观。中间的传动箱采用了固定速比(9.73:1)方案。85KWh版本电机峰值功率270KW,扭矩440Nm。

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充电系统支持三种充电方式:

1.超级充电桩DC快充

超级充电桩可直接输出120KW对ESS进行充电,一个小时以内能充满。

2.高功率壁挂充电

在后排座椅下面有两个车载充电器,一主一从。主充电器属于默认开放使用,功率10KW,差不多8小时能充满。slave充电器的硬件虽然已经安装在车上了,但需要额外支付1.8万才能激活,可使充电能力翻倍。这种硬件早已配置好,之后通过license收费的方式和IBM的服务器如出一辙。目前Tesla已经把这个策略用在了动力电池上,60版本上实际装了70多度电,预留的那部分容量刚好避免满充满放,有助于延长电池寿命,因此入手低配版也是一个有性价比的选择。

3.220V家用插座充电

充电功率3kw左右,充满电大概30个小时。把充电器放在车上,即使到了完全没有充电基础设施的地方也能利用普通家用插头充上电。

热管理部分有意思的地方在于ModelS用一个四通转换阀实现了冷却系统的串并联切换。其目的我分析主要是根据工况选择最优热管理方式。当电池在低温状态下需要加热时,电机冷却回路与电池冷却回路串联,从而使电机为电池加热。当动力电池处于高温时,电机冷却回路与电池冷却回路并联,两套冷却系统独立散热。这样的热管理方式还是比较巧妙的。

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二、电池PACK

先看一下未拆解前的电池包(PACK),对外一共有3组接口。分别是低压接口、高压接口、冷却接口,并且全部采用了快插式方案。说明Tesla在设计电池组系统的时候充分考虑了换电模式的技术要求,即便现在很少有换电的需求但这个基因始终保留了下来。高压接插器中较粗的Pin一方面起到了定位的作用,同时也是接地点,较细的Pin用于实现高压互锁功能。

PACK前部顶面上设计了防水透气阀,利用气体分子与液体及灰尘颗粒的体积大小数量级差,让气体分子通过,而液体、灰尘无法通过,从而实现防水透气的目的,避免水蒸气在PACK内部凝结。

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PACK上部用了非常多的固定螺丝,因此白色的绝缘垫通过胶粘在了PACK上,除了起到了绝缘防火的作用以外,还可以起到一定的防水的作用。PACK的上盖是死死用胶粘住的,即使卸了所有螺丝依然无法打开。记得在14年的炎炎夏日里我们七八个人“生掰硬撬”一小时才得以破坏性的扒开。当时觉得Tesla在设计的时候一定是抱着破釜沉舟的考虑,根本没打算之后的维修,所以PACK上自然也没有手动维修开关,仅仅留了一个保险丝更换口。

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Tesla下托盘以铝合金型材作为主要承载框型骨架,骨架底部焊接整块铝板。拆解的是一款85KWH高配版,最右侧多堆叠了两个模块(Module)。PACK两侧布置了大量防爆阀(共85个)。在拆解的过程中发现PACK里总是用零散的绝缘板将高压器件隔开,而固定绝缘板的方式通常是胶水,像是用狗皮膏药把PACK里面打满了补丁,很难想象在这样复杂工艺在量产过程中是如何进行的。猜测是在设计之初考虑的不充分导致了后续只能无奈的通过打补丁的方式进行了。

电池管理系统(BMS)在PACK内部几乎是完全裸露的,也许是为了减轻重量吧,但也带来一定的风险。

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Module之间的水冷系统采用的是并联结构而不是互相串联,其目的在于确保了流进每个Module的冷却液有着相近的温度。

Module之间的高压电气连接采用左右交错的排布方式,而不是从PACK尾部到顶部,再从顶部回到尾部这种比较简单的连接方式。猜测是为了防止形成大电流回环从而产生较强辐射干扰。

电流采样仅仅采用了一个ISAscale工业级的Shunt,通过SPI总线与BMU进行通信。此前对标荣威E50上A123动力电池的解决方案,其采用了shunt和Hall双备份的措施。毕竟电流值在ESS系统中是一个极其关键的参数。

三、电池Module

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由于选用了NCA的电芯,在能量密度上Tesla可谓是遥遥领先,Pack的能量密度比很多车型的Cell都高出一截。下图是高配和低配在module上的差异,低配module每并少了10颗cells,串联数量都是6串,因此对于电池管理而言并没有太大差异。从汇流板可以看出与Busbar相连的部分颜色明显不同,此处是在表面进行了镀镍处理,防止氧化。

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Module热交换设计上由于Tesla选择了18650电池必然导致了Coolantpipe必须设计得异常复杂,并且电池是用胶水牢牢固定于Module中,完全不具备维修和梯次利用的可能。而选用方形电池的I3和Volt更便于电芯和冷却系统的集成。

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Volt在每个电芯间设计了散热曡层,使得热交换面积更大效果更好,推测这种方案在未来可能成为主流。

四、电池管理系统BMS

BMS采用主从架构,主控制器(BMU)负责高压、绝缘检测、高压互锁、接触器控制、对外部通信等功能。从控制器(BMB)负责单体电压、温度检测,并上报BMU。

BMU具备主副双MCU设计,副MCU可检测主MCU工作状态,一旦发现其失效可获取控制权限。比较幽默的是BMU上居然有一个手动reset的按钮,刚看到的时候简直不敢相信这是汽车产品级ECU,更像是是个电脑主板。而且把过强电电流的预充电接触器直接放在了BMU上也是一个大胆的设计。

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下图是Tesla、BMWi3、A123三家的模块监控BMB的对比。具体参数如下:

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传说中Tesla检测了7000多节的电池电压,其实只是将74节电池并联检测一个点,传说监控了每个单体的温度,其实444节电池仅有两个温度探测点。传说中能均衡住每一节电池,实际上均衡电流仅0.1A,对于230Ah的电池来说杯水车薪。尤其是在电压监控冗余设计上,BMW(preh)采用了LT6801,A123采用IC8进行了硬件比较,一旦MCU失效或者通信异常时可以直接在硬件上触发报警。相比之下Tesla设计得更简单。尤其是采用了UART通信而不是CAN,更像是IT公司的解决方案。

五、单体电池Cell

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从松下提供的Spec上看在0.5C充/1C放(100%DOD)的条件下500cycle后容量降至BOL状态时的68%,衰减比较严重。

同样是1C/1C充放150cycle的实验,上图I3和ModelS电池的比较。上面几张循环寿命数据很好的说明了为什么ModelS突破性的在乘用车内装进了85kwh这么巨大的电池。因为松下18650电池在1C左右的倍率下循环寿命很差。所以必须将通过高容量以降低同等工况下的倍率,保证更久的循环寿命;同时大容量的电池也确保了车辆在全生命周期里循环次数足够少。按百公里电耗20KWH计算,20万公里对于85KWH的PACK而言也不过只有470cycle。

随着更多的电池企业针对汽车领域定制电池的标准化和批量化,18650电池所具备的低成本和高一致性的优势将迅速消失,即使Tesla一度希望通过开放专利的方式拉拢技术路线站队,但看似并不成功。开放专利噱头和宣传效果大于实际意义。

不过在那个电动汽车供应链还不成熟的年代,Tesla几乎是凭着极佳的技术集成思路硬是在各种非汽车级选型中“凑”出了一辆跨时代意义的产品。所以硬要说Tesla在动力电池上比传统车企做得好,倒不如说Tesla做了他们不敢做的事;传统车企完善的供应链体系、长期积累的标准规范、庞大的市场占有量这几个方面就推动电动汽车这件事上看反而成了包袱。Tesla可以毫无负担放弃汽车供应链在工业级产品中选型,可以暂时将Autosar、ISO26262等放一放,可以不用像传统车企一样担心在电动车技术走得太激进,导致出了起火事、失控等事故而影响传统车型的销量。但此后Tesla和传统车企竞争优势依然是这套历史条件制约下的解决方案么?我想肯定不是。

一旦从工程师的立场去看产品,往往能揭穿企业想要营造出的完美。毕竟产品设计的过程必然是一个妥协和取舍的过程,而企业在产品营销上往往试图用”不妥协“、”不将就“之类的概念(比如国内的某些手机公司),与设计的本质相违背。但当自己是一个消费者的时候,Tesla依然对我有着极强的吸引力,其吸引力的来源根本不在于运用了先进或是落后的技术;而是凌驾于技术堆叠和性能参数之上的产品气质,这个气质是众多人想要而其他车型无法给予的感受,我想这是Tesla最成功的地方吧。

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