電池壽命衰減情況是這樣測試的！特斯拉電池及壽命分析

【第一電動網(wǎng)】（專欄作者 朱玉龍）Tesla這個公司，不管以后怎么樣，從現(xiàn)在來看確實對全球的汽車產業(yè)產生了積極的影響。這篇文章，是針對Tesla的電池系統(tǒng)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(xù)有工程師和我進行交流。

第一部分 Tesla的電池系統(tǒng)

Tesla的電池系統(tǒng)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(guī)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(tǒng)分解為：

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

結構系統(tǒng)：電池系統(tǒng)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(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)：內部包含電池管理、繼電器、預充電阻等。

排氣系統(tǒng)：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(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。

圖1 Tesla 電池模組示意圖

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(jié)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(fā)生意外熱量事件和電池熱事件的系統(tǒng)，例如熱耗散。

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

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(fā)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(xiàn)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(tǒng)的拆解、分析和實驗，有分析報告，這方面如果節(jié)約時間可以買過來節(jié)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(guī)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(xù)航里程對84英里的續(xù)航里程優(yōu)勢太大，同樣達到10萬公里的次數(shù)，就差了三倍，對于同一個電池而言，循環(huán)次數(shù)也差了三倍。

圖3 英里數(shù)對續(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)，只有參考文獻五，一些愛好者通過比較開過的英里數(shù)對每次行駛的續(xù)航里程來估算電池壽命的下降。在網(wǎng)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(wǎng)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(shù)據(jù)

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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)

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(shù)據(jù)只能作為一個參考。單體的循環(huán)次數(shù)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(lián)，主要同時發(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(huán)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(xiàn)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(shù)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(shù)據(jù)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

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 關于壽命的統(tǒng)計

6)INL Advanced Vehicle Testing Activity