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    電池壽命衰減情況是這樣測試的!特斯拉電池及壽命分析

    瀏覽次數: 日期:2015-12-21

    電池壽命衰減情況是這樣測試的!特斯拉電池及壽命分析

     

     

    摘要
    特斯拉對于電池的設計理念來說,是要做更大的電池來規避掉很多的問題。我們可以理性的從用戶期望里程對單次里程的比例,來分析電池的容量衰減情況。

     

    【第一電動網】(專欄作者 朱玉龍)Tesla這個公司,不管以后怎么樣,從現在來看確實對全球的汽車產業產生了積極的影響。這篇文章,是針對Tesla的電池系統和純電動汽車電池壽命做一些討論,拋磚引玉。因為涉及的內容有些敏感,這里盡量寫簡單淺顯一些,歡迎后續有工程師和我進行交流。

    第一部分 Tesla的電池系統

    Tesla的電池系統嚴格意義只有兩代,Roadster是第一代,Model S是第二代,在Model S里面開始設計是40kwh(取消)、60kwh(取消)、70kwh、85kwh和90kwh幾種,其中兩種比較確定的規格為:

    85 kWh(7104個 74P × 6 × 16) 400V

    60/40 kWh (5376個 64P × 6 × 14) kWh

    這里將電池系統分解為:

    電池模組:電池模組是電池系統的主要子單元,也是特斯拉的設計核心。

    結構系統:電池系統中采用了大量的隔離結構件,起到防水和絕緣的作用。

    熱管理系統:包括冷卻管路系統。

    線束系統:分高壓母線和低壓通信線束兩部分組成。

    電子電氣系統:內部包含電池管理、繼電器、預充電阻等。

    排氣系統:主要是對電池組的壓力進行釋放,主要有排氣閥和接口兩部分組成。

    其中最為重要的還是其電池模組設計

    電池單體模塊由主要以下部分構成:

    電池單體:松下的電池。

    電流母板:起到了連接電池的作用,將每組電池的正極和負極連接在一起,共有7種不同的規格木板。

    隔層:隔層將電池與冷卻管隔離并有絕緣的作用。

    散熱銅管:通過每一面與單體連接,將熱量帶出整個電池模組。

    隔離板:在電池的頂蓋上方,起到絕緣的作用。

    BMU采集板:測量電壓和溫度。

    熔絲:連接電池單體與母線牌,采用半導體中的Bonding工藝,對于電池組裝而言,這是非常難的工藝。

    溫度傳感器:采集溫度,其位置在冷卻管的輸入端和輸出端。

    采樣電壓采集線束:采集電池電壓,并有專門的固定的導線索引的結構進行固定。

    注:此圖選自里卡多的Benchmark報告的預覽版,并予以中文注釋和修改,建議想知道細節的,可以購買完整報告版本并獲取CAD。

    從技術的角度來看,涵蓋了不少的專利設計,這個是從百人會的一個介紹中摘錄出來,然后對每個內容作了一些整理。

    圖2 Tesla模組設計專利對應圖

    a)檢測方法

    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:確定電池何時,發生意外熱量事件和電池熱事件的系統,例如熱耗散。

    方法:在電池外表面使用電纜(電池表面溫度)或光纖來檢測電池的 SOH、壓力傳感器采集后對系統進行分析。

    實際:專利這個實際看下來差距比較大,還是只有簡單的電壓和溫度測量,沒有看到壓力和光纖在里面有實際的體現。

    b)隔熱設計

    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: 隔熱、散熱、隔離熱傳播和保持間距。

    手段:使用強度較高的隔離帶、用隔熱的帶將電池組隔離成小的塊。

    實際:結構設計應該是遵循了專利的設計意圖的。

    c)熱失控控制

    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:主動抑制電池熱失控和熱失控的時候瀉壓。

    方法:利用散熱的導流管,設計的時候考慮電池發熱的溫度使得冷卻管融化,將散熱液滅火,通過瀉壓伐的方式將壓力釋放出來。

    實際:待驗證,這個實驗設計起來比較費勁,可參考美國道路安全局主導的單體引燃實驗,確實Tesla在安全方面表現要好一些。

    小結:

    1)從收集信息的角度來看,我們可以拆解也可以通過去專利了解其設計意圖,不過需要大量的時間和錢來重復這個過程,來判斷Tesla的手段是否有效。

    2)國外目前有里卡多和AVL做過系統的拆解、分析和實驗,有分析報告,這方面如果節約時間可以買過來節約時間,再來做自己的拆解能夠了解其設計過程。

    第二部分 Tesla的電池壽命分析

    Tesla對于電池的設計理念來說,是要做更大的電池來規避掉很多的問題。我們可以理性的從用戶期望里程對單次里程的比例,來分析電池的容量衰減情況。如圖3所示,相對LEAF,270英里的續航里程對84英里的續航里程優勢太大,同樣達到10萬公里的次數,就差了三倍,對于同一個電池而言,循環次數也差了三倍。

    圖3 英里數對續航里程折算的理想循環次數

    我們網上的數據,只有參考文獻五,一些愛好者通過比較開過的英里數對每次行駛的續航里程來估算電池壽命的下降。在網站里面,可以點開每個用戶的使用實際情況(滿充滿放、Super Charge和隨充)。

    圖4 國外網友的實測里程效果估算

    實際上的這個壽命衰減過程是比較復雜的,有外部因素和內部因素,通過里程來計量的時候又受到駕駛習慣、車速、空調和計量誤差等,所以只能作為參考。

    比較靠譜的美國INL實驗室對其他純電動汽車做了很多實際的記錄,這個記錄方法是通過跑里程,將電池進行容量測試進行的。它的設計方法,一般是選4輛車,然后進行對比和確認。如圖5所示,主要對比的是美國的3.3KW充電和直流充電對車產生的影響,總體來看,影響不是特別大。

    圖5 INL對LEAF的測試跟蹤數據

    圖6主要是對2013 LEAF、2013 Ford Fucus和2014 BMW I3還有2012 的三菱iMiev進行記錄和測試。由于這幾個車里程都比較接近,所以得到的數據有些一致。

    5000英里 普遍的衰減是5%以內,iMieV這項差距有些大。

    12000英里 數據點比較少,不過也在10%的衰減。

    圖6 INL對其他車輛的測試跟蹤數據

    所以看到很多的宣傳,很多廠家宣稱100%DOD放電達到多少次,60%(20%~80%)的DOD多少次,這些數據只能作為一個參考。單體的循環次數和日歷壽命只是一個基礎,實際在電池包里面由于是電池串聯,主要同時發生兩部分,可用容量是:

    1.電池容量衰減

    2.電池SOC的差異和估算的誤差

    這個可用容量有初始差異性、時變差異性和個體之間差異性,外部的整個使用差異性和溫度環境差異,所以導致電池包的壽命和大部分單體壽命之間的背離,往最弱的那個單體靠攏。

    為了滿足車輛跑量的給私人消費者使用,現實的策略往往就是留有足夠的余量,讓消費者得到比較一致的里程體驗,在獲取容量數值之后,在控制端將SOC窗口隨著容量衰減而變化(長時間周期),開始給出的里程數據就不是最大的可行駛距離。

    小結:

    1)寫這篇文章不帶有主觀偏向性,也是把各家的資料來源做個梳理,做個資料性的導讀

    2)我們都在學習中,純電動的路線充滿了機遇和風險

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