謝靖飛　謝澤川　郭一祺　吳福慧　郭兵

(東莞理工學(xué)院　化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東東莞　523808)

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特斯拉電源管理系統(tǒng)和快速充電技術(shù)的研究綜述

謝靖飛謝澤川郭一祺吳?；酃?

(東莞理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東東莞523808)

特斯拉電動車的核心是其先進的鋰電池成組技術(shù)及其電池管理系統(tǒng)，由此實現(xiàn)了續(xù)航里程和安全性的飛躍。特斯拉采用工業(yè)化程度高、相對成熟的電池組單元。其技術(shù)優(yōu)勢在于：穩(wěn)定可靠、動力性能卓越，續(xù)航里程最高可達480 km。這有助于解決續(xù)航焦慮問題，也對快速充電技術(shù)提出了更高的要求。而特斯拉Model S電動汽車最大的電池容量為85 kWh，由7 000多顆18 650電池提供電量支持。如此大的電池容量，必須有更快的充電速度與之相匹配。對特斯拉的電池管理系統(tǒng)和快速充電技術(shù)進行簡要的分析，并展望未來電動汽車技術(shù)的前景。

特斯拉電動汽車；電池管理系統(tǒng)；快速充電技術(shù)

特斯拉汽車的成功在于其先進的電池管理系統(tǒng)。自上個世紀(jì)90年代以來，鋰離子電池在手機、筆記本電腦，電動工具等小型便攜電子設(shè)備中取得前所未有的成功，因為它表現(xiàn)出多方面的技術(shù)優(yōu)勢。但是，將鋰離子電池擴展到電動汽車等大型動力設(shè)備時卻遇到了障礙。公認(rèn)的事實是：在大電流放電時，鋰離子電池的性能大打折扣；即鋰離子電池不適合作為大型設(shè)備的動力電池，除非開發(fā)新型電極材料以提高大電流放電能力。當(dāng)時普遍認(rèn)為，電動汽車的核心技術(shù)問題，在于研發(fā)新型電極材料，以及由此構(gòu)筑全新的動力電池系統(tǒng)。然而這種觀念束縛了人們的思維，延緩了電動汽車行業(yè)前進的步伐，因為尋找全新的革命性的替代型電極材料是一個漫長的過程。許多汽車廠商對發(fā)展純電動汽車持觀望的態(tài)度：他們一方面關(guān)注新型電池材料的研發(fā)，另一方面仍將大部分人力、物力、財力投入到傳統(tǒng)燃油汽車上，也有一些廠商大力推動混合動力汽車，后者的目標(biāo)在于在燃油汽車上實現(xiàn)節(jié)油，而不是用純電動汽車完全替代燃油汽車。

特斯拉以其獨特的思維，開辟了電動汽車的市場化之路；它沒有把注意力放在新型電池的研發(fā)上，而是采用性能穩(wěn)定可靠、已經(jīng)通過市場考驗的普通18650型電芯，通過先進的電源管理，將電池的潛力發(fā)揮到極致，實現(xiàn)行業(yè)的突破。目前，特斯拉成為市場化最為成功的電動汽車，也無可爭議的成為電動汽車的代表。

1　特斯拉電池管理系統(tǒng)概述

特斯拉的電源系統(tǒng)采用分級管理，以第一款電動汽車Roadster跑車為例，其電源系統(tǒng)，如圖1所示[2]：

1)69節(jié)電池構(gòu)成一個Brick，每個Brick中的電池全部并聯(lián)；

2)9個Brick構(gòu)成一個Sheet，每個Sheet中的9個Brick串聯(lián)；

3)11個Sheet再串聯(lián)，構(gòu)成整個電池包；

計算：69×9×11=6 831。整個電池包的輸出電壓達到375 V。在電池包中，Sheet是最小的可更換單元。如果系統(tǒng)檢測到某顆電池出了問題，只要將包含這顆電池的Sheet進行更換。對于每一個層級都要進行監(jiān)控，于是每顆電芯的兩端均設(shè)置有保險絲，一旦這顆電芯過熱或電流過大則立刻融斷，斷開輸出。每個Brick的兩端、每個Sheet的兩端也都設(shè)置有保險絲，一旦電流過大則立刻融斷。僅僅有保險絲還不夠，在每個Sheet的層面上，均設(shè)置有BMB (Battery Monitor Board，即電池監(jiān)控面板)，用以監(jiān)控Sheet內(nèi)的每個Brick的電壓，溫度以及整個Sheet的輸出電壓。在電池包層面，設(shè)置有BSM (Battery System Monitor，電池監(jiān)控系統(tǒng))，用以監(jiān)控整個電池包的工作環(huán)境，包括電流、電壓、溫度、濕度、方位、煙霧等。在車輛層面，設(shè)置有VSM (Vehicle System Monitor，整車監(jiān)測系統(tǒng))，用以監(jiān)控BSM。

圖1　特斯拉電池包組裝示意圖

電池管理系統(tǒng) (Battery Management System, BMS)[3]的主要任務(wù)是保證電池組工作在安全的環(huán)境區(qū)間，提供車輛控制所需信息，在出現(xiàn)異常時及時響應(yīng)處理，并根據(jù)環(huán)境溫度、電池狀態(tài)及車輛需求等決定電池的充放電功率等。BMS的主要功能有電池參數(shù)監(jiān)測、電池狀態(tài)估計、在線故障診斷、充電控制、自動均衡、熱管理等。本文主要討論電池的充電控制問題。

在特斯拉的專利中[4]有很多奇妙的設(shè)計，比如下面這個把風(fēng)能變成電能的專利設(shè)計，如圖2所示。通過這套裝置，可以把行駛中、迎面而來的風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能，然后“回充”進電池內(nèi)儲存起來。

圖2　特斯拉的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置示意圖

2　獨特的充電插頭

特斯拉充電槍的設(shè)計也非常與眾不同。電動汽車行業(yè)對充電搶的要求非常嚴(yán)格，在充電槍使用前，要經(jīng)過100多項測試，包括防風(fēng)、防沙、防水、防寒、耐熱等各項性能，還要經(jīng)受耐腐蝕測試，各項性能都合格后，才能投入使用。因為充電連接口一旦漏電，很可能就會危及生命安全。

在電動汽車充電時，人們希望充電時間越短越好——如果能像燃油汽車開進加油站瞬時完成能量補給是最理想的效果。但是對于電池組來說，短時間內(nèi)完成巨大的充電容量，會導(dǎo)致溫度急劇上升，這是非常危險的?，F(xiàn)在特斯拉開發(fā)的超級充電樁，20 min可以充進一半的電量 (可行駛超過200 km)，80 min就可以把電量充滿，這種充電速度，是別的電動汽車望塵莫及的。

特斯拉是如何能做到這些的呢？特別設(shè)計的充電槍，是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一——充電槍內(nèi)置感應(yīng)器，可以感應(yīng)車內(nèi)電池狀態(tài)的變化，但這遠遠不是全部。

圖3　特斯拉充電槍

這種快速充電過程，是特斯拉核心技術(shù)的縮影：當(dāng)使用超級充電樁充電時，充電槍內(nèi)置的感應(yīng)器會隨時檢測車內(nèi)電池的溫度變化，如果電池溫度過高，充電槍就立即發(fā)出信號，減低充電強度，使電池溫度降低；同時，電池板內(nèi)的冷卻系統(tǒng)，也同步做出相應(yīng)的反應(yīng)使冷卻力度加強。也就是說，充電槍好像是長著“神經(jīng)”一樣，能感知車內(nèi)電池的溫度變化，并能根據(jù)電池溫度高低，自動調(diào)節(jié)充電強度。即這個看似簡單的充電過程，是充電槍、電池冷卻系統(tǒng)、以及充電樁的電流高度協(xié)同工作的結(jié)果。

特斯拉在美國的300項核心專利，絕大多數(shù)都是關(guān)于電池冷卻系統(tǒng)，充電模式，還有電池板結(jié)構(gòu)，總之都與電源管理有關(guān)，這也是特斯拉技術(shù)最核心的部分。

每輛特斯拉的幾千顆電池在各個層面都內(nèi)置了感應(yīng)器和芯片，即時監(jiān)控電池的狀態(tài)變化，遇到意外情況，能在幾毫秒內(nèi)關(guān)閉電池；充電槍也內(nèi)置感應(yīng)器，能和車內(nèi)的電池管理系統(tǒng)形成“良好互動”?；谶@樣的技術(shù)優(yōu)勢，特斯拉聯(lián)合創(chuàng)始人J. B. Strubal信心滿滿地說，未來特斯拉的充電時間可以減少到5～10 min[5]。

3　充電方法

電動汽車的充電方法可以劃分為普通充電，快速充電以及機械充電[6]。其中，普通充電方法包含恒流恒壓充電、變電流間歇充電；快速充電方法則包括：脈沖充電和智能充電；而所謂的機械充電并不是真的充電，而是電池組的快速更換。

恒流恒壓充電方法一般分為預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電三個階段[7]，是一種經(jīng)典的充電方法，首先采用恒流方式充電，然后采用恒壓方式充電，結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，但是這種方法無法消除強烈的電池極化，充電效率較低。

變電流間歇充電：在限定電池最高充電電壓情況下，采用電流分段減小的間歇方式對電池充電，增大充電電流、縮短充電時間，這種方法充分利用電池自身的特性，能夠在短時間內(nèi)充入很大的容量，一定程度上保證了電池的循環(huán)壽命，但充電后期，充電速度仍然較慢。

脈沖充電：顛覆了傳統(tǒng)方式對最佳充電曲線的限制，一般采用大電流脈沖式充電，停沖間歇消除電池極化現(xiàn)象。但是為了保證電池溫度不至于過高，前期的恒流充電電流一般較小，速度仍然比較慢。

智能充電：采用智能控制算法，根據(jù)電池狀態(tài)自動跟蹤電池的最佳充電電流曲線，電池溫度變化小、充電時間短，但是對于算法的設(shè)計和測量精度要求較高。

對于鋰離子電池來說，控制充電電流接近最佳充電曲線能夠提高充電效率、減小對電池的損害[8]。同時在保證電池壽命不受影響的情況下，提高充電電流、并采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄏ姵貥O化，以加快充電速度。

特斯拉為Model S提供多種充電方式，最低充電功率也達到10 kW，這意味著普通的家用電源根本無法滿足其充電需要。于是，特斯拉發(fā)明了一系列用于快速充電的優(yōu)化方法及裝置?？勺冸娏鞒潆娤到y(tǒng)是特斯拉獨創(chuàng)的快速充電方式，它采用三段式充電[9]，以最快的速度把電池完全充滿。最快時，相當(dāng)于3秒充滿6芯筆記本電池。

第一階段：小電流預(yù)充電。接通電源后檢查電池狀態(tài)，如果每顆電池的端電壓小于最低充電門限電壓2.5 V，說明電池已存在一定程度的過放；此時如果立刻進行大電流充電會破壞電池內(nèi)部的化學(xué)材料。系統(tǒng)會選擇0.1 C的倍率進行涓流預(yù)充電，讓電池的化學(xué)特性逐漸恢復(fù)，電壓慢慢提高，當(dāng)電池電壓達到門限電壓后，進入下一個充電階段。

第二階段：分段恒流充電。當(dāng)電池電壓介于最低門限電壓與上限電壓 (4.2 V 左右) 之間時，采用分段恒流方法對電池充電。首先以較大電流充電，此時電池電壓迅速上升，然后一段時間后適當(dāng)減小充電電流繼續(xù)充電，經(jīng)過多次分段減小的恒流充電之后，電壓將達到上限 (4.2 V 左右)，而且容量接近 80 %，此時分段恒流充電結(jié)束。

第三階段：大電流脈沖充電。在電池的電壓達到上限值以后，電池內(nèi)部的極化逐漸增強，此時采用 1C倍率的大電流脈沖式充電。大電流脈沖使電池電壓迅速上升，停沖期則為電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)提供了緩沖，將極化降到最低，使緊隨的下個脈沖得以順利進行，隨著脈沖充電的進行，電池逐漸被充滿。雖然并非連續(xù)的全時充電，但是由于充電電流增大，相比于傳統(tǒng)的分段式充電，充電效率大大提高。

特斯拉還申請了電池充電時間優(yōu)化的專利。在外接電源能量有限的情況下，優(yōu)先為電池系統(tǒng)充電，而能量充足時，再兼顧其他附屬機構(gòu) (如電池冷卻系統(tǒng)) 的用電需要[10]。

4　充電途徑

為了保持順利獲得充電，目前特斯拉提供三種充電途徑：移動充電包、高能充電樁和超級充電樁[11]。

所謂移動充電包，就是一條充電線，使用普通的家用電源插口進行，比較方便，但這種方式的充電速度非常緩慢。美國本土電壓是110 V，每小時充入的電量可以讓汽車行駛16 km左右。

如果用戶有固定車位，可以選擇特斯拉的Wall Connector高能充電樁，它在單充電模式下最大輸出為240 V/40 A，充電速度比普通家用接口速度更快，每小時充入的電量可以讓Model S續(xù)航46 km。而在雙充電模式下可以輸出240 V/80 A，每小時充電保證行駛 93 km。所謂雙充電模式，就是兩個充電單元，其中一個是原車自帶，另外一個則需要用戶付費選裝。它的作用和效果很簡單，就是增加了一個充電通道，充電速度提升為原來的兩倍，這比普通電源插座快得多了，基本一個晚上就能將車輛充滿電。

第三種充電方式是公共超級充電樁。超級充電樁輸出電壓為380 V，電流接近200 A，每小時充電供給續(xù)航350 km。每個充電站的輸出電流都是恒定的，只有一輛車充電時，它可以享受充電站70 %的電流額度；當(dāng)充電的車輛數(shù)量增加時，電流會平均分配到每輛車上。充電速度可能下降到每小時充電續(xù)航96 km左右。

目前特斯拉的超級充電樁，代表了世界上最先進的充電技術(shù)。特斯拉承諾，用戶將永久獲得免費充電的服務(wù)。隨著特斯拉充電技術(shù)的更新?lián)Q代，充電速度變得更快，充電時間相對之前減少了30 %，充滿一半的電量只需20 min，這一充電速度是普通電動車的20倍。而一輛60 kWh電池組的Model S充滿電可以續(xù)航368 km。

除了自營的快速服務(wù)站外 (提供120 kW直流電)，特斯拉還采用所謂“機械充電”來解決充電時間過長的問題，也就是90 s快速更換電池組。這項技術(shù)2014年12月首次開放對外運營，首個更換電池站點在洛杉磯到舊金山的某處公路旁投入使用。

具體操作如下：當(dāng)Model S在充電站停穩(wěn)，地底下的一扇門開啟，從下面升起一個升降臺將Model S車底下那塊巨大的電池包上的39顆固定螺絲解開，再把這個重達590 kg處于低電狀態(tài)的電池包從地底下運走，取而代之的是另一個充滿電的電池包，然后重復(fù)以上動作快速安裝。整個過程僅需90 s。其中，所有涉及到的機械運作都是靠液壓或電力驅(qū)動。盡管有許多優(yōu)點，但這種機械充電模式在應(yīng)用層面面臨的最大障礙不是技術(shù)，而是管理，其中要解決的主要問題是電池與電動汽車的標(biāo)準(zhǔn)化、充電站的建設(shè)和管理、以及電池包的流通管理等。

5　無線充電技術(shù)

雖然充電技術(shù)已經(jīng)處于領(lǐng)先，但特斯拉并沒有止步于此。對電動汽車的電池包而言，最理想的情況是能在行駛的路上進行充電。無線充電技術(shù)在未來大有作為。這種靈活的移動充電方案或許將成為解決當(dāng)今電動汽車面臨的“續(xù)航焦慮”問題的最終選擇。

圖4　無線充電裝置

由美國業(yè)者Evatran開發(fā)的Plugless無線充電系統(tǒng)，采用電感 (Inductive) 技術(shù)為車輛進行無線充電；它們的思路是在車輛底盤安裝轉(zhuǎn)接器Vehicle Adaptor，當(dāng)它與裝置在地面的平臺Parking Pad對準(zhǔn)時，充電系統(tǒng)就被喚醒，并自動透過功率水平與Level 2充電器相當(dāng)?shù)臍庀?(Air Gap) 傳送能量[12]，如圖所示。

除了為特斯拉Model S后驅(qū)車型提供無線充電設(shè)備，Plugless還向Model S四驅(qū)車型提供適配的無線充電方案。Plugless的感應(yīng)電力系統(tǒng)可以在10 cm距離的情況下實現(xiàn)無線充電。充電功率7.2 kW，相當(dāng)于充電一小時行駛32 km。

無線充電技術(shù)源于無線電力輸送。當(dāng)前，電動汽車無線充電方式大致分為三種：1)已應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品等的電池感應(yīng)方式；2)可向數(shù)米外供電的磁共振方式；3)低成本的微波方式[13]。

表1　無線充電方式

由表1可知，利用電磁感應(yīng)的無線充電技術(shù)最具有現(xiàn)實性，并且現(xiàn)在在電動汽車上已有實際應(yīng)用；而磁共振技術(shù)則最被看好、被認(rèn)為是將來最有希望廣泛應(yīng)用于電動汽車充電的一種方式；而微波方式，現(xiàn)在則提出基于這一思路的“太空太陽能發(fā)電技術(shù)”。

盡管當(dāng)前特斯拉主要專注于充電樁的建設(shè)，但是，無線充電技術(shù)無疑具有更好的通用性與前景。隨著互聯(lián)網(wǎng)的深入發(fā)展，汽車也會迎來自己的互聯(lián)網(wǎng)時代——車聯(lián)網(wǎng)。車聯(lián)網(wǎng)是未來的發(fā)展趨勢，聯(lián)網(wǎng)之后，不僅可以實現(xiàn)交通優(yōu)化，促進智慧城市的建設(shè)，還將為眾多新興產(chǎn)業(yè)帶來機遇。此外，通過車身網(wǎng)絡(luò)，還可以獲取車身中各類傳感器數(shù)據(jù)，用于故障預(yù)知和遠程診斷等。

隨著智慧城市建設(shè)，智能電網(wǎng)[14]也應(yīng)運而生。所謂智能電網(wǎng)，就是電網(wǎng)的智能化，即自動的廣泛分布的能量交換網(wǎng)絡(luò)，它具有電力和信息雙向流動的特點，同時能夠監(jiān)測從發(fā)電廠到用電器之間的所有元件。與加油站單獨運行的方式不同，為保證充電安全、順暢和高效，電動汽車的充電對能源供應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化提出了很高的要求，因此，未來電網(wǎng)將能針對電動汽車實現(xiàn)實時監(jiān)控。

研究表明，超過90 %的車輛95 %的時間處于停駛狀態(tài)，為電動汽車作為移動儲能單元提供了基礎(chǔ)。電動汽車內(nèi)置移動電池，可以作為儲能裝置，成為智能電網(wǎng)的一部分，而連接在充電站的電動汽車還可以根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令，在用電高峰把電能回饋給電網(wǎng)。簡而言之，智能電網(wǎng)與充電站是一個互補的方案。由于電網(wǎng)儲能環(huán)節(jié)和電動汽車電池的成本都較高，如果能夠?qū)⒍呓Y(jié)合起來，將產(chǎn)生互相促進，互相利好的效果。

6　結(jié)語

綜上所述，特斯拉獨特的電池管理系統(tǒng)以及先進的充電技術(shù)，有著明顯的優(yōu)越性。另一方面，也有專家認(rèn)為，特斯拉在如下幾個方面還沒有取得本質(zhì)性突破：1)回收再利用、銷毀電池，將其對環(huán)境的危害降到最低；2)電池現(xiàn)有的能效瓶頸并得到根本性突破；3)電池的充電效率沒有本質(zhì)上的提升；4)制造使用電池的成本大大降低。只有具有本質(zhì)性突破的電池技術(shù)，才是面向未來的技術(shù)。盡管目前特斯拉還沒有顛覆性的成果出現(xiàn)，但是不可否認(rèn)，從特斯拉汽車電池技術(shù)以及車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中，人們?nèi)垣@益頗多。作為電動汽車行業(yè)最為成功的領(lǐng)跑者，特斯拉以其先進的技術(shù)理念和高端的商業(yè)模式，吸引了全世界的關(guān)注[15]。事實上，特斯拉使用的并非是全新技術(shù)，但其運用互聯(lián)網(wǎng)思維創(chuàng)造了一種新的模式，這也為中國電動汽車以及相關(guān)行業(yè)的未來發(fā)展，提供了頗為有益的思考和啟示。

[1]羅慧,楊可瞻,曾慈航.電動車特斯拉之崛起[J].中國中小企業(yè),2013(7):68-70.

[2]吳彬.特斯拉電動汽車電池管理系統(tǒng)解析[N].知乎,2014-05-09.

[3]劉春娜.特斯拉電池技術(shù)及策略[J].電源技術(shù),2014(3):56-58.

[4]Tesla N. Electromechanical Pawl For Controlling Vehicle Charge Inlet Access[P].U S Patent 20130078841A1, 2013-03-28.

[5]陳一斌.從30到20再到5，Tesla的超級充電技術(shù)越來越快[N]. 愛范兒,2013-07-17.

[6]馬銀山.電動汽車充電技術(shù)及運營知識問答[J]. 2012(1):79-81.

[7]黎林.純電動汽車用鋰電池管理系統(tǒng)的研究[D].北京:北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,2009-06.

[8]Tesla N. Battery Pack Overcharging Protection System[P]. U SPatent 20120105015A1, 2012-05-03.

[9]王艷.特斯拉4種充電方式詳解，快充、慢充有門道[N].電動汽車時代,2014-10-10.

[10]祝晶，劉少兵，劉青掌，特斯拉電動汽車崛起原因淺析和啟示[J].科技視界,2015-08-15.

[11]2013新技術(shù)盤點 特斯拉電池及充電技術(shù) [N].易車,2014-01-26.

[12]特斯拉將可無線充電充1小時行20英里 [N].網(wǎng)易汽車,2016-02-22.

[13]馬銀山.電動汽車充電技術(shù)及運營知識問答[J]. 2012(1):83-86.

[14]國家發(fā)展改革委 國家能源局關(guān)于促進智能電網(wǎng)發(fā)展的指導(dǎo)意見[N].2015-07-06.

[15]中國加速下一代鋰電池研究 突破電動汽車瓶頸[N].國際在線,2014-07-15.

A Review on Tesla Electric Vehicles’Battery Management System and Fast Charging Technology

XIE JingfeiXIE ZechuanGUO YiqiWU FuhuiGUO Bing*

(College of Chemistry and Environmental Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China)

Based on the present lithium ion battery, Tesla electric vehicles have made a great progress in driving miles and safety by developing its unique Battery Management System (BMS). The battery system of Tesla has been well developed with stable electrochemical performances and manufactured in a great number. Because of superior performance of its battery system which is composed of more than 7 000 cells and own total capacity as high as 85 kWh, a Tesla car can drive up to 480 km over one full charge. Therefore, a large current rate is necessary to charge such a big battery pack in an acceptable time. This paper figures out several significant points on Tesla’s BMS and fast charging technology. A sound analysis of the current technology brings insights into the future prospective. Particularly fast charging through wireless technology is deemed to play a key role in the future.

Tesla electric vehicles; Battery Management System; Fast Charging Technology

2016-03-28

2014年東莞理工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201411819039)。

謝靖飛(1990—)，男，廣東肇慶人,東莞理工學(xué)院2012級化工卓越班學(xué)生。

郭兵(1981—)，男，河南南陽人，講師，主要從事納米和多孔材料科學(xué)、電化學(xué)和電極材料、衍射晶體學(xué)和電子顯微表征研究。

TQ433. 432

A

1009-0312(2016)03-0083-07