电池寿命衰减情况是这样测试的!特斯拉电池及寿命分析

Tesla这个公司,不管以后怎么样,从现在来看确实对全球的汽车产业产生了积极的影响。这篇文章,是针对Tesla的电池系统和纯电动汽车电池寿命做一些讨论,抛砖引玉。因为涉及的内容有些敏感,这里尽量写简单浅显一些,欢迎后续有工程师和我进行交流。

第一部分 Tesla的电池系统

Tesla的电池系统严格意义只有两代,Roadster是第一代,Model S是第二代,在Model S里面开始设计是40kwh(取消)、60kwh(取消)、70kwh、85kwh和90kwh几种,其中两种比较确定的规格为:

85 kWh(7104个 74P × 6 × 16) 400V

60/40 kWh (5376个 64P × 6 × 14) kWh

这里将电池系统分解为:

电池模组:电池模组是电池系统的主要子单元,也是特斯拉的设计核心。

结构系统:电池系统中采用了大量的隔离结构件,起到防水和绝缘的作用。

热管理系统:包括冷却管路系统。

线束系统:分高压母线和低压通信线束两部分组成。

电子电气系统:内部包含电池管理、继电器、预充电阻等。

排气系统:主要是对电池组的压力进行释放,主要有排气阀和接口两部分组成。

其中最为重要的还是其电池模组设计

电池单体模块由主要以下部分构成:

电池单体:松下的电池。

电流母板:起到了连接电池的作用,将每组电池的正极和负极连接在一起,共有7种不同的规格木板。

隔层:隔层将电池与冷却管隔离并有绝缘的作用。

散热铜管:通过每一面与单体连接,将热量带出整个电池模组。

隔离板:在电池的顶盖上方,起到绝缘的作用。

BMU采集板:测量电压和温度。

熔丝:连接电池单体与母线牌,采用半导体中的Bonding工艺,对于电池组装而言,这是非常难的工艺。

温度传感器:采集温度,其位置在冷却管的输入端和输出端。

采样电压采集线束:采集电池电压,并有专门的固定的导线索引的结构进行固定。

图1 Tesla 电池模组示意图

注:此图选自里卡多的Benchmark报告的预览版,并予以中文注释和修改,建议想知道细节的,可以购买完整报告版本并获取CAD。

从技术的角度来看,涵盖了不少的专利设计,这个是从百人会的一个介绍中摘录出来,然后对每个内容作了一些整理。

图2 Tesla模组设计专利对应图

a)检测方法

US20100136384 Battery thermal event detection system using an electrical conductor with a thermally interruptible insulator

US20100135355 Battery thermal event detection system using an optical fiber

US20130260192 Battery Pack Pressure Monitoring System for Thermal Event Detection

目的:确定电池何时,发生意外热量事件和电池热事件的系统,例如热耗散。

方法:在电池外表面使用电缆(电池表面温度)或光纤来检测电池的 SOH、压力传感器采集后对系统进行分析。

实际:专利这个实际看下来差距比较大,还是只有简单的电压和温度测量,没有看到压力和光纤在里面有实际的体现。

b)隔热设计

US20100136396 Cell Separator for Minimizing Thermal Runaway Propagation within a Battery Pack

US20130078494 Rigid Cell Separator for Minimizing Thermal Runaway Propagationwithin a Battery Pack

US20100151308 Increased resistance to thermal runaway through differential heattransfer

US20100136404 Thermal barrier structure for containing thermal runaway propagation within a battery pack

目的: 隔热、散热、隔离热传播和保持间距。

手段:使用强度较高的隔离带、用隔热的带将电池组隔离成小的块。

实际:结构设计应该是遵循了专利的设计意图的。

c)热失控控制

US20100136391 Active Thermal Runaway Mitigation System for Use Within a BatteryPack

US20100273034 Battery pack enclosure with controlled thermal runaway releasesystem

US20120308858 Battery Pack Enclosure with Controlled Thermal Runaway ReleaseSystem

US20120308859 Battery Pack Enclosure with Controlled Thermal Runaway ReleaseSystem

目的:主动抑制电池热失控和热失控的时候泻压。

方法:利用散热的导流管,设计的时候考虑电池发热的温度使得冷却管融化,将散热液灭火,通过泻压伐的方式将压力释放出来。

实际:待验证,这个实验设计起来比较费劲,可参考美国道路安全局主导的单体引燃实验,确实Tesla在安全方面表现要好一些。

小结:

1)从收集信息的角度来看,我们可以拆解也可以通过去专利了解其设计意图,不过需要大量的时间和钱来重复这个过程,来判断Tesla的手段是否有效。

2)国外目前有里卡多和AVL做过系统的拆解、分析和实验,有分析报告,这方面如果节约时间可以买过来节约时间,再来做自己的拆解能够了解其设计过程。

第二部分 Tesla的电池寿命分析

Tesla对于电池的设计理念来说,是要做更大的电池来规避掉很多的问题。我们可以理性的从用户期望里程对单次里程的比例,来分析电池的容量衰减情况。如图3所示,相对LEAF,270英里的续航里程对84英里的续航里程优势太大,同样达到10万公里的次数,就差了三倍,对于同一个电池而言,循环次数也差了三倍。

图3 英里数对续航里程折算的理想循环次数

我们网上的数据,只有参考文献五,一些爱好者通过比较开过的英里数对每次行驶的续航里程来估算电池寿命的下降。在网站里面,可以点开每个用户的使用实际情况(满充满放、Super Charge和随充)。

图4 国外网友的实测里程效果估算

实际上的这个寿命衰减过程是比较复杂的,有外部因素和内部因素,通过里程来计量的时候又受到驾驶习惯、车速、空调和计量误差等,所以只能作为参考。

比较靠谱的美国INL实验室对其他纯电动汽车做了很多实际的记录,这个记录方法是通过跑里程,将电池进行容量测试进行的。它的设计方法,一般是选4辆车,然后进行对比和确认。如图5所示,主要对比的是美国的3.3KW充电和直流充电对车产生的影响,总体来看,影响不是特别大。

图5 INL对LEAF的测试跟踪数据

图6主要是对2013 LEAF、2013 Ford Fucus和2014 BMW I3还有2012 的三菱iMiev进行记录和测试。由于这几个车里程都比较接近,所以得到的数据有些一致。

5000英里 普遍的衰减是5%以内,iMieV这项差距有些大。

12000英里 数据点比较少,不过也在10%的衰减。

图6 INL对其他车辆的测试跟踪数据

所以看到很多的宣传,很多厂家宣称100%DOD放电达到多少次,60%(20%~80%)的DOD多少次,这些数据只能作为一个参考。单体的循环次数和日历寿命只是一个基础,实际在电池包里面由于是电池串联,主要同时发生两部分,可用容量是:

1.电池容量衰减

2.电池SOC的差异和估算的误差

这个可用容量有初始差异性、时变差异性和个体之间差异性,外部的整个使用差异性和温度环境差异,所以导致电池包的寿命和大部分单体寿命之间的背离,往最弱的那个单体靠拢。

为了满足车辆跑量的给私人消费者使用,现实的策略往往就是留有足够的余量,让消费者得到比较一致的里程体验,在获取容量数值之后,在控制端将SOC窗口随着容量衰减而变化(长时间周期),开始给出的里程数据就不是最大的可行驶距离。

小结:

1)写这篇文章不带有主观偏向性,也是把各家的资料来源做个梳理,做个资料性的导读

2)我们都在学习中,纯电动的路线充满了机遇和风险

参考资料:

1)里卡多 Tesla Model S 60 Benchmarking Overview V2 Preview

2)AVL:The Tesla Model S Battery: A Pack Analysis Study Volker Hennige, Manager, Global Battery Competence Team, AVL List GmbH

3)The Tesla Battery Report Tesla Motors: Battery Technology, Analysis of the Gigafactory,and the Automakers’ Perspectives

4)Plug In America’s Tesla Roadster Battery Study

5)Maarten Steinbuch 关于寿命的统计

6)INL Advanced Vehicle Testing Activity

作者:朱玉龙

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