電池壽命衰減情況是這樣測(cè)試的！特斯拉電池及壽命分析

【第一電動(dòng)網(wǎng)】（專欄作者 朱玉龍）Tesla這個(gè)公司，不管以后怎么樣，從現(xiàn)在來(lái)看確實(shí)對(duì)全球的汽車產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了積極的影響。這篇文章，是針對(duì)Tesla的電池系統(tǒng)和純電動(dòng)汽車電池壽命做一些討論，拋磚引玉。因?yàn)樯婕暗膬?nèi)容有些敏感，這里盡量寫簡(jiǎn)單淺顯一些，歡迎后續(xù)有工程師和我進(jìn)行交流。

第一部分 Tesla的電池系統(tǒng)

Tesla的電池系統(tǒng)嚴(yán)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(shè)計(jì)是40kwh(取消)、60kwh(取消)、70kwh、85kwh和90kwh幾種，其中兩種比較確定的規(guī)格為：

85 kWh(7104個(gè) 74P × 6 × 16) 400V

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

這里將電池系統(tǒng)分解為：

電池模組：電池模組是電池系統(tǒng)的主要子單元，也是特斯拉的設(shè)計(jì)核心。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：電池系統(tǒng)中采用了大量的隔離結(jié)構(gòu)件，起到防水和絕緣的作用。

熱管理系統(tǒng)：包括冷卻管路系統(tǒng)。

線束系統(tǒng)：分高壓母線和低壓通信線束兩部分組成。

電子電氣系統(tǒng)：內(nèi)部包含電池管理、繼電器、預(yù)充電阻等。

排氣系統(tǒng)：主要是對(duì)電池組的壓力進(jìn)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(shè)計(jì)

電池單體模塊由主要以下部分構(gòu)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(fù)極連接在一起，共有7種不同的規(guī)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(guò)每一面與單體連接，將熱量帶出整個(gè)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(cè)量電壓和溫度。

熔絲：連接電池單體與母線牌，采用半導(dǎo)體中的Bonding工藝，對(duì)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(dǎo)線索引的結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定。

圖1 Tesla 電池模組示意圖

注：此圖選自里卡多的Benchmark報(bào)告的預(yù)覽版，并予以中文注釋和修改，建議想知道細(xì)節(jié)的，可以購(gòu)買完整報(bào)告版本并獲取CAD。

從技術(shù)的角度來(lái)看，涵蓋了不少的專利設(shè)計(jì)，這個(gè)是從百人會(huì)的一個(gè)介紹中摘錄出來(lái)，然后對(duì)每個(gè)內(nèi)容作了一些整理。

圖2 Tesla模組設(shè)計(jì)專利對(duì)應(yīng)圖

a)檢測(cè)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(shí)，發(fā)生意外熱量事件和電池?zé)崾录�的系統(tǒng)，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(lái)檢測(cè)電池的 SOH、壓力傳感器采集后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

實(shí)際：專利這個(gè)實(shí)際看下來(lái)差距比較大，還是只有簡(jiǎn)單的電壓和溫度測(cè)量，沒(méi)有看到壓力和光纖在里面有實(shí)際的體現(xiàn)。

b)隔熱設(shè)計(jì)

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(qiáng)度較高的隔離帶、用隔熱的帶將電池組隔離成小的塊。

實(shí)際：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該是遵循了專利的設(shè)計(jì)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(dòng)抑制電池?zé)崾Э睾蜔崾Э氐臅r(shí)候?yàn)a壓。

方法：利用散熱的導(dǎo)流管，設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮電池發(fā)熱的溫度使得冷卻管融化，將散熱液滅火，通過(guò)瀉壓伐的方式將壓力釋放出來(lái)。

實(shí)際：待驗(yàn)證，這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)起來(lái)比較費(fèi)勁，可參考美國(guó)道路安全局主導(dǎo)的單體引燃實(shí)驗(yàn)，確實(shí)Tesla在安全方面表現(xiàn)要好一些。

小結(jié)：

1)從收集信息的角度來(lái)看，我們可以拆解也可以通過(guò)去專利了解其設(shè)計(jì)意圖，不過(guò)需要大量的時(shí)間和錢來(lái)重復(fù)這個(gè)過(guò)程，來(lái)判斷Tesla的手段是否有效。

2)國(guó)外目前有里卡多和AVL做過(guò)系統(tǒng)的拆解、分析和實(shí)驗(yàn)，有分析報(bào)告，這方面如果節(jié)約時(shí)間可以買過(guò)來(lái)節(jié)約時(shí)間，再來(lái)做自己的拆解能夠了解其設(shè)計(jì)過(guò)程。

第二部分 Tesla的電池壽命分析

Tesla對(duì)于電池的設(shè)計(jì)理念來(lái)說(shuō)，是要做更大的電池來(lái)規(guī)避掉很多的問(wèn)題。我們可以理性的從用戶期望里程對(duì)單次里程的比例，來(lái)分析電池的容量衰減情況。如圖3所示，相對(duì)LEAF，270英里的續(xù)航里程對(duì)84英里的續(xù)航里程優(yōu)勢(shì)太大，同樣達(dá)到10萬(wàn)公里的次數(shù)，就差了三倍，對(duì)于同一個(gè)電池而言，循環(huán)次數(shù)也差了三倍。

圖3 英里數(shù)對(duì)續(xù)航里程折算的理想循環(huán)次數(shù)

我們網(wǎng)上的數(shù)據(jù)，只有參考文獻(xiàn)五，一些愛(ài)好者通過(guò)比較開過(guò)的英里數(shù)對(duì)每次行駛的續(xù)航里程來(lái)估算電池壽命的下降。在網(wǎng)站里面，可以點(diǎn)開每個(gè)用戶的使用實(shí)際情況(滿充滿放、Super Charge和隨充)。

圖4 國(guó)外網(wǎng)友的實(shí)測(cè)里程效果估算

實(shí)際上的這個(gè)壽命衰減過(guò)程是比較復(fù)雜的，有外部因素和內(nèi)部因素，通過(guò)里程來(lái)計(jì)量的時(shí)候又受到駕駛習(xí)慣、車速、空調(diào)和計(jì)量誤差等，所以只能作為參考。

比較靠譜的美國(guó)INL實(shí)驗(yàn)室對(duì)其他純電動(dòng)汽車做了很多實(shí)際的記錄，這個(gè)記錄方法是通過(guò)跑里程，將電池進(jìn)行容量測(cè)試進(jìn)行的。它的設(shè)計(jì)方法，一般是選4輛車，然后進(jìn)行對(duì)比和確認(rèn)。如圖5所示，主要對(duì)比的是美國(guó)的3.3KW充電和直流充電對(duì)車產(chǎn)生的影響，總體來(lái)看，影響不是特別大。

圖5 INL對(duì)LEAF的測(cè)試跟蹤數(shù)據(jù)

圖6主要是對(duì)2013 LEAF、2013 Ford Fucus和2014 BMW I3還有2012 的三菱iMiev進(jìn)行記錄和測(cè)試。由于這幾個(gè)車?yán)锍潭急容^接近，所以得到的數(shù)據(jù)有些一致。

5000英里 普遍的衰減是5%以內(nèi)，iMieV這項(xiàng)差距有些大。

12000英里 數(shù)據(jù)點(diǎn)比較少，不過(guò)也在10%的衰減。

圖6 INL對(duì)其他車輛的測(cè)試跟蹤數(shù)據(jù)

所以看到很多的宣傳，很多廠家宣稱100%DOD放電達(dá)到多少次，60%(20%～80%)的DOD多少次，這些數(shù)據(jù)只能作為一個(gè)參考。單體的循環(huán)次數(shù)和日歷壽命只是一個(gè)基礎(chǔ)，實(shí)際在電池包里面由于是電池串聯(lián)，主要同時(shí)發(fā)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(gè)可用容量有初始差異性、時(shí)變差異性和個(gè)體之間差異性，外部的整個(gè)使用差異性和溫度環(huán)境差異，所以導(dǎo)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(gè)單體靠攏。

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

小結(jié)：

1)寫這篇文章不帶有主觀偏向性，也是把各家的資料來(lái)源做個(gè)梳理，做個(gè)資料性的導(dǎo)讀

2)我們都在學(xué)習(xí)中，純電動(dòng)的路線充滿了機(jī)遇和風(fēng)險(xiǎn)

參考資料：

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 關(guān)于壽命的統(tǒng)計(jì)

6)INL Advanced Vehicle Testing Activity